運營期大直徑越江盾構(gòu)隧道長期監(jiān)測規(guī)律分析*

楊林松，李 燚，謝東武，丁文其

(1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司, 湖北 武漢 430056；2.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；3.同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

0 引言

越來越多的大直徑過江隧道建成或正在修建中，包括上海、杭州、南京和武漢等[1]。由于大直徑和高水壓，盾構(gòu)隧道在運營階段會出現(xiàn)滲漏、錯臺、接縫張開、裂縫等情況。因此需通過監(jiān)測方案對隧道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)進行監(jiān)控預(yù)警和狀態(tài)評價，從而保證安全穩(wěn)定。隧道監(jiān)測是施工、運營階段不可或缺的部分，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，可對隧道結(jié)構(gòu)的安全性進行預(yù)警和評價。

目前對監(jiān)測方法和監(jiān)測系統(tǒng)的研究主要集中在對結(jié)構(gòu)進行全面精確的監(jiān)測，從而得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)和安全性[2]。盾構(gòu)隧道的監(jiān)測研究大多集中在隧道縱向變形、環(huán)向收斂、應(yīng)力應(yīng)變、水土壓力及溫度等方面[2-7]。王如路等[4]對上海地鐵隧道長期運營中的縱向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)提出對周邊環(huán)境的影響，對控制隧道縱向變形具有一定指導(dǎo)意義；陳基煒等[6]基于上海地鐵1號線的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析其規(guī)律性；史玉金等[7]以上海地鐵4號線隧道長期監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析隧道變形特性，并對隧道安全性進行評估；閆靜雅等[8]基于對上海地鐵25年的監(jiān)測變形數(shù)據(jù)，總結(jié)隧道縱向不均勻沉降的原因及典型特征；李長俊等[9]通過多元線性回歸分析法，對接縫張開度進行規(guī)律分析。

本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對隧道縱向變形的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律進行分析，最終對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行評價。

1 工程概況

國內(nèi)某大直徑越江盾構(gòu)隧道工程分為南、北兩線，該工程盾構(gòu)管片外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m。隧道承受的最大水壓力達0.72MPa(最高水位72.000m)，采用單層管片襯砌，環(huán)寬2m，厚600mm。采用鋼筋混凝土平板型管片結(jié)構(gòu)，每環(huán)管片由7塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊與1塊封頂塊組成。

為監(jiān)測隧道縱向變形及橫斷面的變形情況，在隧道內(nèi)布設(shè)縱向變形觀測點，如圖1所示，對隧道縱向差異沉降、橫向水平位移變形和扭轉(zhuǎn)變形進行監(jiān)測；同時選取典型斷面，布設(shè)傳感器，可監(jiān)測管片接縫張開度、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)變、水壓力、溫度等。

圖1 隧道縱向變形觀測點

2 豎向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律分析

隧道采用一系列監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道縱向、橫向斷面進行監(jiān)測。本文著眼于隧道盾構(gòu)段，基于縱向監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析隧道長期豎向變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1 整體豎向位移空間分布

基于2019年3月的監(jiān)測報告數(shù)據(jù)，以2017年3月初始監(jiān)測數(shù)據(jù)作為豎向位移變化的初始值，得到豎向位移空間分布曲線，如圖2，3所示。

圖2 北線盾構(gòu)段豎向分布曲線

圖3 南線盾構(gòu)段豎向分布曲線

從整體豎向位移數(shù)據(jù)來看，北線盾構(gòu)段豎向位移以隆起為主，最大隆起約11mm，僅靠近江北工作井的2個監(jiān)測數(shù)據(jù)為沉降值；南線盾構(gòu)段豎向位移以隆起為主，最大隆起約10mm，僅靠近江北工作井的2個監(jiān)測數(shù)據(jù)為沉降值。南北兩線的豎向位移均未達到預(yù)警值15mm，整體結(jié)構(gòu)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

從盾構(gòu)左右兩側(cè)差異沉降分布來看，北線左右兩側(cè)差異沉降在±1.5mm波動；南線左右兩側(cè)差異沉降在-1.0～1.2mm波動。盾構(gòu)左右兩側(cè)的差異沉降相對較小。

2.2 豎向位移變化規(guī)律分析

基于2017年3月—2019年4月豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取江水最深、覆土最淺的斷面(N01， S01)，隧道最低點(N02，S02)，江中風(fēng)井(N03，S03)，北線豎向隆起較大斷面(N04，S04)，對豎向位移變化規(guī)律進行分析。

如圖4所示，豎向位移初始監(jiān)測數(shù)據(jù)為向上隆起約15mm；從2017年3月—2018年6月整體處于向下位移的狀態(tài)，2018年6月達最低點，之后豎向位移呈上升趨勢。整體豎向位移在均隆起的基礎(chǔ)上，先向下位移，后向上位移。隨時間推移，豎向位移變化速率逐漸減小，整體趨于穩(wěn)定。

圖4 豎向位移-時間變化曲線

3 豎向變形安全性分析

如表1所示，根據(jù)豎向位移預(yù)警值、變化速率及DG/TJ-08—2123—2013《盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)服役性能鑒定規(guī)范》中縱斷面的相對變形允許值[k]，對盾構(gòu)隧道豎向位移安全性進行分析評價。

表1 沉降及變形監(jiān)測的安全指標(biāo)

3.1 豎向位移監(jiān)測安全指標(biāo)評價

豎向位移監(jiān)測安全指標(biāo)評價如表2所示。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測資料，豎向位移的預(yù)警值為15mm，沉降變形速率預(yù)警值U0為0.1mm/d。根據(jù)監(jiān)測安全指標(biāo)表，對隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

表2 豎向位移監(jiān)測安全指標(biāo)評價

對南北監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)2019年3月的監(jiān)測報告提取豎向位移最大值，根據(jù)初始監(jiān)測數(shù)據(jù)至最近監(jiān)測數(shù)據(jù)計算豎向位移變形速率。

由計算結(jié)果可知，南、北線豎向位移最大值均小于預(yù)警值，需進行關(guān)注，并根據(jù)后續(xù)數(shù)據(jù)判斷變形發(fā)展規(guī)律。變形速率的最大值均小于變形速率預(yù)警值，但較接近預(yù)警值，根據(jù)最近的監(jiān)測數(shù)據(jù)，南、北線變形速率分別為0.05，0.02mm/d，說明整體變形速率趨于穩(wěn)定。

3.2 縱斷面相對變形

盾構(gòu)段及連接通道縱斷面的相對變形允許值[k]按下式計算[10]：

(1)

式中：[k]取值范圍為1/15 000～1/7 500，此處[k]取1/15 000；y′為縱向變形曲線對里程的一階導(dǎo)數(shù)；y″為縱向變形曲線對里程的二階導(dǎo)數(shù)。

縱向變形曲線是以縱向沉降曲線曲率為自變量，隧道里程為因變量，按三次樣條插值繪制而成的沉降曲線曲率與里程間的函數(shù)關(guān)系[10]。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照三次樣條插值法計算盾構(gòu)隧道縱斷面相對變形，結(jié)果如圖5所示。

圖5 縱斷面相對變形

根據(jù)計算結(jié)果，南、北線的縱斷面相對變形均小于1/15 000，整體相對變形較小，整體結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)相對穩(wěn)定。

4 斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律分析

4.1 應(yīng)變與溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律分析

根據(jù)橫斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于非線性擬合，以2016年6月—2017年7月的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行規(guī)律分析。選取某一監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度、應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)呈一定周期變化，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化周期均約等于1年，如圖6所示。

圖6 斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合分析

根據(jù)材料膨脹性質(zhì)可知，溫度變化會引起材料變形，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合分析后發(fā)現(xiàn)，消除溫度變化影響后，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化非常小，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)斷面變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律分析

以2016年6月—2017年6月的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取某斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行規(guī)律分析，如圖7所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，水壓最大差值為70kPa，夏天區(qū)間水壓相對較高，冬天區(qū)段水壓相對較低，整體均在安全范圍內(nèi)變化。

圖7 監(jiān)測斷面滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)長江水文站提供的水位變化情況，如圖8所示，與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律與水位變化規(guī)律基本一致，水位最大差值為7m，相當(dāng)于最大差值水壓70kPa，與監(jiān)測數(shù)據(jù)一致。同時水位在夏天區(qū)間相對較高，冬天區(qū)間相對較低，與監(jiān)測數(shù)據(jù)一致。

圖8 隧道現(xiàn)場水文數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

1)本文基于國內(nèi)大直徑越江盾構(gòu)隧道工程的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，對隧道豎向位移進行規(guī)律性分析，發(fā)現(xiàn)在初始監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，隧道整體豎向位移首先向下位移，然后向上位移，變化速率逐漸變小，豎向位移逐漸趨于穩(wěn)定。監(jiān)測數(shù)據(jù)均在安全范圍內(nèi)變化。

2)對長期監(jiān)測數(shù)據(jù)中豎向位移的安全性進行分析，豎向位移、變形速率及縱斷面相對變形均在安全范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)整體縱向變形處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

3)斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律分析顯示溫度、應(yīng)變在1年內(nèi)呈周期性規(guī)律變化，考慮材料熱膨脹效應(yīng)后，應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化很小，說明斷面應(yīng)變也處于穩(wěn)定狀態(tài)，滲壓計監(jiān)測結(jié)果與水文數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致。