潮汐變化對(duì)運(yùn)營期越江盾構(gòu)隧道變形的影響規(guī)律分析

朱軍榮(上海浦江橋隧運(yùn)營管理有限公司，上海 201401)

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于潮位變化對(duì)運(yùn)營期水下隧道變形的影響規(guī)律研究的報(bào)道并不多。邵俊江等[1]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的沉降規(guī)律。黃明華[2]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)問題的解析來探討潮位變化對(duì)寧波甬江沉管隧道沉降變形的影響。Kasper等[3]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?jī)H僅是針對(duì)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[4]和郭小紅[5]利用有限元軟件模擬分析了潮汐水位變化對(duì)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(cè)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[6]分析了潮位變化對(duì)運(yùn)營初期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(duì)長期運(yùn)營隧道變形的規(guī)律。

1 隧道概況及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案

黃浦江是長江下游支流，其水位變化受到海洋潮汐的影響，平均一天有兩個(gè)高潮，兩個(gè)低潮，平均高潮位 3.12m，平均低潮位 1.29m，平均潮差高達(dá) 1.83m，平均潮漲歷時(shí)為 274 min，平均落潮歷時(shí)為 472 min，呈現(xiàn)非正規(guī)的半日淺海潮型。上海某越江隧道工程為雙向4車道盾構(gòu)法施工的城市越江公路隧道，于 2001 年5月開工建設(shè)，2004 年9 月工程全線竣工通車，目前運(yùn)營通車已經(jīng)超過 12年。該隧道荷載按城 B 級(jí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速為 40 km/h，隧道東、西兩線有敞開段、矩形段、圓形段3種結(jié)構(gòu)形式，隧道東線全長 2565.74m，西線全長 2549.60m。其中，西線圓形隧道盾構(gòu)段長為 1235.17m，東線圓形隧道盾構(gòu)段長為 1335.50m，采用外徑為 11.22m 的泥水盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。圓形管片襯砌環(huán)由5塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1，B2，B3，B4，B5)、2 塊鄰接塊(L1，L2)和1塊封頂塊(F)共8塊管片拼裝組成，管片襯砌環(huán)環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝，錯(cuò)縫角度為 11.25°。管片襯砌環(huán)采用外徑為 11.00m、內(nèi)徑為 10.04m、環(huán)寬為 1.50m、厚度為 0.48m 的平板式襯砌結(jié)構(gòu)，環(huán)與環(huán)之間以 32 根m 30(6.8 級(jí)螺栓)的縱向螺栓相連，塊與塊之間以3根m 36(5.6 級(jí)螺栓)的環(huán)向螺栓緊密相連。該越江盾構(gòu)隧道在浦東和浦西設(shè)置兩個(gè)工作井，其高程(隧道中心線與路面的絕對(duì)高程)分別為 -13.8m 和 -10.1m，江中隧道段的最大埋深的高程為 -30.8m。

隧道盾構(gòu)段縱斷面安裝了光纖光柵大落差縱向沉降傳感器用于隧道沉降測(cè)量。該儀器的測(cè)量精度為 0.1 mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的頻率為 0.5 h/次。全部?jī)x器監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在隧道西線上，其中測(cè)點(diǎn) 1(k 0+700)、測(cè)點(diǎn) 2(k 0+820)、測(cè)點(diǎn)3(k 0+940)布置在隧道陸域段中，而測(cè)點(diǎn) 4(k 1+080)、測(cè)點(diǎn)5(k 1+150)、測(cè)點(diǎn) 6(k 1+240)、測(cè)點(diǎn) 7(k 1+300)、測(cè)點(diǎn) 8(k 1+ 360)、測(cè)點(diǎn) 9(k 1+425)布置在隧道江中段中，而對(duì)于隧道過渡段(測(cè)點(diǎn)3到測(cè)點(diǎn)4之間)沒有布置測(cè)點(diǎn)。其沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置圖如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)空間布置圖

同時(shí)根據(jù)隧道上覆土層的分布情況，在隧道江中段里程為 k 1+440 處安裝了1臺(tái)一體化激光隧道斷面收斂監(jiān)測(cè)儀。該斷面收斂監(jiān)測(cè)儀安裝在隧道斷面上覆土層厚度最小的位置，此處隧道截面收斂變形受潮位變化影響最大。利用這臺(tái)一體化激光隧道斷面收斂監(jiān)測(cè)儀對(duì)隧道橫截面的橫徑、豎徑的收斂變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，儀器的測(cè)量精度為 0.1 mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的頻率為 0.5 h/次。

2 潮汐變化與隧道變形分析

2.1 潮汐變化與同時(shí)期隧道沉降變形分析

根據(jù)實(shí)時(shí)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制上海某越江隧道上方黃浦江從6月17日到7月16日一個(gè)月的潮位變化和同時(shí)期該隧道各測(cè)點(diǎn)沉降變形的時(shí)間序列曲線圖，如圖2、圖3所示。該時(shí)間段黃浦江處于汛期狀態(tài)，河流徑流量以及潮位差較大，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響也較大。

圖2 潮位變化曲線圖

圖3 隧道各測(cè)點(diǎn)沉降變化圖

從圖2、圖3兩個(gè)曲線圖的對(duì)比可以看出，江中段6個(gè)測(cè)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(duì)應(yīng)的，即隧道江中段沉降值波動(dòng)性與潮位變化的波動(dòng)性是同步變化的；在隧道陸域段中，測(cè)點(diǎn) 1、測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)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(duì)平緩，其波動(dòng)性變化并不明顯。從圖2、圖3整體來看，隧道所有測(cè)點(diǎn)的沉降曲線的總體形態(tài)趨勢(shì)與潮位變化的總體形態(tài)趨勢(shì)是一致的，當(dāng)潮位變化曲線圖呈現(xiàn)出兩端“凸起”、中間“凹陷”時(shí)，隧道各測(cè)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(cè)出越江盾構(gòu)隧道在感潮河流以下，隧道沉降變化受到潮位變化的作用非常明顯，潮位的變化使得隧道盾構(gòu)段產(chǎn)生循環(huán)的沉降波動(dòng)變形。

2.2 潮汐變化與同時(shí)期隧道收斂變形分析

通過一體化激光隧道斷面收斂監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出與圖3對(duì)應(yīng)的同時(shí)期的隧道橫徑、豎徑收斂變形圖，如圖4 和圖5所示。

圖4 隧道橫徑收斂變形圖

圖5 隧道豎徑收斂變形圖

由于隧道橫、豎徑收斂變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)比較離散(黑色的點(diǎn))，因此對(duì)隧道橫、豎徑收斂變形曲線進(jìn)行平滑處理，經(jīng)過處理后的變形曲線可以發(fā)現(xiàn)隧道的橫徑、豎徑收斂變形曲線的波動(dòng)性呈現(xiàn)不規(guī)則的循環(huán)起伏變化，并不與圖2的潮位同步變化。根據(jù)圖4、圖5兩圖對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，隧道橫徑收斂變形的波動(dòng)振幅比豎徑收斂變形大，隧道橫徑收斂波動(dòng)的振幅在3mm 左右，而豎徑收斂波動(dòng)的振幅在 1.2 mm 左右。因此，隧道江中段應(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，以增大隧道側(cè)向抗力，通過控制隧道橫徑的變形，來抵抗隧道上方潮位變化引起的管片收斂變形。同時(shí)隧道橫徑、豎徑在潮汐的循環(huán)作用下管片襯砌環(huán)出現(xiàn)顯著的伸縮變化，對(duì)隧道管片襯砌長期穩(wěn)定性造成巨大的威脅，管片襯砌環(huán)長期伸縮反復(fù)作用會(huì)使管片混凝土產(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，而要考慮潮汐作用對(duì)管片循環(huán)受力作用的影響。

3 潮汐變化作用下越江盾構(gòu)隧道變形原因分析

(1)隧道江中段沉降隨潮位變化而同步變化，主要的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，從而引起隧道上浮；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)隧道陸域段呈現(xiàn)出與隧道江中段不同的沉降變形規(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(duì)快，而距離河流較遠(yuǎn)的部分地下水補(bǔ)給相對(duì)慢，使得陸域段測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)性與河流距離相關(guān)。

(3)隧道收斂變形與潮位變化波動(dòng)并不對(duì)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。由于隧道收斂變形與隧道周邊土體的存在滲透性以及隧道覆土荷載變化有關(guān)，同時(shí)由于土體的滲透性以及隧道覆土荷載變化對(duì)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(duì)管片產(chǎn)生相應(yīng)的擠壓變形，因此導(dǎo)致隧道橫向與縱向收斂變形曲線的振幅和周期不同。

4 結(jié) 語

基于上海某盾構(gòu)越江隧道運(yùn)營期潮位變化及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn)：隧道江中段沉降值的波峰和波谷是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；隧道陸域段沉降值的波動(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(shì)，相對(duì)于江中段波動(dòng)趨勢(shì)相對(duì)微弱；隧道管片的橫徑、豎徑在潮汐的循環(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。這些規(guī)律對(duì)隧道長期結(jié)構(gòu)變形分析具有重要意義，可為隧道長期變形穩(wěn)定性和安全性分析提供有益輔助指導(dǎo)和參考價(jià)值。