探究沉管隧道病害對結構安全的影響

鄒 團 高 聰

（1．廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000；2．廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510500）

沉管隧道是修建大型水下隧道主要采用的結構形式之一，其管段多為鋼筋混凝土結構，經工廠預制完成后，再浮運吊裝至水面指定位置處進行沉放對接，最后形成可靠的水下通道。與同樣可用于水下隧道建設的盾構法相比，沉管法更具備修建工期短、地質條件制約小的優點[1]，因此，被世界各國廣泛采用。其中于1992年底建成通車的廣州珠江隧道，是我國大陸首次采用沉管法建成的第一座大型道路與地下鐵路共管設置的水下隧道。該沉管隧道在投入運營二十余年后，由于長期受潮汐作用和沖刷作用影響，管段上方覆蓋層被淤泥堆積和沖刷侵蝕，導致受力不均，又因外界荷載多變，經日積月累，容易出現環向裂縫。這裂縫的存在將降低結構的承載能力，部分裂縫還會導致隧道滲漏水，進而出現鋼筋銹蝕和混凝土劣化問題，影響結構的耐久性和美觀性。

本文以某沉管隧道為例，探究病害對沉管隧道結構安全的影響，分析了覆蓋層及裂縫病害與隧道結構安全系數變化的對應關系，為今后沉管隧道的裂縫病害維修和治理提供理論依據。

1 模型建立

采用有限元軟件，建立沉管隧道荷載-結構法計算模型如圖1所示。

圖1 沉管隧道計算模型

將沉管隧道簡化為矩形框架結構，采用梁單元模擬。其中管段橫截面左側空間用于公路通行，右側空間用于地鐵通行。沉管隧道的計算外部荷載考慮水壓、土壓、淤泥等作用下的各種不同荷載組合，主要簡化為垂直壓力和水平壓力，作用在沉管四周[2]，相關計算參數取值見表1。襯砌采用C28鋼筋混凝土，覆蓋層的構成按砂石（原設計覆蓋層主要構成）和淤泥（水下泥沙堆積）考慮。由于沉管隧道在荷載作用下的側向變形不明顯，可不考慮地層的側向抗力。

表1 隧道模型計算參數

2 病害對管段結構安全的影響

2.1 覆蓋層對結構安全的影響

沉管隧道的覆蓋層主要是為了保持水下管段的穩定，包括滿足管段的抗浮設計要求、滿足隧道結構的防錨要求等。此外，管段覆蓋層還可以減小覆蓋層及其下的回填材料受到的水力沖刷作用[3]。但隨著時間推移，管段覆蓋層還是不可避免會受到潮汐作用和沖刷作用影響，進而出現兩端出現淤積情況，中部上下游回填層出現凹坑的情況，即分別表現為覆蓋層厚度變化和覆蓋層不密實。

2.1.1 覆蓋層厚度

對沉管隧道節段模擬不同覆蓋層厚度下的受力情況，按覆蓋層厚度分別為0.36、2.72、6.88 m進行計算。提取相應工況下計算所得的軸力、彎矩值，并計算安全系數K值。其中，當覆蓋層厚度為0.36 m時，管段的內力云圖如圖2所示，計算結果見表2。

圖2 內力云圖（覆蓋層厚度0．36 m）

表2 覆蓋層厚度工況計算結果

比較不同覆蓋層厚度的計算結果。隨著覆蓋層厚度的增加，沉管隧道的軸力、彎矩值將相應增大，沉管隧道的最小安全系數也將相應地降低。表明當管段上方存在淤泥堆積時，其內力值將增大，從而引起承載能力安全系數的降低；而當管段上方受到沖刷作用導致覆蓋層厚度不足時，其內力值整體較小，承載能力安全系數會有所提高。因此，從安全系數考慮，應維護沉管隧道的覆蓋層厚度在一個較小區間內變化。但由于覆蓋層厚度還會影響沉管隧道的抗浮性能，所以，需要對覆蓋層厚度引起的結構承載力安全性變化和結構抗浮安全性變化進行綜合考慮。

2.1.2 覆蓋層不密實

管段覆蓋層不密實將導致沉管段受力不均，易導致襯砌開裂，而沉管隧道的開裂將引起滲漏水，影響結構安全。選取節段典型截面進行研究，分別考慮頂板不同范圍下的襯砌背后不密實對結構安全性的影響，按不密實范圍分別為1、1.5、2 m進行計算。提取相應工況下計算所得的軸力、彎矩值，并計算安全系數K值。其中，當不密實范圍為1 m時，管段的內力云圖如圖3所示，計算結果見表3。

圖3 內力云圖（覆蓋層不密實范圍1 m）

表3 覆蓋層不密實工況計算結果

比較不同覆蓋層密實范圍的計算結果。隨著不密實范圍的增加，沉管隧道的軸力值呈現減小趨勢，但彎矩值和最小安全系數變化較小。沉管隧道的最小安全系數也將相應地降低。表明當管段上方存在不密實時，管段結構承受的垂直荷載減小，理論上會引起管段結構的內力值呈現減小的趨勢。但由于覆蓋層不密實的范圍較小，即相對于管段覆蓋層厚度而言，其造成的荷載變化量占比不大，因此，從計算結果來看，其彎矩值和最小安全系數值幾乎沒有變化。但是，管段上方覆蓋層不密實除了會影響沉管隧道的受力狀態，也會引起覆蓋層對沉管隧道的保護能力確實，進而引發其他的安全問題。

2.2 裂縫對結構安全的影響

對于水下沉管隧道，需要嚴格控制裂縫的產生與發展。由于沉管隧道所處環境的特殊性，裂縫的發展可能會導致隧道的滲水問題，從而引起嚴重的安全問題。因此，針對沉管隧道的裂縫病害，需要加以重視。

裂縫的模擬采用改變襯砌截面厚度的方法。選取沉管隧道某節段，模擬裂縫分別位于地鐵通道的邊墻、中隔墻、頂板位置時，裂縫病害對結構安全性的影響。按裂縫貫通且深度一致進行模擬，分別模擬以下工況：

（1）邊墻裂縫。分別考慮左邊墻存在裂縫、右邊墻存在裂縫、左右邊墻均存在裂縫的情況。

（2）中隔墻裂縫。

（3）頂板裂縫。

提取相應工況下計算所得的軸力、彎矩值，并計算安全系數K值。其中，當頂板存在環向裂縫時，管段的內力云圖如圖4所示，計算結果見表4。

圖4 內力云圖（頂板環向裂縫）

表4 裂縫工況計算結果

比較不同側邊墻出現裂縫的情況。當右邊墻存在裂縫時，沉管隧道最小安全系數為3.24；當左邊墻存在裂縫時，沉管隧道最小安全系數為2.93；而當左右兩側邊墻均存在裂縫時，沉管隧道結構的受力行為與左邊墻存在裂縫時的受力行為相近。表明左邊墻位置處的裂縫，較右邊墻位置處的裂縫，對結構安全性影響大。這是由于右邊墻作為沉管隧道的外側邊墻，其截面厚度比左邊墻大。當存在同樣深度的環向裂縫時，環向裂縫對右邊墻的結構剛度影響較小。從數值計算結果也可看出，右邊墻裂縫時的內力極值較左邊墻裂縫時小。

比較不同位置出現裂縫的情況。當頂板存在裂縫時，沉管隧道的最小安全系數為2.75，低于其他位置處時的最小安全系數值。表明拱頂位置處的裂縫對結構安全性影響最大。而中隔墻存在裂縫時的最小安全系數與左邊墻存在裂縫時相近，這也是由于中隔墻的截面厚度較小，同樣深度的環向裂縫對中隔墻和左邊墻的結構剛度影響相近。

3 結語

對于沉管隧道，覆蓋層厚度變化、覆蓋層不密實及裂縫病害都會改變管段的受力狀態：

（1）覆蓋層厚度越大，管段的軸力、彎矩值越小，安全系數相應減小；反之，管段的軸力、彎矩值越大，安全系數相應增大。

（2）覆蓋層不密實范圍越大，管段的軸力、彎矩值越大，安全系數相應增大；反之，管段的軸力、彎矩值越小，安全系數相應減小。

（3）環向裂縫會引起管段安全系數的降低，特別是當頂板出現環向裂縫時，其安全系數變化明顯。

因此，沉管隧道的養護維修單位應密切關注隧道管段上方覆蓋層情況，及時進行清淤和修復，保持覆蓋層厚度處于合理的變化范圍內。并對管段內出現的裂縫病害及時進行封閉，特別是頂板位置的裂縫，以保證沉管隧道在運營期間的安全可靠。