運(yùn)營(yíng)期沉管隧道沉降變形分析

史志想，吳華勇，文水兵

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市200032；2.上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市200032）

0 引 言

沉管隧道由于在環(huán)境適應(yīng)性、施工難度和成本造價(jià)等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，自1894 年美國(guó)波士頓首條沉管隧道[1]建成使用以來(lái)，在全世界范圍內(nèi)得到了大量應(yīng)用。到目前為止，全世界已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的沉管隧道已經(jīng)超過150 座[2]，特別是我國(guó)港珠澳大橋中沉管隧道工程的應(yīng)用為該技術(shù)的研究和推廣提供了一個(gè)良好的技術(shù)范本[3-4]。

隨著沉管隧道運(yùn)營(yíng)年限的增加，周邊環(huán)境的影響、材料的老化退化，以及日益增加的交通荷載，導(dǎo)致大量沉管隧道因?yàn)樾阅芡嘶M(jìn)入高維修階段。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)鉆爆法施工的山嶺隧道，而對(duì)于沉管隧道運(yùn)營(yíng)階段的檢測(cè)內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法研究很少。沉管隧道作為長(zhǎng)距離的線狀基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于不均勻沉降尤為敏感。由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)差異，沉管隧道的沉降發(fā)展規(guī)律與盾構(gòu)隧道存在一定的區(qū)別[5]。沉管隧道的抗浮系數(shù)比較小，所以往往較多地考慮隧道的上浮，而忽視隧道沉降效應(yīng)[6]。運(yùn)營(yíng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，沉管隧道的沉降發(fā)展非常顯著。

本文基于某沉管隧道16 a 的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于在役沉管隧道的沉降變形規(guī)律進(jìn)行分析研究。

1 工程背景

某沉管隧道自1999 年12 月28 日開工，于2003年6 月21 日正式建成通車，采用雙向8 車道，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。隧道沉管段全長(zhǎng)736 m，共分為7 節(jié)管節(jié)。各段的名稱及名義長(zhǎng)度分布為：E1（108 m），E2（104 m），E3（100 m），E4（100 m），E5（108 m），E6（108 m），E7（108 m）。

隧道平面分布見圖1。沉管橫斷面外部尺寸為9.55 m×43 m，沉管段采用框架式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管節(jié)間采用柔性連接，接頭防水采用GINA 和OMEGA 雙層止水帶。

圖1 隧道平面分布圖

隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2。

圖2 隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

沉管隧道預(yù)制管段沉放對(duì)接結(jié)束后，需對(duì)其管底進(jìn)行基礎(chǔ)處理。在軟土高回淤河床條件下，對(duì)于無(wú)樁基基礎(chǔ)的管段，基礎(chǔ)處理一般采用灌砂法。在上述沉放工藝順序完成后，通過水上灌砂作業(yè)船，利用管段內(nèi)已預(yù)留的直徑200 mm 管道，向已沉管段底和基槽底之間實(shí)施分批灌砂，使已沉管段坐落在較為密實(shí)的砂盤基礎(chǔ)之上。

為掌握隧道的長(zhǎng)期沉降發(fā)展規(guī)律，隧道建成后分別在隧道南孔、北孔設(shè)置了116 個(gè)、119 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置示意見圖3），對(duì)該隧道沉降情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。從2003 年至2011 年間基本按每月1 次進(jìn)行沉降測(cè)量；從2012 年至今，按每季度1次進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。截至2019 年6 月，北孔、南孔已分別進(jìn)行過135、136 次沉降觀測(cè)。在沉降規(guī)律上南北孔具有一定的相似性，本文重點(diǎn)以南孔為例，對(duì)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 隧道測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 隧道整體沉降測(cè)量結(jié)果與分析

截至2019 年第2 季度，從2003 年10 月6 日以來(lái)，南孔隧道各沉管累計(jì)沉降情況如下：隧道整體呈沉降趨勢(shì)，各管節(jié)間沉降不均勻，中間管節(jié)E3～E6累計(jì)沉降較大，兩端累計(jì)沉降較小。隧道沉降縱向分布圖見圖4。

圖4 隧道南孔各區(qū)間結(jié)構(gòu)累計(jì)沉降分布

數(shù)據(jù)分析顯示，黃浦江兩側(cè)引道段和暗埋段主要表現(xiàn)為整體沉降，最大沉降量為-34.8 mm，局部范圍存在輕微上抬現(xiàn)象，最大量未超過13 mm。

沉管管節(jié)沉降測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量為-283.4～48.3 mm。其中E4～E6 共3 個(gè)沉管的所有測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量均大于100 mm，而E6 沉管浦西端測(cè)點(diǎn)（近E5 沉管端）的累計(jì)沉降量最大，為-283.4 mm，該測(cè)點(diǎn)位于隧道E6-2 沉管管節(jié)，距離最終接頭邊緣約1.8 m（最終接頭2.5 m 區(qū)域內(nèi)未設(shè)置測(cè)點(diǎn)）。這主要是隧道施工時(shí)江中最終接頭位于E6-2 管節(jié)與E6-1 管節(jié)之間（由西向東方向距E6 與E5 管節(jié)縫3.5～6 m 范圍），由于最終接頭區(qū)域回淤比較嚴(yán)重，基礎(chǔ)處理較差，導(dǎo)致此處附近測(cè)點(diǎn)沉降較大。

E1 管節(jié)東端及E2 管節(jié)均存在不同程度的累計(jì)上抬，最大上抬量為48.3 mm，位于E1～E2 管節(jié)縫處。該處為水位最低的航道處，這應(yīng)是管節(jié)覆土發(fā)生變化及管節(jié)發(fā)生相對(duì)不均勻沉降而產(chǎn)生端部翹曲所致。

3 隧道沉降穩(wěn)定性分析

在上述分析基礎(chǔ)上對(duì)隧道南孔的沉降穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步分析。

由于隧道測(cè)點(diǎn)高程受潮汐、溫度影響較大，所以在分析歷年高程數(shù)據(jù)時(shí)，選取測(cè)量時(shí)潮位及溫度接近的測(cè)量月份數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以盡可能排除潮汐、溫度影響。同時(shí)，為了分析隧道沉降速率的變化規(guī)律，分別求得2013 年4 月至2016 年3 月、2016 年3 月至2019 年4 月的沉降量及對(duì)應(yīng)的沉降速率。 隧道南孔近6 a 高程的沉降速率變化分布圖見圖5。

圖5 隧道南孔近6 a 高程的沉降速率的變化分布圖

從2016 年3 月至2019 年4 月近3 a 時(shí)段內(nèi)，黃浦江浦西引道段、浦西暗埋段、浦東引道段、浦東暗埋段沉降點(diǎn)沉降量分別為-5.639～1.838 mm、-2.523～4.645 mm、-5.553～-2.453 mm、0.128～3.077 mm，沉降速率分別為-0.005～0.002 mm/d、-0.002～0.004 mm/d、-0.005～-0.002 mm/d、0～0.003 mm/d，小于《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DGJ 08-11—2010）提出的沉降穩(wěn)定判定值（0.01 mm/d），表明該時(shí)段內(nèi)引道段及暗埋段沉降已趨于穩(wěn)定。

沉管段E1～E7 管節(jié)基本呈沉降趨勢(shì)，沉降速率為-0.001～-0.015 mm/d，其中E5 與E6 管節(jié)接頭處4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降速率為-0.011～-0.015 mm/d，略超過規(guī)范限值，其他位置則均小于沉降穩(wěn)定判定值0.01 mm/d，可以認(rèn)為沉降趨于穩(wěn)定。

進(jìn)一步比較圖5 中2 個(gè)時(shí)段的沉降速率情況。2016 年3 月～2019 年4 月近3 a 時(shí)段內(nèi)隧道南孔各測(cè)點(diǎn)沉降速率較2013 年4 月～2016 年3 月近3 a 時(shí)段內(nèi)的沉降速率基本呈減小趨勢(shì)，表明其沉降狀況趨緩。

E2、E3 管節(jié)整體及E1、E4 管節(jié)局部出現(xiàn)上抬，近3 a 上抬量為1.076～14.429 mm；上抬速率為0.001～0.014 mm/d，其中上抬速率為0.014 mm/d 的測(cè)點(diǎn)位于E2 管節(jié)中部。

進(jìn)一步分析E2 管節(jié)歷年沉降的變化趨勢(shì)（見圖6）。南孔E2 沉管管節(jié)總體表現(xiàn)為早期先下沉，近10 a 表現(xiàn)為上抬，E2 管節(jié)的上抬量由黃浦江浦西端向浦東端逐漸減小，但是近6 a 整體上抬趨勢(shì)趨緩，累計(jì)上抬量基本穩(wěn)定在50 mm 以下。進(jìn)一步結(jié)合河床覆土厚度比較，可以發(fā)現(xiàn)該時(shí)段內(nèi)E1、E2 沉管管節(jié)的覆土厚度幾乎保持不變。由此可見，管節(jié)上抬趨勢(shì)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 南孔E2 沉管管節(jié)2003 年10 月6 日以來(lái)歷年累計(jì)沉降變化圖

4 隧道差異沉降分析

對(duì)于沉管隧道，如果相鄰管節(jié)之間的差異沉降過大，可能導(dǎo)致剪力鍵過大而使沉管管節(jié)出現(xiàn)破損，甚至出現(xiàn)滲水病害。針對(duì)南孔各相鄰沉管管節(jié)間的差異沉降分析如圖7 所示?？傮w來(lái)看，近10 a 來(lái)，各管節(jié)之間的累計(jì)差異沉降量基本穩(wěn)定，各管節(jié)之間存在少量的差異沉降，累計(jì)差異沉降量基本在10 mm以內(nèi)變化。從相鄰監(jiān)測(cè)期的數(shù)據(jù)來(lái)看，相鄰管節(jié)之間的差異沉降不明顯，其中E7 管節(jié)和暗埋段之間的差異沉降在近5 a 來(lái)整體趨于穩(wěn)定。

圖7 南孔各相鄰沉管管節(jié)間歷年累計(jì)差異沉降變化圖

5 沉管管節(jié)自身豎向彎曲變形分析

根據(jù)2003 年10 月初始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與2019 年4月的隧道沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各沉管管節(jié)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉降值，并據(jù)此繪制南、北孔相對(duì)沉降曲線（見圖8～圖14），得到各管節(jié)中部測(cè)點(diǎn)相對(duì)端部的豎向變形值，分析各管節(jié)自身縱向的豎向彎曲變形。

圖8 E1 管節(jié)豎向彎曲變形圖

圖14 E7 管節(jié)豎向彎曲變形圖

隧道南、北孔測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉降值均以該沉管管節(jié)南孔浦西端測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)。

由圖8 可知，E1 沉管管節(jié)縱向呈“兩端高、中間低”的盆式豎向彎曲變形狀態(tài)，且北孔沉降比南孔沉降大，變形量最大值為31.69 mm。

由圖9 可知，E2 沉管管節(jié)縱向沉降由浦西向浦東增大，管節(jié)內(nèi)豎向彎曲變形量最大值為10.29 mm，且沉管縱向基本呈“前部下?lián)?、后部上拱”的彎折變形狀態(tài)。

圖9 E2 管節(jié)豎向彎曲變形圖

由圖10 可知，E3 沉管管節(jié)縱向沉降由浦西向浦東增大，管節(jié)內(nèi)豎向彎曲變形量最大值為21.14 mm，且沉管浦東側(cè)縱向呈“輕微上拱”的豎向彎曲變形狀態(tài)。

圖10 E3 管節(jié)豎向彎曲變形圖

由圖11 可知，E4 沉管管節(jié)縱向呈“兩端高、中間低”的盆式豎向彎曲變形狀態(tài)，且南孔沉降比北孔大，變形量最大值為38.83 mm。

圖11 E4 管節(jié)豎向彎曲變形圖

由圖12 可知，E5 沉管管節(jié)縱向沉降由浦西向浦東增大，管節(jié)內(nèi)豎向彎曲變形量最大值為45.5 mm，且沉管管節(jié)縱向基本呈“上拱”的豎向彎曲變形狀態(tài)。

圖12 E5 管節(jié)豎向彎曲變形圖

由圖13 可知，E6 沉管管節(jié)縱向沉降由浦西向浦東減小，管節(jié)內(nèi)豎向彎曲變形量最大值為45.48 mm，且沉管管節(jié)縱向基本呈“上拱”的豎向彎曲變形狀態(tài)。

圖13 E6 管節(jié)豎向彎曲變形圖

由圖14 可知，E7 沉管管節(jié)縱向呈“兩端高、中間低”的盆式豎向彎曲變形狀態(tài)，變形量最大值為52.24 mm，且為諸多沉管管節(jié)中的最大變形量。

綜上所述，南北孔各管節(jié)的內(nèi)部彎曲形態(tài)基本一致。因?yàn)椴痪鶆虺两祵?dǎo)致的管節(jié)內(nèi)部豎向彎曲必然影響管節(jié)的受力性能，尤其是E2 管節(jié)局部出現(xiàn)反彎點(diǎn)，導(dǎo)致其受力更加復(fù)雜。管內(nèi)姿態(tài)的不同也會(huì)影響地基剛度的分布，加上經(jīng)過多年運(yùn)營(yíng)后接頭狀態(tài)的退化和變異，會(huì)進(jìn)一步改變各管節(jié)的受力狀態(tài)。因此對(duì)于沉管隧道的性能分析需要考慮不均勻沉降發(fā)展規(guī)律和自身彎曲狀態(tài)的綜合效應(yīng)，同時(shí)結(jié)合各個(gè)管節(jié)對(duì)應(yīng)的表觀病害進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

6 管節(jié)接頭兩側(cè)沉管扭轉(zhuǎn)變形分析

根據(jù)2003 年10 月至2019 年4 月的隧道沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各管節(jié)接頭兩側(cè)沉管端部斷面測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉降值，并據(jù)此繪制各管節(jié)接頭兩側(cè)的相對(duì)沉降曲線，以分析管節(jié)接頭兩側(cè)沉管是否存在橫向扭曲變形。測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉降值均以該沉管管節(jié)南孔浦西端測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)。4# 節(jié)段縫兩側(cè)沉管橫向累計(jì)相對(duì)沉降差（相對(duì)2003 年10 月）見圖15。

由圖15 可知，4# 節(jié)段縫兩側(cè)沉管目前未發(fā)生明顯的橫向扭轉(zhuǎn)沉降變形。

圖15 管節(jié)接頭兩側(cè)沉管橫向累計(jì)相對(duì)沉降差變形圖

7 結(jié) 語(yǔ)

沉管隧道的沉降受到地基剛度分布、覆土厚度以及周邊環(huán)境的影響而具有很大的不確定性。對(duì)于隧道沉降發(fā)展規(guī)律的分析和性能評(píng)價(jià)，需要綜合考慮隧道沉降縱向整體分布規(guī)律、沉降速率的穩(wěn)定性和隧道差異沉降分布規(guī)律。隧道姿態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致沉管隧道各管節(jié)處于不同形態(tài)的自身豎向彎曲狀態(tài)，從而進(jìn)一步加劇管節(jié)受力的復(fù)雜性。本文基于長(zhǎng)期沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)某沉管隧道的安全性能進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出該隧道沉降發(fā)展整體趨于穩(wěn)定的結(jié)論。