運(yùn)營公路隧道縱向穩(wěn)定性的長期監(jiān)測研究

劉 濤

0 引言

引起隧道縱向變形的因素眾多，既有隧道施工期的，又有運(yùn)營期的，有系統(tǒng)本身的，也有周邊環(huán)境變化引起的。隧道施工期的縱向變形，在連接螺栓二次預(yù)緊前已基本完成，對隧道長期結(jié)構(gòu)性能影響不大;對于隧道運(yùn)營期的縱向變形，除了施工期擾動土體的次固結(jié)變形外，尚有多種因素會引起隧道的縱向不均勻變形，會直接影響隧道結(jié)構(gòu)的安全。

1 運(yùn)營圓形隧道縱向變形的長期監(jiān)測

1.1 竣工及運(yùn)營初期的隧道結(jié)構(gòu)縱向變形

隧道的縱向變形，尤其是差異變形是隧道地質(zhì)條件、施工條件、使用條件以及其他各種因素長期影響的結(jié)果，因此隧道沉降與隧道的歷史變形是密切相關(guān)的。一般在隧道竣工時，往往會產(chǎn)生不同程度永久性的不均勻沉降，特別是軟弱復(fù)雜地層中施工的隧道沉降值較大。如圖1所示為該越江隧道竣工時的沉降曲線。隧道竣工時2號井和3號井之間江中段產(chǎn)生了超過300 mm的沉降。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)縱向變形觀測

圖2，圖3為近10年圓形隧道左右兩側(cè)沿隧道縱向的累積變形曲線?？傮w上近10年隧道的縱向變形曲線形態(tài)基本一致，且接近平行，年均變形一般不超過5 mm。這意味著目前在隧道縱向變形表現(xiàn)出較好的整體性，表現(xiàn)為整體上浮或下沉的，隧道各段之間差異變形較小，因此對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響不是很大。隧道縱向的累積變形基本上在-30 mm～30 mm之間。從目前的情況來看，隧道的縱向變形已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定。

從圓形隧道的各部分來看，4號井～3號井段由于其下臥層為粘質(zhì)粉土或粉砂與淤泥質(zhì)黏土互層(接近砂性土)的土層，因此隧道的縱向變形比較穩(wěn)定，且累積變形量不大，曲線形態(tài)較為平緩，隧道有輕微的上浮現(xiàn)象，上浮10 mm左右。但左側(cè)曲線在200環(huán)左右產(chǎn)生了約15 mm的沉降(見圖3中A點(diǎn))，且該位置的曲率半徑也相對較小，為40 000 m左右，因此該處隧道襯砌環(huán)向接頭可能會產(chǎn)生較大張開度，從而產(chǎn)生滲漏情況。

3號井～2號井為圓形隧道的江中段，此段隧道縱向表現(xiàn)為較為明顯的整體上浮，上浮量達(dá)30 mm～40 mm，這可能是由于江水的沖刷導(dǎo)致隧道覆土厚度減小，以及黃浦江水位變化導(dǎo)致浮力增大等原因引起的。同樣在580 m左右隧道的沉降較大(見圖2中 B點(diǎn))，曲率半徑較小約為 35 000 m。從850 m左右至 2號井隧道下臥層為松軟的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土性變化劇烈，地質(zhì)條件復(fù)雜。而且經(jīng)調(diào)查2號井以東第70環(huán)隧道上方覆土原為15 m，地表曾經(jīng)為一約30 m×50 m的洼地，自1970年隧道通車后，在1973年～1987年間對該洼地進(jìn)行了平整處理，期間進(jìn)行了4次土方填筑和混凝土層鋪筑，每次地表單位面積的荷載增量約為10 kPa～20 kPa，4次總共約為70 kPa，當(dāng)時的實(shí)測顯示每次加荷后沉降約增加20 mm～40 mm，4次加載后總沉降增量為110 mm。因此該段隧道的縱向變形較為劇烈，在200 m的長度上隧道縱向發(fā)生了近60 mm的差異變形，造成隧道管片的錯動和接頭張開，這由初步調(diào)查情況中2號井東側(cè)部分管片出現(xiàn)較為嚴(yán)重的錯動，最大達(dá)到6 cm～7 cm和113環(huán)變形縫牛腿至管片發(fā)生撕裂得到了充分印證。同時該處的曲率半徑也為35 000 m左右(見圖3中C點(diǎn))。

2號井～1號井為隧道浦西岸邊段，在隧道1號井以東80 m的范圍內(nèi)，最大沉降增量達(dá)60 mm，出現(xiàn)嚴(yán)重的縱向不均勻沉降。這主要是由于采用沉井法施工隧道1號井下臥土層松軟且地層復(fù)雜，而且與鄰近圓形隧道段不同，因而導(dǎo)致1號井沉降遠(yuǎn)大于隧道的沉降。不僅造成隧道的撓曲發(fā)生環(huán)向裂縫，而且使豎井與隧道的接頭發(fā)生錯動開裂。

1.3 隧道結(jié)構(gòu)縱向差異變形分析

圖4～圖6給出了圓形隧道1996年和2006年的沉降曲線曲率，由圖4～圖6可知總體上隧道沉降曲線曲率存在較大增長，即其差異沉降在逐漸增大。分段分析圓形盾構(gòu)段在4號豎井～2號豎井之間的曲線曲率較小，平均為1.0×10-3mm-1左右，靠近豎井處的差異沉降較區(qū)間隧道大。2號豎井～1號豎井區(qū)間的曲率較大，其曲率平均為2.0×10-3mm-1左右，最大達(dá)到7.5×10-3mm-1，因此此段隧道的差異沉降較大，易引起隧道的環(huán)向接頭及隧道與豎井接頭位置開裂。

1.4 隧道結(jié)構(gòu)縱向變形與滲漏關(guān)系

將圓形段隧道沉降曲率曲線及縱向沉降曲線與滲漏統(tǒng)計結(jié)果做比較，可以得到沉降及曲率較大區(qū)段與隧道滲漏較為集中區(qū)段的對應(yīng)關(guān)系。

在整個隧道沉降最為嚴(yán)重的960 m～1 280 m區(qū)段(010環(huán)～370環(huán)，即1號井～2號井)隧道的滲漏情況非常嚴(yán)重，目前圓形隧道段超過1/2以上的滲漏點(diǎn)集中在此300 m左右區(qū)域內(nèi)，其曲率的平均值比較大，最小的曲率半徑僅為143 m。另外，呈現(xiàn)明顯整體上浮趨勢在江中段440 m～680 m(780環(huán)～960環(huán))存在一個縱向長220 m左右，沉降量超過6 cm左右的沉降槽，通過檢測，同樣發(fā)現(xiàn)此區(qū)段是除1號井～2號井區(qū)段外，圓形隧道段滲漏點(diǎn)最為集中的區(qū)域，該段沉降曲率也比較大，最小的曲率半徑達(dá)到321.5 m。除上述情況外，江中段680 m～880 m區(qū)段及360 m～400 m(3號井附近)隧道明顯上浮超過5 cm，同時這兩個區(qū)域的滲漏點(diǎn)也相對較多。

通過圓形隧道縱向變形與滲漏情況的相關(guān)性分析，可以看出在隧道縱向變形較為劇烈的區(qū)域，隧道的滲漏情況同樣較為嚴(yán)重，這可能是由于隧道的縱向變形導(dǎo)致了隧道環(huán)縱縫張開度的增大，隧道滲漏加劇;而同時由于隧道的滲漏，造成隧道結(jié)構(gòu)周圍水土流失進(jìn)而又加劇了隧道的縱向變形，形成惡性循環(huán)對隧道的穩(wěn)定帶來了極為不利的影響。取隧道左右測點(diǎn)曲率半徑較小的值，以每10環(huán)作為一個統(tǒng)計單位，隧道總的集中滲漏點(diǎn)共計 66處，分析結(jié)果如下:當(dāng)隧道曲率半徑ρ＜584.0 m時，發(fā)生滲漏的隧道集中區(qū)為40個，占總滲漏集中點(diǎn)的60.6%;當(dāng)隧道曲率半徑584.0 m＜ρ＜800.0 m時，發(fā)生滲漏的集中區(qū)為12個，占總滲漏集中點(diǎn)的18.2%;當(dāng)隧道曲率半徑800.0 m＜ρ＜1 000.0 m時，發(fā)生滲漏的集中區(qū)為8個，占總滲漏集中點(diǎn)的12.1%;當(dāng)隧道曲率半徑ρ＞1 000.0 m時，發(fā)生滲漏的集中區(qū)為6個，占總滲漏集中點(diǎn)的9.1%。綜合分析結(jié)果可認(rèn)為當(dāng)隧道的曲率半徑ρ＜1 000 m時，隧道環(huán)縫張開量就有可能超過環(huán)縫止水材料的極限張開量，隧道發(fā)生集中滲漏的概率就會比較大。

2 結(jié)語

1)隧道的長期縱向變形在隧道運(yùn)營初期變化較劇烈，且受隧道周圍土體本身固結(jié)沉降影響較大，此過程一般要持續(xù)較長時間隧道才能趨于穩(wěn)定。

2)在隧道運(yùn)營過程中，外部荷載對隧道縱向變形易造成突發(fā)性影響，對隧道的縱向穩(wěn)定性不利。

3)隧道縱向變形差異變形是影響隧道結(jié)構(gòu)滲漏的主要原因，結(jié)構(gòu)的縱向變形特性和隧道滲漏水狀態(tài)存在較為密切的相關(guān)性?？v向變形易導(dǎo)致襯砌環(huán)向接頭的張開度增大，引起滲漏，同時滲漏又導(dǎo)致隧道繼續(xù)產(chǎn)生縱向不均勻變形，二者相互影響。

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