潮位變化對上海某越江盾構隧道變形的影響規律研究

杜遠港， 胡 珉， 滕 麗， 喻 剛

(1. 上海大學-上海城建建筑產業化研究中心， 上海 200072； 2. 上海大學土木工程系， 上海 200444；3. 上海大學悉尼工商學院， 上海 201400； 4. 上海市地下空間設計研究總院有限公司， 上海 200020)

潮位變化對上海某越江盾構隧道變形的影響規律研究

杜遠港1, 2， 胡 珉1, 3， 滕 麗1, 4， 喻 剛1, 3

(1. 上海大學-上海城建建筑產業化研究中心， 上海 200072； 2. 上海大學土木工程系， 上海 200444；3. 上海大學悉尼工商學院， 上海 201400； 4. 上海市地下空間設計研究總院有限公司， 上海 200020)

為了探究潮位變化與越江盾構隧道的沉降和收斂變形之間的關聯性，采用數據統計分析、相關性分析和周期性分析方法，對上海某越江盾構隧道的監測數據與同時期隧道上部的潮位變化進行研究分析。研究表明： 1)江中段隧道在潮位變化的作用下產生均勻沉降，其波動性與潮位起伏具有近似的周期性； 2)陸域段隧道沉降變化的波動性程度與河流的距離有關； 3)潮位變化引起隧道管片斷面的橫徑和豎徑產生循環的收斂變形，其橫徑收斂變形大于豎徑收斂變形。以上研究可為越江盾構隧道設計、施工和運維提供參考。

越江盾構隧道； 潮位變化； 運營期； 隧道沉降； 隧道收斂

0 引言

隨著我國城市的發展，地下隧道由大規模建設期進入到了運維期[1]。隧道經過多年的運營后，施工期土體擾動造成隧道變形的影響已經趨于穩定，但是由于受到上部河流潮汐水位差的作用，隧道會產生較大的結構變形，如文獻[2]提到比利時的Scheldt河流從漲潮開始到退潮結束這段時間，雙管隧道存在超過10 mm沉降差和管片呈現出“鴨蛋”和“南瓜”形狀的交替變形。如果這些問題沒有得到重視，將會導致越江隧道結構破壞、接縫張開和滲漏水等病害，嚴重影響越江隧道的正常運營[3-5]。

目前關于潮汐對隧道變形影響的研究相對較少，邵俊江等[6]利用單、雙層地基固結的計算模型，同時引入潮汐荷載函數和地層參數，探討潮汐作用引起沉管隧道沉降的規律；黃明華[7]通過推導在傳統循環荷載作用下單層彈性地基一維固結問題的解析解來探討潮位變化對寧波甬江沉管隧道沉降變形的影響； KASPER等[8]基于模型試驗和數值模擬研究了在波浪作用下釜山—巨濟沉管隧道的穩定性。以上的研究僅僅是針對沉管隧道的沉降變形，其研究結果難以適用于盾構越江隧道。于洪丹等[9]和郭小紅[10]利用有限元軟件模擬分析了潮汐水位變化對隧道襯砌和圍巖長期穩定性的影響，但是隧道采用礦山法開挖以及有限元模擬缺乏實測驗證，以上的研究也難以適用于盾構越江隧道。吳世明等[11]分析了潮位變化對運營初期的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未達到穩定，難以準確分析潮位變化對長期運營隧道變形的規律。

隨著我國城市規模的高速擴張，未來越江盾構隧道工程建設的需求越來越多[12]。因此，本文對上海某越江隧道沉降和管片收斂的實時監測數據進行整理和分析，探討潮位變化與運營期盾構越江隧道的沉降和管片收斂的關系，分析其原因并提出相應的建議。

1 隧道結構監測

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1天有2個高潮、2個低潮，平均低潮位1.29 m，平均高潮位3.12 m，平均潮差達1.83 m，呈非正規的半日淺海潮型[13]。上海某運營隧道是一條穿越黃浦江的雙向4車道盾構法施工隧道，外徑11.00 m，管片襯砌環由8塊管片錯縫拼裝而成，環寬1.5 m，厚度為480 mm。盾構段隧道全長1 274.2 m，陸域段隧道拱頂的淺土層為①層—人工填土、②層—粉質黏土、③層—淤泥質粉質黏土、④層—淤泥質黏土、⑤層—灰色黏土，最大覆土厚度約為26 m。江中段隧道拱頂的淺土層主要為①層—淤泥、②層—淤泥質黏土、③—淤泥質黏土、④層—灰色黏土、⑤層—灰色粉質黏土、⑥層—暗綠-草黃色黏土，江中最小覆土厚度約為10 m。該隧道于2001年5月25日開工建設，2004年5月工程全線竣工通車，目前運營通車已經超過12年。隧道縱斷面安裝了光纖光柵大落差縱向沉降傳感器對隧道沉降進行測量，儀器的精度為 0.1 mm，數據自動采集的頻率為0.5 h/次，全部測點布置在隧道西線上，其中測點1(K0+700)、測點2(K0+820)和測點3(K0+940)布置在陸域隧道段中，而測點4(K1+080)、測點5(K1+150)、測點6(K1+240)、測點7(K1+300)、測點8(K1+360)和測點9(K1+425)布置在江中段隧道中，而對于過渡段(測點3到測點4之間的范圍)沒有布置測點，測點空間布置圖如圖1所示。同時根據隧道上覆土層的情況，在江中段隧道里程為K1+440處安裝了1臺一體化隧道斷面收斂儀，該斷面上覆土層厚度最小，隧道截面收斂受潮位變化影響最大。利用該隧道斷面收斂儀對隧道橫截面的橫徑、豎徑的收斂變形進行監測，儀器的精度為0.1 mm，數據自動采集的頻率為0.5 h/次。

圖1 隧道測點空間布置圖

2 監測數據定性分析

2.1潮位變化與同時期隧道沉降變化

根據現場監測數據，繪制隧道上方黃浦江從2017年6月17日到2017年7月16日的潮位變化和同時期該隧道各測點沉降變形的時間序列曲線圖，如圖2和圖3所示。通過對比2個曲線圖可以看出，江中段6個測點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應的，即江中段隧道沉降值波動性與潮位變化的波動性是同步變化的；在陸域段隧道中，測點1、測點2和測點3在潮位變化的作用下沉降值曲線的波動性與江中段相比相對平緩，其波動性變化并不明顯。從圖2和圖3整體上看，隧道所有測點的沉降曲線的總體形態趨勢與潮位變化的總體形態趨勢是一致的，當潮位變化曲線呈現出兩端“凸起”、中間“凹陷”時，隧道各測點的沉降變化曲線也出現同樣的形態。從以上的現象可以推測出，河流以下盾構隧道沉降變化受到潮汐荷載的作用非常明顯，潮位的變化使得盾構隧道產生循環的沉降波動。

2.2潮位差與同時期隧道沉降差

為了進一步觀察潮位變化對隧道各個沉降變化的響應，繪制高低潮位差與同時期隧道各測點沉降差曲線變化的對比圖，潮位差等于后一個潮位與前一個潮位之差的絕對值，沉降差等于后一個沉降值與前一個沉降值之差的絕對值，如圖4所示。

圖2 潮位變化曲線圖(2017年)

圖3 隧道各測點沉降變化圖(2017年)

圖4 高低潮位差與同時期隧道各測點沉降差曲線圖(2017年)

從圖4可以看出，江中段隧道各個測點的沉降差變化曲線基本重合，反映出在潮位變化的作用下，江中段隧道呈現出整體的上浮或者下沉，即潮位變化引起江中段隧道產生均勻沉降變形，不會對隧道產生過大的結構破壞。同時，江中段隧道沉降差曲線變化的形態趨勢與潮位差曲線變化的形態趨勢基本保持一致，說明江中潮位變化是引起江中段隧道沉降變形的主要影響因素；在陸域段隧道中，測點1、測點2和測點3在潮位變化的作用下沉降差變化曲線的波動性呈現微弱增強的趨勢。同時根據表1的統計數據可以發現，陸域段隧道隨河流的距離越近，沉降差平均值越大，沉降差的標準差越大，說明陸域段隧道距離河流越近，沉降值越離散，沉降曲線波動性越大，進而說明在潮位變化的作用下陸域段隧道沉降波動性與河流的距離有關。陸域段與江中段之間的過渡段中，測點4的沉降差比測點3的沉降差大，說明過渡段隧道受潮位變化影響的程度不同，這是由于地層條件的突變處、軸線曲率最大處以及聯絡通道匯集在此隧道段，在潮位變化的影響下，該隧道存在較大的差異沉降，隧道結構存在較大的威脅。因此，建議在隧道結構縫處、隧道軸線大曲率處、地層突變處、約束條件突變處以及滲漏水嚴重處增加監測點，通過加強病害監測的力度，密切關注隧道結構的安全，可以在隧道出現結構病害時及時做出修復處理。

2.3潮位變化與同時期管片收斂變形

根據隧道斷面收斂儀監測的數據，繪制出與圖2同時期的管片橫、豎徑收斂變形圖，如圖5和圖6所示。

表1陸域段隧道測點沉降差與河流距離的關系

Table 1 Relationship between differential settlement of monitoring points of tunnel onland and distance between tunnel and river

測點與河堤的距離/m沉降差平均值/mm沉降差標準差/mm13300．3640．28522100．5980．4153900．7170．502

圖5 管片橫徑變形圖(2017年)

圖6 管片豎徑變形圖(2017年)

管片橫、豎徑收斂變形曲線經過平滑處理后，可以發現管片的橫徑、豎徑收斂變形曲線的波動性呈現不規則的起伏變化，并不與潮位同步變化。根據圖5和圖6對比可得，管片橫徑收斂變形的波動振幅比豎徑收斂變形大，管片橫徑收斂波動的振幅在3 mm左右，而豎徑收斂波動的振幅在1.2 mm左右。江中段隧道應該在嚴密監控下審慎選擇在隧道兩側進行注漿處理，增大側向抗力，通過控制隧道橫徑的變形，以抵抗潮位變化引起的管片收斂變形。同時隧道管片的橫徑、豎徑在潮汐荷載的循環作用下出現顯著的伸縮變化，對隧道管片襯砌長期穩定性造成巨大的威脅，長期伸縮反復作用會使管片襯砌產生疲勞效應而導致性能劣化。在管片襯砌設計和施工時，不能把管片上部的水壓力當作靜荷載處理，要考慮潮汐對管片循環作用的影響。

3 監測數據的定量分析

3.1相關相似性分析

為了進一步定量分析從2017年6月17日到7月16日潮位變化與同時期的越江盾構隧道沉降響應和管片斷面收斂變形之間的相關相似性，采用Pearson相關相似性的分析方法對數據進行分析。Pearson相關系數是用來描述2組線性的數據同一變化移動的趨勢，其數學公式表示為2個變量的協方差與2個變量的標準差之比，取值范圍為[-1,1]，如式(1)所示。

(1)

根據式(1)得到潮位變化與同時期隧道沉降變形相關系數，如表2所示。

表2潮位變化與隧道沉降變形的相關系數

Table 2 Correlation coefficient between tidal fluctuation and tunnel settlement and deformation

相關系數潮位測點10．0117測點20．0769測點30．2949測點40．8394相關系數潮位測點50．8538測點60．8413測點70．8354測點80．8423相關系數潮位測點90．8253管片橫徑0．0768管片豎徑0．00042

根據表2可以看出，江中段6個測點的沉降數據與潮位變化的相關性系數在0.82以上，具有強相關性，說明運營期江中段隧道沉降變形波動趨勢與潮位變化的趨勢具有高度同一性，潮位變化作用是引起運營期江中段隧道沉降變形的主要原因。對于陸域段隧道和管片收斂來說，其變化與潮位變化的相關系數非常小，說明陸域段隧道和管片收斂與潮位變化不存在線性的同一變化移動趨勢。

3.2周期性分析

由于江中段隧道沉降與管片收斂變形在潮位變化的作用下產生了明顯的波動性，因此采用功率譜分析方法分別對上述的監測數據進行周期分析。將時域信號的監測數據轉換為頻域信號進行分析，把復雜的時間歷程波形經過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號的頻率結構相關信息。對于1個時間序列信號f(t)的平均功率可以表示為：

(2)

通過MATLAB編程可以得到上述監測數據的功率譜圖。功率譜的最大值對應的頻率稱為“峰頻”，“峰頻”是波動能量最集中的頻率，“峰頻”對應的周期為波動的主要周期[14]，主要周期在這里反映的是隧道監測數據被分解為單一諧波分量后，所有單一諧波中最集中的周期。

由于江中段隧道各測點沉降曲線非常相似，這里只給出江中心的測點6的功率譜圖進行分析，見圖7。由圖7可以看出，潮位變化曲線的主要周期為12.386 7 h，江中段隧道的主要周期為12.404 1 h，二者的周期性非常相近，進一步說明江中段隧道沉降主要受潮汐的影響。管片橫徑的主要周期為25.054 1 h，接近潮位變化周期的2倍。管片豎徑中存在相對集中的周期，除了出現最大的15.45 h的主要周期外，還存在著密集的、峰頻高度相近的其他周期，這明顯說明潮位變化并不是短期內影響隧道橫斷面收斂的唯一因素。根據橫徑、豎徑的功率譜分析圖對比，可以發現豎徑的主要周期比橫徑的多，說明管片在縱向受到的影響因素比橫向的多。

(a) 潮位變化曲線周期圖

(b) 江中段沉降變化曲線周期圖

(c) 橫徑變化曲線周期圖

(d) 豎徑變化曲線周期圖

圖7功率譜分析圖

Fig. 7 Sketch diagrams of power spectrum analysis

4 隧道變形原因分析

1)江中段隧道沉降隨潮位變化而同步變化，主要原因是江中段隧道上覆土的土質以淤泥、淤泥質黏土和黏土為主，當上部河流水位上升時，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，有效應力減少，同時下臥土層的壓力減少產生地基回彈，從而引起隧道上浮；反之，隧道下沉。此外，這種瞬時的沉降變化響應可能是江中段上覆土出現裂隙，河流的水直接與隧道相通而導致的。

2)陸域段隧道中呈現不同的沉降規律，是因為江岸周邊的地下水位受江中水位影響較大，河流附近的地下水補給相對快，而距離河流較遠的部分地下水補給相對慢，使得陸域段測點的波動性與河流距離相關。

3)管片收斂變形與潮位變化波動并不對應，說明潮位變化并不是短期內影響隧道斷面收斂的唯一因素。由于隧道周邊土體滲透性和隧道覆土荷載變化與管片收斂變形有關，不同的土體滲透作用和不同的隧道覆土荷載對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力的變化對管片產生相應的擠壓變形，導致隧道橫向與縱向收斂變形曲線的振幅和周期不同。

5 總結與建議

基于對上海某盾構越江隧道運營期潮位變化監測數據分析研究發現： 江中段隧道沉降值的波峰和波谷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的關聯性；陸域段隧道沉降值的波動性與河流距離有關，距離河流越近，波動性呈增大趨勢，相對于江中段波動趨勢相對較弱；隧道管片的橫徑、豎徑在潮位變化的循環作用下出現反復的伸縮變化，橫徑的變形量比豎徑的變形量大。

針對以上研究得到的規律，提出以下建議：

1)增加過渡段隧道中沉降測點，以充分掌握整條隧道沉降的變形規律；

2)在過渡段隧道存在較大的沉降變形，建議在施工階段對過渡段隧道采用抗拔樁或打錨桿等措施，減少隧道抵抗潮位變化而產生的破壞；

3)對江中段隧道兩側采取注漿，增大隧道側向抗力，以減少潮位變化對隧道產生的橫向破壞；

4)在管片設計和施工階段，考慮潮汐對管片循環作用的影響，增大管片抵抗的水壓力分項系數，提高管片抗疲勞破壞的能力。

本研究得到的規律僅適用于相同或相似地質條件的水下盾構隧道，對于其他土質條件或其他類型的隧道還需要做針對性的研究。雖然本研究得到了潮位變化引起隧道變形的部分研究成果，對隧道運維工作起到了一定的借鑒和參考，但是未對潮位變化引起的隧道橫向位移方面展開研究。因此，今后需要增加橫向位移的監測點，全面掌握潮位變化對長期運營隧道變形的影響規律。

[1] 洪開榮. 我國隧道及地下工程發展現狀與展望[J]. 隧道建設, 2015, 35(2): 95.

HONG Kairong. State-of-art and prospect of tunnels and underground works in China[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(2): 95.

[2] NUTTENS T, STAL C, BACKER H D, et al. Terrestrial laser scanning as a key element in the integrated monitoring of tidal influences on a twin-tube concrete tunnel[J]. Photogrammetric Record, 2014, 29(148): 402.

[3] 汪小兵. 軟土地區軌道交通隧道收斂變形注漿整治工程實踐[C]// 2010城市軌道交通關鍵技術論壇暨地鐵學術交流會論文集. [S.l.]:[s.n.], 2010.

WANG Xiaobing. Grouting control of the convergence deformation of metro tunnel in soft soil[C]// 2010 Key Technology Forum of Urban Rail Transit and Metro Academic Exchange. [S.l.]:[s.n.], 2010.

[4] 劉志春, 王夢恕. 隧道工程因素對地下水環境影響研究[J]. 巖土力學, 2015, 36(增刊2): 281.

LIU Zhichun, WANG Mengshu. Research on impact of tunnel engineering factors on groundwater environment[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(S2): 281.

[5] 張震. 盾構隧道結構長期沉降研究綜述[J]. 城市軌道交通研究, 2013(3): 135.

ZHANG Zhen. On the long-tern settlement of shield tunnel structure[J]. Urban Mass Transit, 2013(3): 135.

[6] 邵俊江, 李永盛. 潮汐荷載引起沉管隧道沉降計算方法[J]. 同濟大學學報, 2003, 31(6): 657.

SHAO Junjiang, LI Yongsheng. Calculation methods for settlements of immersed tunnels induced by tidal load[J]. Journal of Tongji University, 2003, 31(6): 657.

[7] 黃明華. 甬江水底隧道運行性能分析與健康監測系統設計實現[D].哈爾濱： 哈爾濱工業大學, 2008.

HUANG Minghua. Running performance analysis and health monitoring system design of Yongjiang underwater tunnel[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2008.

[8] KASPER T, STEENFELT J S, PEDERSEN L M, et al. Stability of an immersed tunnel in offshore conditions under deep water wave impact[J]. Coastal Engineering, 2008, 55(9): 753.

[9] 于洪丹, 陳衛忠, 郭小紅, 等. 潮汐對跨海峽隧道襯砌穩定性影響研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2009, 28(增刊1): 2905.

YU Hongdan, CHEN Weizhong, GUO Xiaohong, et al. Research on effect of tide on stabilities of channel tunnel lining[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(S1): 2905.

[10] 郭小紅. 廈門翔安海底隧道風化槽襯砌結構穩定性研究[D]. 北京： 北京交通大學, 2011.

GUO Xiaohong. Research on lining stability of Xiamen Xiang′an subsea tunnel in weathered trough[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011.

[11] 吳世明, 王湛, 王立忠. 大斷面過江隧道運營期受力變形健康監測分析[J]. 浙江大學學報(工學版), 2013, 47(4): 595.

WU Shiming, WANG Zhan, WANG Lizhong. Monitoring and analysis of force and deformation of large section cross-river tunnel during operation period[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2013, 47(4): 595.

[12] 劉艷濱. 盾構法越江道路隧道建設關鍵技術[J]. 隧道建設, 2015, 35(11): 1113.

LIU Yanbin. Key construction technologies for river-crossing shield-bored road tunnels[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(11): 1113.

[13] 魏鵬, 高鑫蕾, 白鵬輝, 等. 黃浦江水位變動與潮汐的相關性研究[J]. 地理教學, 2013(16): 60.

WEI Peng, GAO Xinlei, BAI Penghui, et al. Study of correlation between water level fluctuation and tide in Huangpu River[J]. Geography Teaching, 2013(16): 60.

[14] 付叢生, 陳建耀, 曾松青, 等. 濱海地區潮汐對地下水位變化影響的統計學分析[J]. 水利學報, 2008, 39(12): 1365.

FU Congsheng, CHEN Jianyao, ZENG Songqing, et al. Statistical analysis of impact of tide on water table fluctuation in coastal aquifer[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2008, 39(12): 1365.

StudyofTidalFluctuationInducedDeformationLawofaRiver-crossingShieldTunnelinShanghai

DU Yuangang1, 2, HU Min1, 3, TENG Li1, 4, YU Gang1, 3

(1.SHU-SUCGResearchCenterforBuildingIndustrialization,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200444，China; 3.SILCBusinessSchool,ShanghaiUniversity,Shanghai201400,China; 4.ShanghaiUndergroundDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200020,China)

The monitoring data of a river-crossing shield tunnel in Shanghai and the tidal fluctuation above the tunnel are analyzed by data statistical analysis method, correlation analysis method and periodicity analysis method, so as to learn the relationship between tidal fluctuation and deformation and convergence of river-crossing shield tunnel. The results show that: 1) The even settlement would occur at tunnel section in river; and the settlement fluctuation and tidal fluctuation show similar periodicity. 2) The settlement fluctuation of tunnel section on land is related to the distance between tunnel and the river. 3) The tidal fluctuation induced cyclic convergent deformation of transverse diameter cross-section of tunnel segment is larger than that of vertical diameter of cross-section of tunnel segment. The study results can provide reference for design, construction and maintenance of river-crossing shield tunnel.

cross-river shield tunnel; tidal fluctuation; operation period; tunnel settlement; tunnel convergence

2017-03-02;

2017-05-03

上海市科委重點項目“大數據專項”(13511504803)； 上海市國資委重大科研項目(2014008)

杜遠港(1991—)，男，廣東廣州人，2017年畢業于上海大學，建筑與土木工程專業，碩士，主要從事運營期隧道變形監測研究的相關工作。E-mail: 610843336@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.010

U 45

A

2096-4498(2017)11-1424-06