河底隧道常見病害原因的有限元分析

康偉樂 谷任國

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

0 引言

隧道工程一直以來都扮演著連接城市、促進(jìn)交通發(fā)展和經(jīng)濟(jì)繁榮的重要角色[1]。然而，由于復(fù)雜的地質(zhì)條件、施工限制和長期使用等因素，隧道結(jié)構(gòu)可能面臨著各種問題，如不均勻沉降和細(xì)微裂縫等。這些問題可能會(huì)對(duì)隧道的安全性和可持續(xù)性產(chǎn)生影響，因此需要深入研究和解決。本文通過對(duì)某隧道工程的監(jiān)測和有限元分析，研究隧道不均勻沉降及細(xì)微裂縫的成因，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決隧道工程中的問題，并為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 隧道概況

隧址區(qū)所處海峽平直、淺平，地勢低平。河底隧道走向近軸向，占地面積（500×50）㎡，所處江面寬約500m，水深約0.7～3.8m。場區(qū)原地貌單元屬丘陵濱海平原亞區(qū)，附近最高點(diǎn)高程為457.1m。

隧道為多管道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖1，從左到右依次為人行管道、設(shè)備管道和兩個(gè)行車管道，結(jié)構(gòu)形式主要為沿隧道方向走向的連續(xù)樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)以上為多段形狀大小相近的混凝土箱型結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)段之間以伸縮縫分隔，隧道整體結(jié)構(gòu)剛性大。

圖1 隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

結(jié)合周邊地形地貌及勘察報(bào)告，隧址區(qū)位于同一個(gè)工程地質(zhì)單元，土層按自上而下分布如下：

（1）細(xì)砂：灰褐色、灰黃色，層厚1.10~7.60m，層位呈透鏡狀或不連續(xù)層狀分布，飽和，稍密，局部松散。

（2）淤泥：深灰色、灰黑色，層厚3.90~17.30m，分布廣泛，呈層狀分布，飽和，流塑，含有少量有機(jī)質(zhì)或腐質(zhì)物，土質(zhì)細(xì)膩，切面光滑，底部見粉砂及少量貝殼碎片，局部夾薄層粉細(xì)砂，為高壓縮性土。

（3）黏土：褐黃色、褐紅色夾灰白色，層厚0.90~17.90m，場地內(nèi)均有分布，軟塑，主要由黏粒組成，含少量粉粒、砂粒。

（4）淤泥質(zhì)黏土：深灰色，層厚0.90~14.50m，場地內(nèi)均有分布，飽和，流～軟塑，含有機(jī)質(zhì)或腐植質(zhì)，土質(zhì)細(xì)膩，切面光滑，局部含較多粉砂及少量貝殼碎片，局部夾薄層粉細(xì)砂。

（5）中粗砂：灰褐色，褐黃色、灰白色，層厚0.80~15.50m，呈不連續(xù)層狀或透鏡狀分布，場地內(nèi)大部分地段有揭露，稍密～中密，主要由中、粗砂組成，泥質(zhì)充填，分選性一般。

（6）礫砂：灰褐色，褐黃色、灰白色，層厚1.50~28.50m，場地內(nèi)大部分地段有揭露，呈不連續(xù)層狀或透鏡狀分布，分選性差，砂粒含量約80%。

（7）砂質(zhì)黏性土：褐黃色、褐紅色等，層厚1.00～30.80m，該層在場地內(nèi)大部鉆探均有揭露，砂質(zhì)黏性土為主，局部為礫質(zhì)黏性土，厚度變化大，可塑，屬花崗巖風(fēng)化殘積土，主要由黏粒和石英砂組成。

（8）全風(fēng)化花崗巖：呈褐黃色、肉紅色、灰白色等，層厚1.00~20.70m，呈層狀分布，大部分鉆孔有揭露，部分地段呈透鏡狀分布，多呈硬土狀，巖石結(jié)構(gòu)已破壞，長石風(fēng)化成土狀，浸水易崩解。

（9）強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：黃褐色，層厚0.70~14.00m，分布連續(xù)，巖芯呈土柱狀或半巖半土狀，巖石結(jié)構(gòu)大部已風(fēng)化破壞，巖質(zhì)軟，強(qiáng)度差，手易折斷，浸水易軟化崩解。

隧址穿越的水道，地表水主要為大氣降水形成地表徑流水，魚塘水、潮汐海水等。海水深度0.70~3.80m。其水位隨季節(jié)不同變化明顯。地下水水位0.80~2.50m，地下水位隨季節(jié)不同變化明顯，每年5~10月為雨季，大氣降水充沛，水位會(huì)明顯上升，而在冬季，降雨減少地下水位隨之下降，年變化幅度2.50~3.20m。

2 監(jiān)測結(jié)果

隧道運(yùn)營期間，對(duì)隧道的剛體位移、應(yīng)力應(yīng)變和整體及局部沉降變化進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，并定期對(duì)隧道內(nèi)部進(jìn)行目視檢測。監(jiān)測報(bào)告顯示隧道多處可見細(xì)微裂縫與水漬，部分結(jié)構(gòu)段不均勻沉降較大，且結(jié)構(gòu)段間沉降縫處測得兩結(jié)構(gòu)段沿隧道向、豎直向相對(duì)位移，并測得部分位置出現(xiàn)高應(yīng)變。本文選取較為典型的第九結(jié)構(gòu)段進(jìn)行分析，第九結(jié)構(gòu)段處于隧道轉(zhuǎn)彎處，同時(shí)沿隧道有高程變化。

應(yīng)變計(jì)位于隧道的每個(gè)管道內(nèi)頂板跨中位置，根據(jù)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)，錄得應(yīng)變變化基本隨溫度而改變，但同時(shí)亦反映部份位置出現(xiàn)由于溫度變化以外原因所造成的正或負(fù)應(yīng)變：大部份監(jiān)測位置的變化幅度未有超出預(yù)設(shè)的±400με 警戒值，但第九結(jié)構(gòu)段長期應(yīng)變變化維持警報(bào)值范圍(±600με)，且有部分位置的應(yīng)變變化于2018 年底開始增長，現(xiàn)階段已錄得超越行動(dòng)值的-910με，數(shù)據(jù)反映其應(yīng)變變化出現(xiàn)明顯的持續(xù)增長趨勢。分析數(shù)據(jù)變化，未有發(fā)現(xiàn)任何兩個(gè)位置的應(yīng)變變化與環(huán)境溫度變化有明顯的關(guān)系。

根據(jù)目視檢測報(bào)告，第九結(jié)構(gòu)段出現(xiàn)輕微開裂，開裂位置的表面出現(xiàn)水漬，部份位置表面的銹跡明顯。設(shè)備管道內(nèi)，已出現(xiàn)多處明顯的結(jié)構(gòu)裂縫，部份裂縫出現(xiàn)略微擴(kuò)大。行車管道路面出現(xiàn)開裂及剝離等損壞現(xiàn)象，出現(xiàn)損壞的情況尤其于伸縮縫位置較明顯。

根據(jù)沉降監(jiān)測結(jié)果，第九結(jié)構(gòu)段各位置出現(xiàn)了不同程度的沉降，并有輕微不均勻沉降。隧道內(nèi)側(cè)沉降平均值為4.90mm，隧道外側(cè)沉降平均值為5.93mm。

3 有限元分析

3.1 模型建立

根據(jù)該工程的實(shí)際情況和特點(diǎn)，針對(duì)出現(xiàn)高應(yīng)變隧道段采用MIDAS-GTS軟件進(jìn)行三維有限元分析。

模型總體計(jì)算區(qū)域的選取，在參閱相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取隧道外輪廓幾何尺寸的3~5 倍，豎向直徑超過2 倍樁深度。本模型水平寬度145m，豎向厚度150m，沿隧道方向厚度同AM09 結(jié)構(gòu)段長度60m，整體隨結(jié)構(gòu)段拐彎成弧形。側(cè)面加水平向約束，底部加豎向約束，頂面為自由面。網(wǎng)格模型見圖2 所示，其中土體與隧道均采用實(shí)體單元，而灌注樁采用一維梁單元[2]。該模型內(nèi)力計(jì)算采用地層結(jié)構(gòu)法。

圖2 網(wǎng)格模型圖

3.2 力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該隧道勘察報(bào)告及相關(guān)資料規(guī)范，確定有限元計(jì)算的材料本構(gòu)關(guān)系及物理力學(xué)參數(shù)。隧道和灌注樁均按照C45 混凝土選取參數(shù)計(jì)算，即本構(gòu)模型為彈性模型，彈性模量取3.40E+07kPa，泊松比取0.2，容重為25kN/m3。各土層的參數(shù)選取見表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

有限元模型模擬與實(shí)際情況相同的明挖法施工，在計(jì)算中施工步驟分為以下5步：

step1：初始狀態(tài)計(jì)算，即地應(yīng)力平衡；

step2：支護(hù)結(jié)構(gòu)施工；

step3：基坑開挖施工；

step4：隧道澆筑施工；

step5：上覆土回填。

該模型忽略基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平向位移，即采用水平向約束代替內(nèi)支撐限制支護(hù)結(jié)構(gòu)位移。根據(jù)施工情況，回填土土壓力采用水土分算。土體回彈過程通過逐步卸荷模擬。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

獲取有限元模型的隧道沉降結(jié)果，四角高程差異最大值為0.7mm，也存在一定的不均勻沉降，與監(jiān)測結(jié)果相近。但考慮到結(jié)構(gòu)長達(dá)60m，扭轉(zhuǎn)對(duì)隧道造成的影響可忽略不計(jì)。筆者認(rèn)為不均勻沉降是由于該結(jié)構(gòu)段轉(zhuǎn)彎同時(shí)帶有坡度的影響，沿隧道方向各點(diǎn)受到土體卸載回彈力大小不同，所受的土壓力也不同，因此導(dǎo)致沉降結(jié)果不盡相同。統(tǒng)計(jì)隧道監(jiān)測點(diǎn)位置的沉降，得到內(nèi)側(cè)平均沉降為4.89mm，外側(cè)平均沉降為5.88mm，與監(jiān)測結(jié)果接近，說明該模型具有可靠性。

對(duì)于水下隧道，控制結(jié)構(gòu)外側(cè)的拉應(yīng)力十分重要，因?yàn)榛炷猎谑芾瓊?cè)容易帶裂縫工作，而這種裂縫如果出現(xiàn)在隧道外側(cè)，會(huì)導(dǎo)致海水進(jìn)入結(jié)構(gòu)，腐蝕鋼筋甚至隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010），混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件主拉應(yīng)力，應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）一級(jí)裂縫控制等級(jí)構(gòu)件拉應(yīng)力應(yīng)滿足：

（2）二級(jí)裂縫控制等級(jí)構(gòu)件拉應(yīng)力應(yīng)滿足：

該工程隧道采用C45混凝土，立方體抗壓強(qiáng)度ftk=2.51MPa，當(dāng)采用一級(jí)裂縫控制等級(jí)，拉應(yīng)力應(yīng)小于0.85ftk= 2.13MPa。

第九結(jié)構(gòu)段頂板應(yīng)力分布如圖3所示，圖3中藍(lán)色為拉應(yīng)力，紅色為壓應(yīng)力。右側(cè)兩個(gè)管道為行車道，兩行車道中隔墻上頂板出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，部分已超過1.5MPa，所以該中隔墻上方容易出現(xiàn)裂縫情況。兩個(gè)行車管道左側(cè)的為設(shè)備管道，其頂板同樣出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大1.2MPa，根據(jù)目視檢測報(bào)告滲水情況，實(shí)際拉應(yīng)力可能更大。

圖3 有限元模型隧道頂板應(yīng)力分布圖

第九結(jié)構(gòu)段底板應(yīng)力分布如圖4 所示。由于隧道整體重量小于挖去土體重量，隧道下方土體卸載回彈，隧道整體上浮，計(jì)算結(jié)果顯示，鉆孔灌注樁全部為抗拔樁，隧道與灌注樁連接處受到向下拉力，使底板在樁附近產(chǎn)生拉應(yīng)力。由圖4 可知，設(shè)備管道底部樁位附近拉應(yīng)力可達(dá)到3.5MPa 以上，兩行車道中隔墻下方的平均總拉應(yīng)力也達(dá)到2.6MPa，均大于規(guī)范要求的二級(jí)裂縫控制等級(jí)的構(gòu)件拉應(yīng)力，很可能會(huì)拉裂外側(cè)混凝土，這是出現(xiàn)水漬的原因之一。另外，隧道外側(cè)外墻由于抗拔樁而出現(xiàn)一條拉應(yīng)力帶，在圖4 中顯示為黃色，該區(qū)域拉應(yīng)力普遍在0.9MPa 以上，可能成為墻身有水漬的原因。

圖4 有限元模型隧道底板應(yīng)力分布圖

4 結(jié)束語

利用MIDAS有限元軟件建立河底隧道的三維有限元模型，對(duì)河底隧道的開裂滲水等病害原因進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）經(jīng)對(duì)比分析，河底隧道沉降監(jiān)測結(jié)果與有限元模型計(jì)算結(jié)果基本一致；

（2）隧道走線在轉(zhuǎn)彎同時(shí)下坡，隧道高程發(fā)生變化，使隧道不同位置所受合力不同，是隧道出現(xiàn)輕微不均勻沉降的原因之一；

（3）隧道下方土體的卸載回彈導(dǎo)致隧道上浮，灌注樁為抗拔樁，隧道底板與灌注樁連接處以及頂板的設(shè)備管道上方、行車管道中隔墻上方受拉，是隧道出現(xiàn)細(xì)微裂縫原因之一。