运营公路隧道纵向稳定性的长期监测研究

刘 涛

0 引言

引起隧道纵向变形的因素众多，既有隧道施工期的，又有运营期的，有系统本身的，也有周边环境变化引起的。隧道施工期的纵向变形，在连接螺栓二次预紧前已基本完成，对隧道长期结构性能影响不大;对于隧道运营期的纵向变形，除了施工期扰动土体的次固结变形外，尚有多种因素会引起隧道的纵向不均匀变形，会直接影响隧道结构的安全。

1 运营圆形隧道纵向变形的长期监测

1.1 竣工及运营初期的隧道结构纵向变形

隧道的纵向变形，尤其是差异变形是隧道地质条件、施工条件、使用条件以及其他各种因素长期影响的结果，因此隧道沉降与隧道的历史变形是密切相关的。一般在隧道竣工时，往往会产生不同程度永久性的不均匀沉降，特别是软弱复杂地层中施工的隧道沉降值较大。如图1所示为该越江隧道竣工时的沉降曲线。隧道竣工时2号井和3号井之间江中段产生了超过300 mm的沉降。

1.2 隧道结构纵向变形观测

图2，图3为近10年圆形隧道左右两侧沿隧道纵向的累积变形曲线。总体上近10年隧道的纵向变形曲线形态基本一致，且接近平行，年均变形一般不超过5 mm。这意味着目前在隧道纵向变形表现出较好的整体性，表现为整体上浮或下沉的，隧道各段之间差异变形较小，因此对隧道结构内力的影响不是很大。隧道纵向的累积变形基本上在-30 mm～30 mm之间。从目前的情况来看，隧道的纵向变形已经基本趋于稳定。

从圆形隧道的各部分来看，4号井～3号井段由于其下卧层为粘质粉土或粉砂与淤泥质黏土互层(接近砂性土)的土层，因此隧道的纵向变形比较稳定，且累积变形量不大，曲线形态较为平缓，隧道有轻微的上浮现象，上浮10 mm左右。但左侧曲线在200环左右产生了约15 mm的沉降(见图3中A点)，且该位置的曲率半径也相对较小，为40 000 m左右，因此该处隧道衬砌环向接头可能会产生较大张开度，从而产生渗漏情况。

3号井～2号井为圆形隧道的江中段，此段隧道纵向表现为较为明显的整体上浮，上浮量达30 mm～40 mm，这可能是由于江水的冲刷导致隧道覆土厚度减小，以及黄浦江水位变化导致浮力增大等原因引起的。同样在580 m左右隧道的沉降较大(见图2中 B点)，曲率半径较小约为 35 000 m。从850 m左右至 2号井隧道下卧层为松软的淤泥质粉质黏土，土性变化剧烈，地质条件复杂。而且经调查2号井以东第70环隧道上方覆土原为15 m，地表曾经为一约30 m×50 m的洼地，自1970年隧道通车后，在1973年～1987年间对该洼地进行了平整处理，期间进行了4次土方填筑和混凝土层铺筑，每次地表单位面积的荷载增量约为10 kPa～20 kPa，4次总共约为70 kPa，当时的实测显示每次加荷后沉降约增加20 mm～40 mm，4次加载后总沉降增量为110 mm。因此该段隧道的纵向变形较为剧烈，在200 m的长度上隧道纵向发生了近60 mm的差异变形，造成隧道管片的错动和接头张开，这由初步调查情况中2号井东侧部分管片出现较为严重的错动，最大达到6 cm～7 cm和113环变形缝牛腿至管片发生撕裂得到了充分印证。同时该处的曲率半径也为35 000 m左右(见图3中C点)。

2号井～1号井为隧道浦西岸边段，在隧道1号井以东80 m的范围内，最大沉降增量达60 mm，出现严重的纵向不均匀沉降。这主要是由于采用沉井法施工隧道1号井下卧土层松软且地层复杂，而且与邻近圆形隧道段不同，因而导致1号井沉降远大于隧道的沉降。不仅造成隧道的挠曲发生环向裂缝，而且使竖井与隧道的接头发生错动开裂。

1.3 隧道结构纵向差异变形分析

图4～图6给出了圆形隧道1996年和2006年的沉降曲线曲率，由图4～图6可知总体上隧道沉降曲线曲率存在较大增长，即其差异沉降在逐渐增大。分段分析圆形盾构段在4号竖井～2号竖井之间的曲线曲率较小，平均为1.0×10-3mm-1左右，靠近竖井处的差异沉降较区间隧道大。2号竖井～1号竖井区间的曲率较大，其曲率平均为2.0×10-3mm-1左右，最大达到7.5×10-3mm-1，因此此段隧道的差异沉降较大，易引起隧道的环向接头及隧道与竖井接头位置开裂。

1.4 隧道结构纵向变形与渗漏关系

将圆形段隧道沉降曲率曲线及纵向沉降曲线与渗漏统计结果做比较，可以得到沉降及曲率较大区段与隧道渗漏较为集中区段的对应关系。

在整个隧道沉降最为严重的960 m～1 280 m区段(010环～370环，即1号井～2号井)隧道的渗漏情况非常严重，目前圆形隧道段超过1/2以上的渗漏点集中在此300 m左右区域内，其曲率的平均值比较大，最小的曲率半径仅为143 m。另外，呈现明显整体上浮趋势在江中段440 m～680 m(780环～960环)存在一个纵向长220 m左右，沉降量超过6 cm左右的沉降槽，通过检测，同样发现此区段是除1号井～2号井区段外，圆形隧道段渗漏点最为集中的区域，该段沉降曲率也比较大，最小的曲率半径达到321.5 m。除上述情况外，江中段680 m～880 m区段及360 m～400 m(3号井附近)隧道明显上浮超过5 cm，同时这两个区域的渗漏点也相对较多。

通过圆形隧道纵向变形与渗漏情况的相关性分析，可以看出在隧道纵向变形较为剧烈的区域，隧道的渗漏情况同样较为严重，这可能是由于隧道的纵向变形导致了隧道环纵缝张开度的增大，隧道渗漏加剧;而同时由于隧道的渗漏，造成隧道结构周围水土流失进而又加剧了隧道的纵向变形，形成恶性循环对隧道的稳定带来了极为不利的影响。取隧道左右测点曲率半径较小的值，以每10环作为一个统计单位，隧道总的集中渗漏点共计 66处，分析结果如下:当隧道曲率半径ρ＜584.0 m时，发生渗漏的隧道集中区为40个，占总渗漏集中点的60.6%;当隧道曲率半径584.0 m＜ρ＜800.0 m时，发生渗漏的集中区为12个，占总渗漏集中点的18.2%;当隧道曲率半径800.0 m＜ρ＜1 000.0 m时，发生渗漏的集中区为8个，占总渗漏集中点的12.1%;当隧道曲率半径ρ＞1 000.0 m时，发生渗漏的集中区为6个，占总渗漏集中点的9.1%。综合分析结果可认为当隧道的曲率半径ρ＜1 000 m时，隧道环缝张开量就有可能超过环缝止水材料的极限张开量，隧道发生集中渗漏的概率就会比较大。

2 结语

1)隧道的长期纵向变形在隧道运营初期变化较剧烈，且受隧道周围土体本身固结沉降影响较大，此过程一般要持续较长时间隧道才能趋于稳定。

2)在隧道运营过程中，外部荷载对隧道纵向变形易造成突发性影响，对隧道的纵向稳定性不利。

3)隧道纵向变形差异变形是影响隧道结构渗漏的主要原因，结构的纵向变形特性和隧道渗漏水状态存在较为密切的相关性。纵向变形易导致衬砌环向接头的张开度增大，引起渗漏，同时渗漏又导致隧道继续产生纵向不均匀变形，二者相互影响。

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