潮位變化對上海某越江盾構(gòu)隧道變形的影響規(guī)律研究

杜遠(yuǎn)港， 胡 珉， 滕 麗， 喻 剛

(1. 上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心， 上海 200072； 2. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200444；3. 上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院， 上海 201400； 4. 上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 上海 200020)

潮位變化對上海某越江盾構(gòu)隧道變形的影響規(guī)律研究

杜遠(yuǎn)港1, 2， 胡 珉1, 3， 滕 麗1, 4， 喻 剛1, 3

(1. 上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心， 上海 200072； 2. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200444；3. 上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院， 上海 201400； 4. 上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 上海 200020)

為了探究潮位變化與越江盾構(gòu)隧道的沉降和收斂變形之間的關(guān)聯(lián)性，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析和周期性分析方法，對上海某越江盾構(gòu)隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)與同時(shí)期隧道上部的潮位變化進(jìn)行研究分析。研究表明： 1)江中段隧道在潮位變化的作用下產(chǎn)生均勻沉降，其波動(dòng)性與潮位起伏具有近似的周期性； 2)陸域段隧道沉降變化的波動(dòng)性程度與河流的距離有關(guān)； 3)潮位變化引起隧道管片斷面的橫徑和豎徑產(chǎn)生循環(huán)的收斂變形，其橫徑收斂變形大于豎徑收斂變形。以上研究可為越江盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維提供參考。

越江盾構(gòu)隧道； 潮位變化； 運(yùn)營期； 隧道沉降； 隧道收斂

0 引言

隨著我國城市的發(fā)展，地下隧道由大規(guī)模建設(shè)期進(jìn)入到了運(yùn)維期[1]。隧道經(jīng)過多年的運(yùn)營后，施工期土體擾動(dòng)造成隧道變形的影響已經(jīng)趨于穩(wěn)定，但是由于受到上部河流潮汐水位差的作用，隧道會(huì)產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)變形，如文獻(xiàn)[2]提到比利時(shí)的Scheldt河流從漲潮開始到退潮結(jié)束這段時(shí)間，雙管隧道存在超過10 mm沉降差和管片呈現(xiàn)出“鴨蛋”和“南瓜”形狀的交替變形。如果這些問題沒有得到重視，將會(huì)導(dǎo)致越江隧道結(jié)構(gòu)破壞、接縫張開和滲漏水等病害，嚴(yán)重影響越江隧道的正常運(yùn)營[3-5]。

目前關(guān)于潮汐對隧道變形影響的研究相對較少，邵俊江等[6]利用單、雙層地基固結(jié)的計(jì)算模型，同時(shí)引入潮汐荷載函數(shù)和地層參數(shù)，探討潮汐作用引起沉管隧道沉降的規(guī)律；黃明華[7]通過推導(dǎo)在傳統(tǒng)循環(huán)荷載作用下單層彈性地基一維固結(jié)問題的解析解來探討潮位變化對寧波甬江沉管隧道沉降變形的影響； KASPER等[8]基于模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了在波浪作用下釜山—巨濟(jì)沉管隧道的穩(wěn)定性。以上的研究僅僅是針對沉管隧道的沉降變形，其研究結(jié)果難以適用于盾構(gòu)越江隧道。于洪丹等[9]和郭小紅[10]利用有限元軟件模擬分析了潮汐水位變化對隧道襯砌和圍巖長期穩(wěn)定性的影響，但是隧道采用礦山法開挖以及有限元模擬缺乏實(shí)測驗(yàn)證，以上的研究也難以適用于盾構(gòu)越江隧道。吳世明等[11]分析了潮位變化對運(yùn)營初期的慶春路越江隧道沉降與斷面直徑變形的影響，但是由于施工期土體擾動(dòng)未達(dá)到穩(wěn)定，難以準(zhǔn)確分析潮位變化對長期運(yùn)營隧道變形的規(guī)律。

隨著我國城市規(guī)模的高速擴(kuò)張，未來越江盾構(gòu)隧道工程建設(shè)的需求越來越多[12]。因此，本文對上海某越江隧道沉降和管片收斂的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，探討潮位變化與運(yùn)營期盾構(gòu)越江隧道的沉降和管片收斂的關(guān)系，分析其原因并提出相應(yīng)的建議。

1 隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測

黃浦江是長江下游支流，其水位變化受到海洋潮汐的影響，平均1天有2個(gè)高潮、2個(gè)低潮，平均低潮位1.29 m，平均高潮位3.12 m，平均潮差達(dá)1.83 m，呈非正規(guī)的半日淺海潮型[13]。上海某運(yùn)營隧道是一條穿越黃浦江的雙向4車道盾構(gòu)法施工隧道，外徑11.00 m，管片襯砌環(huán)由8塊管片錯(cuò)縫拼裝而成，環(huán)寬1.5 m，厚度為480 mm。盾構(gòu)段隧道全長1 274.2 m，陸域段隧道拱頂?shù)臏\土層為①層—人工填土、②層—粉質(zhì)黏土、③層—淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層—淤泥質(zhì)黏土、⑤層—灰色黏土，最大覆土厚度約為26 m。江中段隧道拱頂?shù)臏\土層主要為①層—淤泥、②層—淤泥質(zhì)黏土、③—淤泥質(zhì)黏土、④層—灰色黏土、⑤層—灰色粉質(zhì)黏土、⑥層—暗綠-草黃色黏土，江中最小覆土厚度約為10 m。該隧道于2001年5月25日開工建設(shè)，2004年5月工程全線竣工通車，目前運(yùn)營通車已經(jīng)超過12年。隧道縱斷面安裝了光纖光柵大落差縱向沉降傳感器對隧道沉降進(jìn)行測量，儀器的精度為 0.1 mm，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的頻率為0.5 h/次，全部測點(diǎn)布置在隧道西線上，其中測點(diǎn)1(K0+700)、測點(diǎn)2(K0+820)和測點(diǎn)3(K0+940)布置在陸域隧道段中，而測點(diǎn)4(K1+080)、測點(diǎn)5(K1+150)、測點(diǎn)6(K1+240)、測點(diǎn)7(K1+300)、測點(diǎn)8(K1+360)和測點(diǎn)9(K1+425)布置在江中段隧道中，而對于過渡段(測點(diǎn)3到測點(diǎn)4之間的范圍)沒有布置測點(diǎn)，測點(diǎn)空間布置圖如圖1所示。同時(shí)根據(jù)隧道上覆土層的情況，在江中段隧道里程為K1+440處安裝了1臺(tái)一體化隧道斷面收斂儀，該斷面上覆土層厚度最小，隧道截面收斂受潮位變化影響最大。利用該隧道斷面收斂儀對隧道橫截面的橫徑、豎徑的收斂變形進(jìn)行監(jiān)測，儀器的精度為0.1 mm，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的頻率為0.5 h/次。

圖1 隧道測點(diǎn)空間布置圖

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)定性分析

2.1潮位變化與同時(shí)期隧道沉降變化

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制隧道上方黃浦江從2017年6月17日到2017年7月16日的潮位變化和同時(shí)期該隧道各測點(diǎn)沉降變形的時(shí)間序列曲線圖，如圖2和圖3所示。通過對比2個(gè)曲線圖可以看出，江中段6個(gè)測點(diǎn)的沉降值曲線的波峰和波谷與潮位曲線的波峰和波谷基本上是相互對應(yīng)的，即江中段隧道沉降值波動(dòng)性與潮位變化的波動(dòng)性是同步變化的；在陸域段隧道中，測點(diǎn)1、測點(diǎn)2和測點(diǎn)3在潮位變化的作用下沉降值曲線的波動(dòng)性與江中段相比相對平緩，其波動(dòng)性變化并不明顯。從圖2和圖3整體上看，隧道所有測點(diǎn)的沉降曲線的總體形態(tài)趨勢與潮位變化的總體形態(tài)趨勢是一致的，當(dāng)潮位變化曲線呈現(xiàn)出兩端“凸起”、中間“凹陷”時(shí)，隧道各測點(diǎn)的沉降變化曲線也出現(xiàn)同樣的形態(tài)。從以上的現(xiàn)象可以推測出，河流以下盾構(gòu)隧道沉降變化受到潮汐荷載的作用非常明顯，潮位的變化使得盾構(gòu)隧道產(chǎn)生循環(huán)的沉降波動(dòng)。

2.2潮位差與同時(shí)期隧道沉降差

為了進(jìn)一步觀察潮位變化對隧道各個(gè)沉降變化的響應(yīng)，繪制高低潮位差與同時(shí)期隧道各測點(diǎn)沉降差曲線變化的對比圖，潮位差等于后一個(gè)潮位與前一個(gè)潮位之差的絕對值，沉降差等于后一個(gè)沉降值與前一個(gè)沉降值之差的絕對值，如圖4所示。

圖2 潮位變化曲線圖(2017年)

圖3 隧道各測點(diǎn)沉降變化圖(2017年)

圖4 高低潮位差與同時(shí)期隧道各測點(diǎn)沉降差曲線圖(2017年)

從圖4可以看出，江中段隧道各個(gè)測點(diǎn)的沉降差變化曲線基本重合，反映出在潮位變化的作用下，江中段隧道呈現(xiàn)出整體的上浮或者下沉，即潮位變化引起江中段隧道產(chǎn)生均勻沉降變形，不會(huì)對隧道產(chǎn)生過大的結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)，江中段隧道沉降差曲線變化的形態(tài)趨勢與潮位差曲線變化的形態(tài)趨勢基本保持一致，說明江中潮位變化是引起江中段隧道沉降變形的主要影響因素；在陸域段隧道中，測點(diǎn)1、測點(diǎn)2和測點(diǎn)3在潮位變化的作用下沉降差變化曲線的波動(dòng)性呈現(xiàn)微弱增強(qiáng)的趨勢。同時(shí)根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，陸域段隧道隨河流的距離越近，沉降差平均值越大，沉降差的標(biāo)準(zhǔn)差越大，說明陸域段隧道距離河流越近，沉降值越離散，沉降曲線波動(dòng)性越大，進(jìn)而說明在潮位變化的作用下陸域段隧道沉降波動(dòng)性與河流的距離有關(guān)。陸域段與江中段之間的過渡段中，測點(diǎn)4的沉降差比測點(diǎn)3的沉降差大，說明過渡段隧道受潮位變化影響的程度不同，這是由于地層條件的突變處、軸線曲率最大處以及聯(lián)絡(luò)通道匯集在此隧道段，在潮位變化的影響下，該隧道存在較大的差異沉降，隧道結(jié)構(gòu)存在較大的威脅。因此，建議在隧道結(jié)構(gòu)縫處、隧道軸線大曲率處、地層突變處、約束條件突變處以及滲漏水嚴(yán)重處增加監(jiān)測點(diǎn)，通過加強(qiáng)病害監(jiān)測的力度，密切關(guān)注隧道結(jié)構(gòu)的安全，可以在隧道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害時(shí)及時(shí)做出修復(fù)處理。

2.3潮位變化與同時(shí)期管片收斂變形

根據(jù)隧道斷面收斂儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)，繪制出與圖2同時(shí)期的管片橫、豎徑收斂變形圖，如圖5和圖6所示。

表1陸域段隧道測點(diǎn)沉降差與河流距離的關(guān)系

Table 1 Relationship between differential settlement of monitoring points of tunnel onland and distance between tunnel and river

測點(diǎn)與河堤的距離/m沉降差平均值/mm沉降差標(biāo)準(zhǔn)差/mm13300．3640．28522100．5980．4153900．7170．502

圖5 管片橫徑變形圖(2017年)

圖6 管片豎徑變形圖(2017年)

管片橫、豎徑收斂變形曲線經(jīng)過平滑處理后，可以發(fā)現(xiàn)管片的橫徑、豎徑收斂變形曲線的波動(dòng)性呈現(xiàn)不規(guī)則的起伏變化，并不與潮位同步變化。根據(jù)圖5和圖6對比可得，管片橫徑收斂變形的波動(dòng)振幅比豎徑收斂變形大，管片橫徑收斂波動(dòng)的振幅在3 mm左右，而豎徑收斂波動(dòng)的振幅在1.2 mm左右。江中段隧道應(yīng)該在嚴(yán)密監(jiān)控下審慎選擇在隧道兩側(cè)進(jìn)行注漿處理，增大側(cè)向抗力，通過控制隧道橫徑的變形，以抵抗潮位變化引起的管片收斂變形。同時(shí)隧道管片的橫徑、豎徑在潮汐荷載的循環(huán)作用下出現(xiàn)顯著的伸縮變化，對隧道管片襯砌長期穩(wěn)定性造成巨大的威脅，長期伸縮反復(fù)作用會(huì)使管片襯砌產(chǎn)生疲勞效應(yīng)而導(dǎo)致性能劣化。在管片襯砌設(shè)計(jì)和施工時(shí)，不能把管片上部的水壓力當(dāng)作靜荷載處理，要考慮潮汐對管片循環(huán)作用的影響。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的定量分析

3.1相關(guān)相似性分析

為了進(jìn)一步定量分析從2017年6月17日到7月16日潮位變化與同時(shí)期的越江盾構(gòu)隧道沉降響應(yīng)和管片斷面收斂變形之間的相關(guān)相似性，采用Pearson相關(guān)相似性的分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。Pearson相關(guān)系數(shù)是用來描述2組線性的數(shù)據(jù)同一變化移動(dòng)的趨勢，其數(shù)學(xué)公式表示為2個(gè)變量的協(xié)方差與2個(gè)變量的標(biāo)準(zhǔn)差之比，取值范圍為[-1,1]，如式(1)所示。

(1)

根據(jù)式(1)得到潮位變化與同時(shí)期隧道沉降變形相關(guān)系數(shù)，如表2所示。

表2潮位變化與隧道沉降變形的相關(guān)系數(shù)

Table 2 Correlation coefficient between tidal fluctuation and tunnel settlement and deformation

相關(guān)系數(shù)潮位測點(diǎn)10．0117測點(diǎn)20．0769測點(diǎn)30．2949測點(diǎn)40．8394相關(guān)系數(shù)潮位測點(diǎn)50．8538測點(diǎn)60．8413測點(diǎn)70．8354測點(diǎn)80．8423相關(guān)系數(shù)潮位測點(diǎn)90．8253管片橫徑0．0768管片豎徑0．00042

根據(jù)表2可以看出，江中段6個(gè)測點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)與潮位變化的相關(guān)性系數(shù)在0.82以上，具有強(qiáng)相關(guān)性，說明運(yùn)營期江中段隧道沉降變形波動(dòng)趨勢與潮位變化的趨勢具有高度同一性，潮位變化作用是引起運(yùn)營期江中段隧道沉降變形的主要原因。對于陸域段隧道和管片收斂來說，其變化與潮位變化的相關(guān)系數(shù)非常小，說明陸域段隧道和管片收斂與潮位變化不存在線性的同一變化移動(dòng)趨勢。

3.2周期性分析

由于江中段隧道沉降與管片收斂變形在潮位變化的作用下產(chǎn)生了明顯的波動(dòng)性，因此采用功率譜分析方法分別對上述的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行周期分析。將時(shí)域信號(hào)的監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)進(jìn)行分析，把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)相關(guān)信息。對于1個(gè)時(shí)間序列信號(hào)f(t)的平均功率可以表示為：

(2)

通過MATLAB編程可以得到上述監(jiān)測數(shù)據(jù)的功率譜圖。功率譜的最大值對應(yīng)的頻率稱為“峰頻”，“峰頻”是波動(dòng)能量最集中的頻率，“峰頻”對應(yīng)的周期為波動(dòng)的主要周期[14]，主要周期在這里反映的是隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)被分解為單一諧波分量后，所有單一諧波中最集中的周期。

由于江中段隧道各測點(diǎn)沉降曲線非常相似，這里只給出江中心的測點(diǎn)6的功率譜圖進(jìn)行分析，見圖7。由圖7可以看出，潮位變化曲線的主要周期為12.386 7 h，江中段隧道的主要周期為12.404 1 h，二者的周期性非常相近，進(jìn)一步說明江中段隧道沉降主要受潮汐的影響。管片橫徑的主要周期為25.054 1 h，接近潮位變化周期的2倍。管片豎徑中存在相對集中的周期，除了出現(xiàn)最大的15.45 h的主要周期外，還存在著密集的、峰頻高度相近的其他周期，這明顯說明潮位變化并不是短期內(nèi)影響隧道橫斷面收斂的唯一因素。根據(jù)橫徑、豎徑的功率譜分析圖對比，可以發(fā)現(xiàn)豎徑的主要周期比橫徑的多，說明管片在縱向受到的影響因素比橫向的多。

(a) 潮位變化曲線周期圖

(b) 江中段沉降變化曲線周期圖

(c) 橫徑變化曲線周期圖

(d) 豎徑變化曲線周期圖

圖7功率譜分析圖

Fig. 7 Sketch diagrams of power spectrum analysis

4 隧道變形原因分析

1)江中段隧道沉降隨潮位變化而同步變化，主要原因是江中段隧道上覆土的土質(zhì)以淤泥、淤泥質(zhì)黏土和黏土為主，當(dāng)上部河流水位上升時(shí)，隧道上覆土體受到的水壓增大，引起上覆土體的空隙水壓力增大，有效應(yīng)力減少，同時(shí)下臥土層的壓力減少產(chǎn)生地基回彈，從而引起隧道上??；反之，隧道下沉。此外，這種瞬時(shí)的沉降變化響應(yīng)可能是江中段上覆土出現(xiàn)裂隙，河流的水直接與隧道相通而導(dǎo)致的。

2)陸域段隧道中呈現(xiàn)不同的沉降規(guī)律，是因?yàn)榻吨苓叺牡叵滤皇芙兴挥绊戄^大，河流附近的地下水補(bǔ)給相對快，而距離河流較遠(yuǎn)的部分地下水補(bǔ)給相對慢，使得陸域段測點(diǎn)的波動(dòng)性與河流距離相關(guān)。

3)管片收斂變形與潮位變化波動(dòng)并不對應(yīng)，說明潮位變化并不是短期內(nèi)影響隧道斷面收斂的唯一因素。由于隧道周邊土體滲透性和隧道覆土荷載變化與管片收斂變形有關(guān)，不同的土體滲透作用和不同的隧道覆土荷載對隧道橫向與縱向的影響程度不同，另外，由于隧道周邊土體在潮位變化過程中引起土體應(yīng)力的變化對管片產(chǎn)生相應(yīng)的擠壓變形，導(dǎo)致隧道橫向與縱向收斂變形曲線的振幅和周期不同。

5 總結(jié)與建議

基于對上海某盾構(gòu)越江隧道運(yùn)營期潮位變化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn)： 江中段隧道沉降值的波峰和波谷與潮位變化的波峰和波谷是同步變化的，具有相同的周期性與較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；陸域段隧道沉降值的波動(dòng)性與河流距離有關(guān)，距離河流越近，波動(dòng)性呈增大趨勢，相對于江中段波動(dòng)趨勢相對較弱；隧道管片的橫徑、豎徑在潮位變化的循環(huán)作用下出現(xiàn)反復(fù)的伸縮變化，橫徑的變形量比豎徑的變形量大。

針對以上研究得到的規(guī)律，提出以下建議：

1)增加過渡段隧道中沉降測點(diǎn)，以充分掌握整條隧道沉降的變形規(guī)律；

2)在過渡段隧道存在較大的沉降變形，建議在施工階段對過渡段隧道采用抗拔樁或打錨桿等措施，減少隧道抵抗潮位變化而產(chǎn)生的破壞；

3)對江中段隧道兩側(cè)采取注漿，增大隧道側(cè)向抗力，以減少潮位變化對隧道產(chǎn)生的橫向破壞；

4)在管片設(shè)計(jì)和施工階段，考慮潮汐對管片循環(huán)作用的影響，增大管片抵抗的水壓力分項(xiàng)系數(shù)，提高管片抗疲勞破壞的能力。

本研究得到的規(guī)律僅適用于相同或相似地質(zhì)條件的水下盾構(gòu)隧道，對于其他土質(zhì)條件或其他類型的隧道還需要做針對性的研究。雖然本研究得到了潮位變化引起隧道變形的部分研究成果，對隧道運(yùn)維工作起到了一定的借鑒和參考，但是未對潮位變化引起的隧道橫向位移方面展開研究。因此，今后需要增加橫向位移的監(jiān)測點(diǎn)，全面掌握潮位變化對長期運(yùn)營隧道變形的影響規(guī)律。

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StudyofTidalFluctuationInducedDeformationLawofaRiver-crossingShieldTunnelinShanghai

DU Yuangang1, 2, HU Min1, 3, TENG Li1, 4, YU Gang1, 3

(1.SHU-SUCGResearchCenterforBuildingIndustrialization,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200444，China; 3.SILCBusinessSchool,ShanghaiUniversity,Shanghai201400,China; 4.ShanghaiUndergroundDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200020,China)

The monitoring data of a river-crossing shield tunnel in Shanghai and the tidal fluctuation above the tunnel are analyzed by data statistical analysis method, correlation analysis method and periodicity analysis method, so as to learn the relationship between tidal fluctuation and deformation and convergence of river-crossing shield tunnel. The results show that: 1) The even settlement would occur at tunnel section in river; and the settlement fluctuation and tidal fluctuation show similar periodicity. 2) The settlement fluctuation of tunnel section on land is related to the distance between tunnel and the river. 3) The tidal fluctuation induced cyclic convergent deformation of transverse diameter cross-section of tunnel segment is larger than that of vertical diameter of cross-section of tunnel segment. The study results can provide reference for design, construction and maintenance of river-crossing shield tunnel.

cross-river shield tunnel; tidal fluctuation; operation period; tunnel settlement; tunnel convergence

2017-03-02;

2017-05-03

上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目“大數(shù)據(jù)專項(xiàng)”(13511504803)； 上海市國資委重大科研項(xiàng)目(2014008)

杜遠(yuǎn)港(1991—)，男，廣東廣州人，2017年畢業(yè)于上海大學(xué)，建筑與土木工程專業(yè)，碩士，主要從事運(yùn)營期隧道變形監(jiān)測研究的相關(guān)工作。E-mail: 610843336@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.010

U 45

A

2096-4498(2017)11-1424-06