運營期沉管隧道沉降變形分析

史志想，吳華勇，文水兵

（1.上海市建筑科學研究院有限公司，上海市200032；2.上海市工程結構安全重點實驗室，上海市200032）

0 引 言

沉管隧道由于在環境適應性、施工難度和成本造價等方面具有一定的優勢，自1894 年美國波士頓首條沉管隧道[1]建成使用以來，在全世界范圍內得到了大量應用。到目前為止，全世界已經投入運營的沉管隧道已經超過150 座[2]，特別是我國港珠澳大橋中沉管隧道工程的應用為該技術的研究和推廣提供了一個良好的技術范本[3-4]。

隨著沉管隧道運營年限的增加，周邊環境的影響、材料的老化退化，以及日益增加的交通荷載，導致大量沉管隧道因為性能退化而進入高維修階段。國內現有的標準體系和評價標準主要針對鉆爆法施工的山嶺隧道，而對于沉管隧道運營階段的檢測內容和評價方法研究很少。沉管隧道作為長距離的線狀基礎設施，對于不均勻沉降尤為敏感。由于結構特點差異，沉管隧道的沉降發展規律與盾構隧道存在一定的區別[5]。沉管隧道的抗浮系數比較小，所以往往較多地考慮隧道的上浮，而忽視隧道沉降效應[6]。運營實測數據顯示，沉管隧道的沉降發展非常顯著。

本文基于某沉管隧道16 a 的沉降監測數據，對于在役沉管隧道的沉降變形規律進行分析研究。

1 工程背景

某沉管隧道自1999 年12 月28 日開工，于2003年6 月21 日正式建成通車，采用雙向8 車道，設計時速80 km/h。隧道沉管段全長736 m，共分為7 節管節。各段的名稱及名義長度分布為：E1（108 m），E2（104 m），E3（100 m），E4（100 m），E5（108 m），E6（108 m），E7（108 m）。

隧道平面分布見圖1。沉管橫斷面外部尺寸為9.55 m×43 m，沉管段采用框架式鋼筋混凝土結構，管節間采用柔性連接，接頭防水采用GINA 和OMEGA 雙層止水帶。

圖1 隧道平面分布圖

隧道標準橫斷面見圖2。

圖2 隧道標準橫斷面圖（單位：mm）

沉管隧道預制管段沉放對接結束后，需對其管底進行基礎處理。在軟土高回淤河床條件下，對于無樁基基礎的管段，基礎處理一般采用灌砂法。在上述沉放工藝順序完成后，通過水上灌砂作業船，利用管段內已預留的直徑200 mm 管道，向已沉管段底和基槽底之間實施分批灌砂，使已沉管段坐落在較為密實的砂盤基礎之上。

為掌握隧道的長期沉降發展規律，隧道建成后分別在隧道南孔、北孔設置了116 個、119 個沉降觀測點（測點編號及位置示意見圖3），對該隧道沉降情況進行長期監測。從2003 年至2011 年間基本按每月1 次進行沉降測量；從2012 年至今，按每季度1次進行沉降監測。截至2019 年6 月，北孔、南孔已分別進行過135、136 次沉降觀測。在沉降規律上南北孔具有一定的相似性，本文重點以南孔為例，對隧道監測數據進行分析。

圖3 隧道測點布置示意圖

2 隧道整體沉降測量結果與分析

截至2019 年第2 季度，從2003 年10 月6 日以來，南孔隧道各沉管累計沉降情況如下：隧道整體呈沉降趨勢，各管節間沉降不均勻，中間管節E3～E6累計沉降較大，兩端累計沉降較小。隧道沉降縱向分布圖見圖4。

圖4 隧道南孔各區間結構累計沉降分布

數據分析顯示，黃浦江兩側引道段和暗埋段主要表現為整體沉降，最大沉降量為-34.8 mm，局部范圍存在輕微上抬現象，最大量未超過13 mm。

沉管管節沉降測點累計沉降量為-283.4～48.3 mm。其中E4～E6 共3 個沉管的所有測點累計沉降量均大于100 mm，而E6 沉管浦西端測點（近E5 沉管端）的累計沉降量最大，為-283.4 mm，該測點位于隧道E6-2 沉管管節，距離最終接頭邊緣約1.8 m（最終接頭2.5 m 區域內未設置測點）。這主要是隧道施工時江中最終接頭位于E6-2 管節與E6-1 管節之間（由西向東方向距E6 與E5 管節縫3.5～6 m 范圍），由于最終接頭區域回淤比較嚴重，基礎處理較差，導致此處附近測點沉降較大。

E1 管節東端及E2 管節均存在不同程度的累計上抬，最大上抬量為48.3 mm，位于E1～E2 管節縫處。該處為水位最低的航道處，這應是管節覆土發生變化及管節發生相對不均勻沉降而產生端部翹曲所致。

3 隧道沉降穩定性分析

在上述分析基礎上對隧道南孔的沉降穩定性進行進一步分析。

由于隧道測點高程受潮汐、溫度影響較大，所以在分析歷年高程數據時，選取測量時潮位及溫度接近的測量月份數據進行對比，以盡可能排除潮汐、溫度影響。同時，為了分析隧道沉降速率的變化規律，分別求得2013 年4 月至2016 年3 月、2016 年3 月至2019 年4 月的沉降量及對應的沉降速率。 隧道南孔近6 a 高程的沉降速率變化分布圖見圖5。

圖5 隧道南孔近6 a 高程的沉降速率的變化分布圖

從2016 年3 月至2019 年4 月近3 a 時段內，黃浦江浦西引道段、浦西暗埋段、浦東引道段、浦東暗埋段沉降點沉降量分別為-5.639～1.838 mm、-2.523～4.645 mm、-5.553～-2.453 mm、0.128～3.077 mm，沉降速率分別為-0.005～0.002 mm/d、-0.002～0.004 mm/d、-0.005～-0.002 mm/d、0～0.003 mm/d，小于《地基基礎設計規范》（DGJ 08-11—2010）提出的沉降穩定判定值（0.01 mm/d），表明該時段內引道段及暗埋段沉降已趨于穩定。

沉管段E1～E7 管節基本呈沉降趨勢，沉降速率為-0.001～-0.015 mm/d，其中E5 與E6 管節接頭處4 個測點的沉降速率為-0.011～-0.015 mm/d，略超過規范限值，其他位置則均小于沉降穩定判定值0.01 mm/d，可以認為沉降趨于穩定。

進一步比較圖5 中2 個時段的沉降速率情況。2016 年3 月～2019 年4 月近3 a 時段內隧道南孔各測點沉降速率較2013 年4 月～2016 年3 月近3 a 時段內的沉降速率基本呈減小趨勢，表明其沉降狀況趨緩。

E2、E3 管節整體及E1、E4 管節局部出現上抬，近3 a 上抬量為1.076～14.429 mm；上抬速率為0.001～0.014 mm/d，其中上抬速率為0.014 mm/d 的測點位于E2 管節中部。

進一步分析E2 管節歷年沉降的變化趨勢（見圖6）。南孔E2 沉管管節總體表現為早期先下沉，近10 a 表現為上抬，E2 管節的上抬量由黃浦江浦西端向浦東端逐漸減小，但是近6 a 整體上抬趨勢趨緩，累計上抬量基本穩定在50 mm 以下。進一步結合河床覆土厚度比較，可以發現該時段內E1、E2 沉管管節的覆土厚度幾乎保持不變。由此可見，管節上抬趨勢整體處于穩定狀態。

圖6 南孔E2 沉管管節2003 年10 月6 日以來歷年累計沉降變化圖

4 隧道差異沉降分析

對于沉管隧道，如果相鄰管節之間的差異沉降過大，可能導致剪力鍵過大而使沉管管節出現破損，甚至出現滲水病害。針對南孔各相鄰沉管管節間的差異沉降分析如圖7 所示?？傮w來看，近10 a 來，各管節之間的累計差異沉降量基本穩定，各管節之間存在少量的差異沉降，累計差異沉降量基本在10 mm以內變化。從相鄰監測期的數據來看，相鄰管節之間的差異沉降不明顯，其中E7 管節和暗埋段之間的差異沉降在近5 a 來整體趨于穩定。

圖7 南孔各相鄰沉管管節間歷年累計差異沉降變化圖

5 沉管管節自身豎向彎曲變形分析

根據2003 年10 月初始監測數據與2019 年4月的隧道沉降監測數據，計算各沉管管節測點的相對沉降值，并據此繪制南、北孔相對沉降曲線（見圖8～圖14），得到各管節中部測點相對端部的豎向變形值，分析各管節自身縱向的豎向彎曲變形。

圖8 E1 管節豎向彎曲變形圖

圖14 E7 管節豎向彎曲變形圖

隧道南、北孔測點的相對沉降值均以該沉管管節南孔浦西端測點為基準點。

由圖8 可知，E1 沉管管節縱向呈“兩端高、中間低”的盆式豎向彎曲變形狀態，且北孔沉降比南孔沉降大，變形量最大值為31.69 mm。

由圖9 可知，E2 沉管管節縱向沉降由浦西向浦東增大，管節內豎向彎曲變形量最大值為10.29 mm，且沉管縱向基本呈“前部下撓、后部上拱”的彎折變形狀態。

圖9 E2 管節豎向彎曲變形圖

由圖10 可知，E3 沉管管節縱向沉降由浦西向浦東增大，管節內豎向彎曲變形量最大值為21.14 mm，且沉管浦東側縱向呈“輕微上拱”的豎向彎曲變形狀態。

圖10 E3 管節豎向彎曲變形圖

由圖11 可知，E4 沉管管節縱向呈“兩端高、中間低”的盆式豎向彎曲變形狀態，且南孔沉降比北孔大，變形量最大值為38.83 mm。

圖11 E4 管節豎向彎曲變形圖

由圖12 可知，E5 沉管管節縱向沉降由浦西向浦東增大，管節內豎向彎曲變形量最大值為45.5 mm，且沉管管節縱向基本呈“上拱”的豎向彎曲變形狀態。

圖12 E5 管節豎向彎曲變形圖

由圖13 可知，E6 沉管管節縱向沉降由浦西向浦東減小，管節內豎向彎曲變形量最大值為45.48 mm，且沉管管節縱向基本呈“上拱”的豎向彎曲變形狀態。

圖13 E6 管節豎向彎曲變形圖

由圖14 可知，E7 沉管管節縱向呈“兩端高、中間低”的盆式豎向彎曲變形狀態，變形量最大值為52.24 mm，且為諸多沉管管節中的最大變形量。

綜上所述，南北孔各管節的內部彎曲形態基本一致。因為不均勻沉降導致的管節內部豎向彎曲必然影響管節的受力性能，尤其是E2 管節局部出現反彎點，導致其受力更加復雜。管內姿態的不同也會影響地基剛度的分布，加上經過多年運營后接頭狀態的退化和變異，會進一步改變各管節的受力狀態。因此對于沉管隧道的性能分析需要考慮不均勻沉降發展規律和自身彎曲狀態的綜合效應，同時結合各個管節對應的表觀病害進行關聯分析。

6 管節接頭兩側沉管扭轉變形分析

根據2003 年10 月至2019 年4 月的隧道沉降監測數據，計算各管節接頭兩側沉管端部斷面測點的相對沉降值，并據此繪制各管節接頭兩側的相對沉降曲線，以分析管節接頭兩側沉管是否存在橫向扭曲變形。測點的相對沉降值均以該沉管管節南孔浦西端測點為基準點。4# 節段縫兩側沉管橫向累計相對沉降差（相對2003 年10 月）見圖15。

由圖15 可知，4# 節段縫兩側沉管目前未發生明顯的橫向扭轉沉降變形。

圖15 管節接頭兩側沉管橫向累計相對沉降差變形圖

7 結 語

沉管隧道的沉降受到地基剛度分布、覆土厚度以及周邊環境的影響而具有很大的不確定性。對于隧道沉降發展規律的分析和性能評價，需要綜合考慮隧道沉降縱向整體分布規律、沉降速率的穩定性和隧道差異沉降分布規律。隧道姿態的變化會導致沉管隧道各管節處于不同形態的自身豎向彎曲狀態，從而進一步加劇管節受力的復雜性。本文基于長期沉降監測數據，對某沉管隧道的安全性能進行系統分析，得出該隧道沉降發展整體趨于穩定的結論。