杭州慶春路過江隧道運(yùn)營期沉降研究

徐長節(jié)，孫鳳明，林剛

(1. 浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州，310058；2. 浙江大學(xué) 福世德勘測設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州，310013)

隨著城市快速的發(fā)展，各種地下通道不斷地涌現(xiàn)。城市地鐵以及各種過江隧道不斷地出現(xiàn)在城市圈內(nèi)，對于建成之后的過江隧道安全與否成為工程界十分關(guān)注的問題。隨著社會對交通需求的日益增大，許多道路不得不建在深厚的軟土地基上。然而，在交通荷載的長期作用下軟土地基往往會產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致道路產(chǎn)生較大的沉降，例如，建于天然Ariake 軟土上的日本某低路堤高速公路，在投入使用后5 a 沉降量達(dá)到了1～2 m。劉飛禹等[1]研究了循環(huán)荷載作用下軟土動彈性模量的衰減規(guī)律，詳細(xì)研究了循環(huán)荷載作用下初始偏移應(yīng)力、荷載頻率、超固結(jié)比以及循環(huán)應(yīng)力比等對軟土動彈性模量衰減的影響。基于物理模型試驗(yàn)得到的統(tǒng)一預(yù)測模型，1 種用于計(jì)算列車循環(huán)荷載作用下軌道沉降的方法被提出[2]。劉勝群等[3]通過應(yīng)用Biot 動力固結(jié)有限元程序?qū)煌ê奢d作用下軟土路基的沉降進(jìn)行了有限元模擬，揭示了沉降過程中軟土的動力固結(jié)規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行動三軸不排水試驗(yàn)，由此能夠得到飽和軟黏土在循環(huán)荷載作用下的一些變形特征[4]。高廣運(yùn)等[5]采用數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)方法相結(jié)合，計(jì)算地鐵循環(huán)荷載作用下軌道地基的長期沉降。以Flac3D 軟件建立隧道以及周圍土體的數(shù)值模型，分別結(jié)合3 種不同的經(jīng)驗(yàn)算法，以分層總和法計(jì)算軌道地基的長期沉降。楊慶義等[6]通過利用循環(huán)荷載作用下軟黏土不排水累計(jì)變形模型Chai-Miura 模型，結(jié)合利用Flac3D 有限差分程序計(jì)算地基中的動、靜應(yīng)力，對軟土地基的累計(jì)沉降進(jìn)行了計(jì)算。趙春彥等[7]利用軟土三軸試驗(yàn)研究結(jié)果獲得相應(yīng)模型的試驗(yàn)常數(shù)，運(yùn)用分層總和法計(jì)算隧道沉降，提出了一套疊交隧道長期沉降的預(yù)測方法。在此之前很多學(xué)者[8-11]分析了軟土在交通循環(huán)荷載作用下的變形特性以及相關(guān)力學(xué)特性。隧道運(yùn)營期內(nèi)發(fā)生不均勻沉降，會導(dǎo)致以下危害：一是隧道工后土體沉降對于隧道本身具有很大的危害，沉降會使隧道產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致隧道接縫張開，滲漏加劇，甚至漏泥，長此以往，其運(yùn)營安全和乘客的舒適性將受到影響，維修費(fèi)用隨之增加；二是隧道工后沉降對于地下管線會產(chǎn)生極大的危害。如何分析研究隧道在運(yùn)營期內(nèi)的沉降是有重要意義的。目前關(guān)于交通荷載作用下高速公路和鐵路路基沉降方面的研究內(nèi)容較多，但關(guān)于過江隧道在運(yùn)營期沉降方面的研究內(nèi)容很少，如何定量和定性來研究這個問題，對于工程界來說具有重大意義。

1 慶春路過江隧道介紹

慶春路過江隧道位于錢江三橋下游2.3 km 處，隧道工程自江干區(qū)慶春東路與新塘路交叉口，向東略偏南直至江邊，過江后下穿錢江二路后爬升出地面與市心北路相接。隧道工程總長為4 180 m，由江北接線道路(415 m)，江北岸上段(905 m)、江中盾構(gòu)隧道段(1 766 m)、江南岸上段(308 m)、江南延長段(740 m)及附屬配套工程等組成，其平面圖如圖1 所示。隧道分上行隧道和下行隧道，兩隧道橫向間距為60 m，為雙向四車道，設(shè)計(jì)車速為60 km/h。在隧道過江位置處，錢江水深約4.0 m 左右，江底距離隧道頂約25 m，隧道直徑為10.3 m，隧道縱剖面見圖2，主要研究2個典型斷面：江中隧道(剖面1-1)和岸邊隧道(剖面2-2)的長期沉降。剖面1-1 位于LK2+300，剖面2-2 位于RK1+500 處，其所在的地質(zhì)剖面見圖3，參數(shù)見表1。

已有的研究表明：對于過江隧道在運(yùn)營期內(nèi)的沉降，主要原因是土體在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變引起的累積沉降以及土體在循環(huán)荷載下發(fā)生的固結(jié)沉降[6]。

圖1 過江隧道平面圖Fig.1 Plan of crossing-river tunnel

圖2 過江隧道縱剖面圖Fig.2 Profile of crossing-river tunnel

圖3 分析剖面處地質(zhì)斷面Fig.3 Geological section of analyzed profile

層號 土層名稱 層厚/m γ天/(k然N重·m度-3)壓縮模量Es /MPa豎向壓縮系數(shù)av /MPa-1黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)① 填土 0.50～7.80 19.0②-1 砂質(zhì)粉土 0.70～9.30 19.5 9.72 0.17 35.9 34.8②-2 粉土夾淤泥質(zhì)土 1.10～8.45 19.2 9.37 0.19 37.0 35.5③-1 粉砂夾粉土 1.10～5.80 19.5 10.07 0.16 36.5 38.7③-2 砂質(zhì)粉土 0.70～6.50 19.8 10.71 0.15 42.0 21.7③-3 粉砂夾粉土 1.80～8.00 19.8 10.53 0.17 27.7 30.1③-4 黏質(zhì)粉土 0.80～3.20 19.5 6.38 0.32 21.6 18.0④ 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 0.50～10.30 18.5 3.21 0.72 28.0 12.9⑤-1 粉質(zhì)黏土 0.50～6.00 19.8 6.57 0.23 34.9 26.0⑤-2 粉質(zhì)黏土 0.50～12.40 19.0 6.06 0.28 35.5 19.0⑥-1 黏土 0.90～5.90 18.8 4.57 0.46 39.0 16.9⑥-2 粉質(zhì)黏土 0.80～9.80 19.0 4.81 0.36 41.0 20.5⑦-1 粉質(zhì)黏土夾粉砂 0.60～5.40 20.1 6.84 0.25 55.7 25.7⑦-2 粉細(xì)砂 0.80～7.70 20.5 9.60 0.17 54.7 23.8⑧ 圓礫 1.20～8.60

2 交通荷載的確定

汽車荷載根據(jù)橋隧規(guī)范[12-13]確定，分為車道荷載和車輛荷載。橋梁隧道結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用車道荷載。車道荷載與車輛荷載的作用不得疊加。

本項(xiàng)目道路設(shè)計(jì)荷載為城-A，均布荷載為qk=10.5 kPa，集中荷載按以下規(guī)定選取：計(jì)算跨徑小于5 m 時取Pk=180 kN。計(jì)算跨徑大于50 m 時取Pk=360 kN。

圖4 汽車荷載作用示意圖Fig.4 Sketch map of action of traffic loading

車輛荷載作用次數(shù)計(jì)算：根據(jù)統(tǒng)計(jì)，日平均行車距離為200 m，每天隧道單向日平均可以達(dá)1 萬車次。荷載作用數(shù)如表2 所示。

時間/a 1 2 3 4 5 6 7車次數(shù)/105 36 72 108 144 180 216 252時間/a 8 9 10 11 12 1314車次數(shù)/105 288 324 360 396 432 468 504時間/a 15 20 30 50 60 80100車次數(shù)/105 540 720 1 080 1 800 2 160 2 880 3 600

3 塑性累積與土體固結(jié)導(dǎo)致的沉降

如上所述，過江隧道在運(yùn)營期內(nèi)的沉降由土體在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變累積沉降以及土體在交通荷載下發(fā)生的固結(jié)沉降組成。

分別計(jì)算這2 部分所產(chǎn)生的沉降量。對于交通荷載引起的地基塑性累積沉降量采用Li等的經(jīng)驗(yàn)公式[14]計(jì)算累積塑性應(yīng)變，然后計(jì)算出相應(yīng)的累積沉降量。土體固結(jié)產(chǎn)生的沉降量在理論上應(yīng)用規(guī)范法計(jì)算，并采用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行校核。

3.1 交通循環(huán)荷載引起的隧道底地基塑性累積沉降量

圖5 剖面1-1 計(jì)算簡圖Fig.5 Calculation diagram of Profile 1-1

Li 等[14]通過對比前人的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，提出了以下計(jì)算塑性應(yīng)變計(jì)算公式：

由不同土體材料參數(shù)均值表可確定參數(shù)a=0.84，b=0.13，m=2.0。

當(dāng)時間為1 a 時，即N=3.6×106車次時，各層的累積塑性沉降量如表3 所示。

層次i層厚zi/m qd/cu/δs/kPa kPa φcu/(°)σcz/kPa qf/kPa εp/%mm 1 2 16.5 5020 40 86.5 0.21 4.2 2 2 16.5 5020 80 102.2 0.15 3.0 3 3 16.5 5525 140 163.2 0.06 1.8 4 3 16.5 5525 200 196.1 0.04 1.2 5 3 16.5 5525 260 229.0 0.03 0.9 6 2 16.5 5525 300 251.4 0.02 0.4

如上所述，通過變換不同的N 并利用式(1)可計(jì)算出相應(yīng)的沉降量，結(jié)果如表4 所示。

時間/a 1 2 3 4 5 6 7沉降量/mm 11.5 12.6 13.3 13.8 14.2 14.5 14.8時間/a 8 9 1011 12 1314沉降量/mm 15.1 15.3 15.5 15.7 15.9 16.1 16.2時間/a 15 20 3050 60 80100沉降量/mm 16.3 17.0 17.9 19.1 19.6 20.2 20.4

由圖6 可看出：隧道通車后的20 a 內(nèi)所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變累積沉降速度很快，隨后發(fā)展速度逐漸降低，最終隧道所產(chǎn)生的應(yīng)變積累沉降量為20 mm 左右。

同理對剖面2-2 進(jìn)行分析，結(jié)果見圖7。

當(dāng)時間為1 a 時，即N=3.6×106車次時，同樣利用表3 和相應(yīng)參數(shù)分別計(jì)算每層塑性應(yīng)變以及相應(yīng)的沉降量，最后累加每一層土體的塑性沉降量得到總塑性沉降量為13.8 mm。

如上所述，通過變換不同的N 并利用式(1)可計(jì)算出相應(yīng)的沉降量，結(jié)果如表5 所示。

由圖7 可看出：隧道通車后的30 a 內(nèi)所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變積累沉降速度很快，隨后發(fā)展速度逐漸降低，最終隧道剖面2-2 處所產(chǎn)生的應(yīng)變積累沉降量為25 mm 左右。

3.2 運(yùn)用規(guī)范法計(jì)算隧道底土體固結(jié)沉降

應(yīng)用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]計(jì)算剖面1-1 盾底土體的固結(jié)總沉降量，如圖8 所示。

時間/a 1 2 3 4 5 6 7沉降量/mm 13.8 14.6 15.1 15.8 16.4 16.9 17.4時間/a 8 9 10 11 12 1314沉降量/mm 17.8 18.1 18.5 18.7 19.0 19.3 19.5時間/a 152030 50 60 80100沉降量/mm 19.7 20.7 22.1 24.2 24.8 25.5 25.8

圖7 剖面2-2 塑性累積沉降量發(fā)展趨勢Fig.7 Development trend of plastic cumulative settlement

圖8 規(guī)范法計(jì)算簡圖Fig.8 Diagram of calculation using standard method

根據(jù)規(guī)范分層總和法計(jì)算公式

得總沉降量s=5.13 mm。

同理，對剖面2-2 進(jìn)行隧道底土體固結(jié)沉降量計(jì)算，由相應(yīng)地質(zhì)參數(shù)和以上規(guī)范分層總和法計(jì)算式(2)，最終計(jì)算出該斷面土體固結(jié)總沉降量s=8.2 mm。

3.3 運(yùn)用plaxis 軟件計(jì)算分析土體固結(jié)沉降

考慮到規(guī)范推薦的方法主要針對一維固結(jié)情況，而隧道的沉降是典型的二維問題，有必要采用數(shù)值方法進(jìn)行校核。

選取剖面1-1 位置，如圖2 所示，運(yùn)用有限元軟件plaxis 進(jìn)行不同固結(jié)度分析，分析模型如圖9 所示。第一層為模擬錢塘江4 m 的水，再依次往下分別為模擬不同土層情況，土體采用了摩爾庫侖模型。慶春路過江隧道路面位于江底以下21 m 處，數(shù)值分析采用plate 單元來模擬隧道管片以及路面，隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表6 所示。數(shù)值分析時采用的計(jì)算類型為固結(jié)分析模塊，通過調(diào)整時間間隔參數(shù)t 來定義不同的固結(jié)時間，從而可以計(jì)算出隧道固結(jié)沉降量隨時間的變化。具體數(shù)值模擬施工步驟如下：第1 步，初始地應(yīng)力平衡；第2 步，隧道內(nèi)土體開挖，襯砌激活并重置位移為0 m；第3 步，激活交通荷載，計(jì)算類型為固結(jié)分析并設(shè)置時間間隔t=0，計(jì)算其對應(yīng)沉降量；第4 步，重新設(shè)置第3 步中的時間間隔t=1 a，計(jì)算其對應(yīng)沉降量；同理，重復(fù)第4 步，可將時間間隔t 設(shè)置為不同值，從而可計(jì)算出不同時刻隧道沉降量。

圖9 剖面1-1 模型分析示意圖Fig.9 Sketch map of model analysis of Profile 1-1

為簡化計(jì)算和建模方便，對模型作如下處理：1)土體的計(jì)算深度邊界取為53 m，在土體表面以上為深4 m 的水用以模擬錢塘江。考慮到兩隧道相距60 m，所以，整個模型水平方向?qū)挾热?30 m。2) 邊界條件；模型左右兩側(cè)X 方向水平約束，模型底面水平和垂直向約束，模型最上面為自由水面。

結(jié)構(gòu) 剛度107EA/剛度EI/(kN·m-1)交通荷載/kPa隧道襯砌 1.6 3.5×105隧道板 1.7 4.5×107 16.5

從表7 和圖10 可以看出：本隧道在該斷面位置處的沉降量將在通車5 a 后將達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)值分析最終固結(jié)沉降量為6.30 mm，與采用規(guī)范法計(jì)算出的5.13 mm 沉降有一些差距，主要因?yàn)閿?shù)值分析采用的參數(shù)以及規(guī)范法都帶有一定誤差。但經(jīng)過數(shù)值分析以及理論計(jì)算都可以得到，隧道最終沉降量中因固結(jié)導(dǎo)致的沉降量不是主要成分。究其原因，本隧道上覆土體較厚，車輛荷載相對于土體的原始自應(yīng)力來說不大，另外下臥土層的土質(zhì)較好，壓縮模量較大。

通過上面的塑性累積沉降量和土體固結(jié)沉降量隨時間發(fā)展可以確定隧道總沉降量變化趨勢，剖面1 位置隧道總沉降量隨時間發(fā)展情況如圖11 所示。

圖10 剖面1-1 隧道固結(jié)沉降量隨時間的變化Fig.10 Diagram of tunnel consolidation settlement varying with time for Profile 1-1

時間/a 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10沉降量/mm 1.20 3.10 4.30 5.10 5.70 6.00 6.12 6.22 6.30 6.30 6.30

圖11 剖面1-1 隧道總沉降量隨時間的變化Fig.11 Total tunnel settlement varying with time for Profile 1-1

隧道最終沉降量為以上2 個部分沉降量之和，即交通循環(huán)荷載引起的隧道底地基塑性累積沉降量與數(shù)值計(jì)算隧道底土體的固結(jié)總沉降量(為保守計(jì)，取2 種方法大值)之和：δ總=(20.40+6.30) mm=26.70 mm。

對于剖面2-2，同樣運(yùn)用有限元軟件plaxis 進(jìn)行不同固結(jié)度分析。本隧道在該斷面位置處的沉降量將在通車10 a 后將達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值分析最終固結(jié)沉降為9.10 mm。通過上面的塑性累積沉降量和土體固結(jié)沉降量隨時間發(fā)展可以確定隧道總沉降量變化趨勢，剖面2 位置隧道總沉降量隨時間發(fā)展情況如圖12所示。

圖12 剖面2-2 隧道總沉降隨時間變化圖Fig.12 Diagram of total tunnel settlement varying with time for Profile 2-2

隧道最終沉降為以上2 部分沉降量之和，即交通循環(huán)荷載引起的隧道底地基塑性累積沉降量與數(shù)值計(jì)算隧道底土體的固結(jié)總沉降量(為保守計(jì)，取2 種方法大值)之和：δ總=(25.80+9.10) mm=34.9 mm。與剖面1-1的相對沉降量為(34.90-26.70) mm= 8.20 mm。

通過和剖面1-1 位置處的模型分析進(jìn)行對比可知：該位置處的隧道在運(yùn)營期內(nèi)的沉降量增加，同時所達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定的時間也延長了很多年。最主要原因?yàn)樵摂嗝嫖恢盟淼赖紫屡P軟弱土體相對較厚，滲透系數(shù)相對較小。

4 結(jié)論

1) 采用本文的方法計(jì)算隧道運(yùn)營期的沉降量與實(shí)測數(shù)據(jù)非常接近，是完全可行的。

2) 運(yùn)營期內(nèi)隧道典型剖面處的沉降總量在4 cm以內(nèi)，相對沉降量更小。說明在運(yùn)營期內(nèi)沉降量不會引起結(jié)構(gòu)的損壞，也不至于影響隧道的正常運(yùn)行。

3) 目前的計(jì)算結(jié)果是基于城-A 級荷載進(jìn)行的，因而對于隧道養(yǎng)護(hù)而言，必須對超載的車進(jìn)行控制，以保證隧道的正常運(yùn)營。

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