河底隧道常見病害原因的有限元分析

康偉樂 谷任國

（華南理工大學，廣東 廣州 510641）

0 引言

隧道工程一直以來都扮演著連接城市、促進交通發展和經濟繁榮的重要角色[1]。然而，由于復雜的地質條件、施工限制和長期使用等因素，隧道結構可能面臨著各種問題，如不均勻沉降和細微裂縫等。這些問題可能會對隧道的安全性和可持續性產生影響，因此需要深入研究和解決。本文通過對某隧道工程的監測和有限元分析，研究隧道不均勻沉降及細微裂縫的成因，以及時發現和解決隧道工程中的問題，并為類似工程的設計和施工提供技術指導。

1 工程概況

1.1 隧道概況

隧址區所處海峽平直、淺平，地勢低平。河底隧道走向近軸向，占地面積（500×50）㎡，所處江面寬約500m，水深約0.7～3.8m。場區原地貌單元屬丘陵濱海平原亞區，附近最高點高程為457.1m。

隧道為多管道鋼筋混凝土結構，其標準橫斷面見圖1，從左到右依次為人行管道、設備管道和兩個行車管道，結構形式主要為沿隧道方向走向的連續樁基礎，樁基礎以上為多段形狀大小相近的混凝土箱型結構，各結構段之間以伸縮縫分隔，隧道整體結構剛性大。

圖1 隧道標準橫斷面圖

1.2 工程地質和水文地質條件

結合周邊地形地貌及勘察報告，隧址區位于同一個工程地質單元，土層按自上而下分布如下：

（1）細砂：灰褐色、灰黃色，層厚1.10~7.60m，層位呈透鏡狀或不連續層狀分布，飽和，稍密，局部松散。

（2）淤泥：深灰色、灰黑色，層厚3.90~17.30m，分布廣泛，呈層狀分布，飽和，流塑，含有少量有機質或腐質物，土質細膩，切面光滑，底部見粉砂及少量貝殼碎片，局部夾薄層粉細砂，為高壓縮性土。

（3）黏土：褐黃色、褐紅色夾灰白色，層厚0.90~17.90m，場地內均有分布，軟塑，主要由黏粒組成，含少量粉粒、砂粒。

（4）淤泥質黏土：深灰色，層厚0.90~14.50m，場地內均有分布，飽和，流～軟塑，含有機質或腐植質，土質細膩，切面光滑，局部含較多粉砂及少量貝殼碎片，局部夾薄層粉細砂。

（5）中粗砂：灰褐色，褐黃色、灰白色，層厚0.80~15.50m，呈不連續層狀或透鏡狀分布，場地內大部分地段有揭露，稍密～中密，主要由中、粗砂組成，泥質充填，分選性一般。

（6）礫砂：灰褐色，褐黃色、灰白色，層厚1.50~28.50m，場地內大部分地段有揭露，呈不連續層狀或透鏡狀分布，分選性差，砂粒含量約80%。

（7）砂質黏性土：褐黃色、褐紅色等，層厚1.00～30.80m，該層在場地內大部鉆探均有揭露，砂質黏性土為主，局部為礫質黏性土，厚度變化大，可塑，屬花崗巖風化殘積土，主要由黏粒和石英砂組成。

（8）全風化花崗巖：呈褐黃色、肉紅色、灰白色等，層厚1.00~20.70m，呈層狀分布，大部分鉆孔有揭露，部分地段呈透鏡狀分布，多呈硬土狀，巖石結構已破壞，長石風化成土狀，浸水易崩解。

（9）強風化花崗巖：黃褐色，層厚0.70~14.00m，分布連續，巖芯呈土柱狀或半巖半土狀，巖石結構大部已風化破壞，巖質軟，強度差，手易折斷，浸水易軟化崩解。

隧址穿越的水道，地表水主要為大氣降水形成地表徑流水，魚塘水、潮汐海水等。海水深度0.70~3.80m。其水位隨季節不同變化明顯。地下水水位0.80~2.50m，地下水位隨季節不同變化明顯，每年5~10月為雨季，大氣降水充沛，水位會明顯上升，而在冬季，降雨減少地下水位隨之下降，年變化幅度2.50~3.20m。

2 監測結果

隧道運營期間，對隧道的剛體位移、應力應變和整體及局部沉降變化進行持續監測，并定期對隧道內部進行目視檢測。監測報告顯示隧道多處可見細微裂縫與水漬，部分結構段不均勻沉降較大，且結構段間沉降縫處測得兩結構段沿隧道向、豎直向相對位移，并測得部分位置出現高應變。本文選取較為典型的第九結構段進行分析，第九結構段處于隧道轉彎處，同時沿隧道有高程變化。

應變計位于隧道的每個管道內頂板跨中位置，根據監測所得數據，錄得應變變化基本隨溫度而改變，但同時亦反映部份位置出現由于溫度變化以外原因所造成的正或負應變：大部份監測位置的變化幅度未有超出預設的±400με 警戒值，但第九結構段長期應變變化維持警報值范圍(±600με)，且有部分位置的應變變化于2018 年底開始增長，現階段已錄得超越行動值的-910με，數據反映其應變變化出現明顯的持續增長趨勢。分析數據變化，未有發現任何兩個位置的應變變化與環境溫度變化有明顯的關系。

根據目視檢測報告，第九結構段出現輕微開裂，開裂位置的表面出現水漬，部份位置表面的銹跡明顯。設備管道內，已出現多處明顯的結構裂縫，部份裂縫出現略微擴大。行車管道路面出現開裂及剝離等損壞現象，出現損壞的情況尤其于伸縮縫位置較明顯。

根據沉降監測結果，第九結構段各位置出現了不同程度的沉降，并有輕微不均勻沉降。隧道內側沉降平均值為4.90mm，隧道外側沉降平均值為5.93mm。

3 有限元分析

3.1 模型建立

根據該工程的實際情況和特點，針對出現高應變隧道段采用MIDAS-GTS軟件進行三維有限元分析。

模型總體計算區域的選取，在參閱相關文獻，結合實踐經驗，取隧道外輪廓幾何尺寸的3~5 倍，豎向直徑超過2 倍樁深度。本模型水平寬度145m，豎向厚度150m，沿隧道方向厚度同AM09 結構段長度60m，整體隨結構段拐彎成弧形。側面加水平向約束，底部加豎向約束，頂面為自由面。網格模型見圖2 所示，其中土體與隧道均采用實體單元，而灌注樁采用一維梁單元[2]。該模型內力計算采用地層結構法。

圖2 網格模型圖

3.2 力學參數

根據該隧道勘察報告及相關資料規范，確定有限元計算的材料本構關系及物理力學參數。隧道和灌注樁均按照C45 混凝土選取參數計算，即本構模型為彈性模型，彈性模量取3.40E+07kPa，泊松比取0.2，容重為25kN/m3。各土層的參數選取見表1所示。

表1 土層物理力學參數

3.3 計算工況

有限元模型模擬與實際情況相同的明挖法施工，在計算中施工步驟分為以下5步：

step1：初始狀態計算，即地應力平衡；

step2：支護結構施工；

step3：基坑開挖施工；

step4：隧道澆筑施工；

step5：上覆土回填。

該模型忽略基坑支護結構水平向位移，即采用水平向約束代替內支撐限制支護結構位移。根據施工情況，回填土土壓力采用水土分算。土體回彈過程通過逐步卸荷模擬。

3.4 計算結果與分析

獲取有限元模型的隧道沉降結果，四角高程差異最大值為0.7mm，也存在一定的不均勻沉降，與監測結果相近。但考慮到結構長達60m，扭轉對隧道造成的影響可忽略不計。筆者認為不均勻沉降是由于該結構段轉彎同時帶有坡度的影響，沿隧道方向各點受到土體卸載回彈力大小不同，所受的土壓力也不同，因此導致沉降結果不盡相同。統計隧道監測點位置的沉降，得到內側平均沉降為4.89mm，外側平均沉降為5.88mm，與監測結果接近，說明該模型具有可靠性。

對于水下隧道，控制結構外側的拉應力十分重要，因為混凝土在受拉側容易帶裂縫工作，而這種裂縫如果出現在隧道外側，會導致海水進入結構，腐蝕鋼筋甚至隧道內部結構。根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010），混凝土結構構件主拉應力，應符合下列規定：

（1）一級裂縫控制等級構件拉應力應滿足：

（2）二級裂縫控制等級構件拉應力應滿足：

該工程隧道采用C45混凝土，立方體抗壓強度ftk=2.51MPa，當采用一級裂縫控制等級，拉應力應小于0.85ftk= 2.13MPa。

第九結構段頂板應力分布如圖3所示，圖3中藍色為拉應力，紅色為壓應力。右側兩個管道為行車道，兩行車道中隔墻上頂板出現較大拉應力，部分已超過1.5MPa，所以該中隔墻上方容易出現裂縫情況。兩個行車管道左側的為設備管道，其頂板同樣出現拉應力，最大1.2MPa，根據目視檢測報告滲水情況，實際拉應力可能更大。

圖3 有限元模型隧道頂板應力分布圖

第九結構段底板應力分布如圖4 所示。由于隧道整體重量小于挖去土體重量，隧道下方土體卸載回彈，隧道整體上浮，計算結果顯示，鉆孔灌注樁全部為抗拔樁，隧道與灌注樁連接處受到向下拉力，使底板在樁附近產生拉應力。由圖4 可知，設備管道底部樁位附近拉應力可達到3.5MPa 以上，兩行車道中隔墻下方的平均總拉應力也達到2.6MPa，均大于規范要求的二級裂縫控制等級的構件拉應力，很可能會拉裂外側混凝土，這是出現水漬的原因之一。另外，隧道外側外墻由于抗拔樁而出現一條拉應力帶，在圖4 中顯示為黃色，該區域拉應力普遍在0.9MPa 以上，可能成為墻身有水漬的原因。

圖4 有限元模型隧道底板應力分布圖

4 結束語

利用MIDAS有限元軟件建立河底隧道的三維有限元模型，對河底隧道的開裂滲水等病害原因進行分析，結論如下：

（1）經對比分析，河底隧道沉降監測結果與有限元模型計算結果基本一致；

（2）隧道走線在轉彎同時下坡，隧道高程發生變化，使隧道不同位置所受合力不同，是隧道出現輕微不均勻沉降的原因之一；

（3）隧道下方土體的卸載回彈導致隧道上浮，灌注樁為抗拔樁，隧道底板與灌注樁連接處以及頂板的設備管道上方、行車管道中隔墻上方受拉，是隧道出現細微裂縫原因之一。