运营期沉管隧道沉降变形分析

史志想，吴华勇，文水兵

（1.上海市建筑科学研究院有限公司，上海市200032；2.上海市工程结构安全重点实验室，上海市200032）

0 引 言

沉管隧道由于在环境适应性、施工难度和成本造价等方面具有一定的优势，自1894 年美国波士顿首条沉管隧道[1]建成使用以来，在全世界范围内得到了大量应用。到目前为止，全世界已经投入运营的沉管隧道已经超过150 座[2]，特别是我国港珠澳大桥中沉管隧道工程的应用为该技术的研究和推广提供了一个良好的技术范本[3-4]。

随着沉管隧道运营年限的增加，周边环境的影响、材料的老化退化，以及日益增加的交通荷载，导致大量沉管隧道因为性能退化而进入高维修阶段。国内现有的标准体系和评价标准主要针对钻爆法施工的山岭隧道，而对于沉管隧道运营阶段的检测内容和评价方法研究很少。沉管隧道作为长距离的线状基础设施，对于不均匀沉降尤为敏感。由于结构特点差异，沉管隧道的沉降发展规律与盾构隧道存在一定的区别[5]。沉管隧道的抗浮系数比较小，所以往往较多地考虑隧道的上浮，而忽视隧道沉降效应[6]。运营实测数据显示，沉管隧道的沉降发展非常显著。

本文基于某沉管隧道16 a 的沉降监测数据，对于在役沉管隧道的沉降变形规律进行分析研究。

1 工程背景

某沉管隧道自1999 年12 月28 日开工，于2003年6 月21 日正式建成通车，采用双向8 车道，设计时速80 km/h。隧道沉管段全长736 m，共分为7 节管节。各段的名称及名义长度分布为：E1（108 m），E2（104 m），E3（100 m），E4（100 m），E5（108 m），E6（108 m），E7（108 m）。

隧道平面分布见图1。沉管横断面外部尺寸为9.55 m×43 m，沉管段采用框架式钢筋混凝土结构，管节间采用柔性连接，接头防水采用GINA 和OMEGA 双层止水带。

图1 隧道平面分布图

隧道标准横断面见图2。

图2 隧道标准横断面图（单位：mm）

沉管隧道预制管段沉放对接结束后，需对其管底进行基础处理。在软土高回淤河床条件下，对于无桩基基础的管段，基础处理一般采用灌砂法。在上述沉放工艺顺序完成后，通过水上灌砂作业船，利用管段内已预留的直径200 mm 管道，向已沉管段底和基槽底之间实施分批灌砂，使已沉管段坐落在较为密实的砂盘基础之上。

为掌握隧道的长期沉降发展规律，隧道建成后分别在隧道南孔、北孔设置了116 个、119 个沉降观测点（测点编号及位置示意见图3），对该隧道沉降情况进行长期监测。从2003 年至2011 年间基本按每月1 次进行沉降测量；从2012 年至今，按每季度1次进行沉降监测。截至2019 年6 月，北孔、南孔已分别进行过135、136 次沉降观测。在沉降规律上南北孔具有一定的相似性，本文重点以南孔为例，对隧道监测数据进行分析。

图3 隧道测点布置示意图

2 隧道整体沉降测量结果与分析

截至2019 年第2 季度，从2003 年10 月6 日以来，南孔隧道各沉管累计沉降情况如下：隧道整体呈沉降趋势，各管节间沉降不均匀，中间管节E3～E6累计沉降较大，两端累计沉降较小。隧道沉降纵向分布图见图4。

图4 隧道南孔各区间结构累计沉降分布

数据分析显示，黄浦江两侧引道段和暗埋段主要表现为整体沉降，最大沉降量为-34.8 mm，局部范围存在轻微上抬现象，最大量未超过13 mm。

沉管管节沉降测点累计沉降量为-283.4～48.3 mm。其中E4～E6 共3 个沉管的所有测点累计沉降量均大于100 mm，而E6 沉管浦西端测点（近E5 沉管端）的累计沉降量最大，为-283.4 mm，该测点位于隧道E6-2 沉管管节，距离最终接头边缘约1.8 m（最终接头2.5 m 区域内未设置测点）。这主要是隧道施工时江中最终接头位于E6-2 管节与E6-1 管节之间（由西向东方向距E6 与E5 管节缝3.5～6 m 范围），由于最终接头区域回淤比较严重，基础处理较差，导致此处附近测点沉降较大。

E1 管节东端及E2 管节均存在不同程度的累计上抬，最大上抬量为48.3 mm，位于E1～E2 管节缝处。该处为水位最低的航道处，这应是管节覆土发生变化及管节发生相对不均匀沉降而产生端部翘曲所致。

3 隧道沉降稳定性分析

在上述分析基础上对隧道南孔的沉降稳定性进行进一步分析。

由于隧道测点高程受潮汐、温度影响较大，所以在分析历年高程数据时，选取测量时潮位及温度接近的测量月份数据进行对比，以尽可能排除潮汐、温度影响。同时，为了分析隧道沉降速率的变化规律，分别求得2013 年4 月至2016 年3 月、2016 年3 月至2019 年4 月的沉降量及对应的沉降速率。 隧道南孔近6 a 高程的沉降速率变化分布图见图5。

图5 隧道南孔近6 a 高程的沉降速率的变化分布图

从2016 年3 月至2019 年4 月近3 a 时段内，黄浦江浦西引道段、浦西暗埋段、浦东引道段、浦东暗埋段沉降点沉降量分别为-5.639～1.838 mm、-2.523～4.645 mm、-5.553～-2.453 mm、0.128～3.077 mm，沉降速率分别为-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《地基基础设计规范》（DGJ 08-11—2010）提出的沉降稳定判定值（0.01 mm/d），表明该时段内引道段及暗埋段沉降已趋于稳定。

沉管段E1～E7 管节基本呈沉降趋势，沉降速率为-0.001～-0.015 mm/d，其中E5 与E6 管节接头处4 个测点的沉降速率为-0.011～-0.015 mm/d，略超过规范限值，其他位置则均小于沉降稳定判定值0.01 mm/d，可以认为沉降趋于稳定。

进一步比较图5 中2 个时段的沉降速率情况。2016 年3 月～2019 年4 月近3 a 时段内隧道南孔各测点沉降速率较2013 年4 月～2016 年3 月近3 a 时段内的沉降速率基本呈减小趋势，表明其沉降状况趋缓。

E2、E3 管节整体及E1、E4 管节局部出现上抬，近3 a 上抬量为1.076～14.429 mm；上抬速率为0.001～0.014 mm/d，其中上抬速率为0.014 mm/d 的测点位于E2 管节中部。

进一步分析E2 管节历年沉降的变化趋势（见图6）。南孔E2 沉管管节总体表现为早期先下沉，近10 a 表现为上抬，E2 管节的上抬量由黄浦江浦西端向浦东端逐渐减小，但是近6 a 整体上抬趋势趋缓，累计上抬量基本稳定在50 mm 以下。进一步结合河床覆土厚度比较，可以发现该时段内E1、E2 沉管管节的覆土厚度几乎保持不变。由此可见，管节上抬趋势整体处于稳定状态。

图6 南孔E2 沉管管节2003 年10 月6 日以来历年累计沉降变化图

4 隧道差异沉降分析

对于沉管隧道，如果相邻管节之间的差异沉降过大，可能导致剪力键过大而使沉管管节出现破损，甚至出现渗水病害。针对南孔各相邻沉管管节间的差异沉降分析如图7 所示。总体来看，近10 a 来，各管节之间的累计差异沉降量基本稳定，各管节之间存在少量的差异沉降，累计差异沉降量基本在10 mm以内变化。从相邻监测期的数据来看，相邻管节之间的差异沉降不明显，其中E7 管节和暗埋段之间的差异沉降在近5 a 来整体趋于稳定。

图7 南孔各相邻沉管管节间历年累计差异沉降变化图

5 沉管管节自身竖向弯曲变形分析

根据2003 年10 月初始监测数据与2019 年4月的隧道沉降监测数据，计算各沉管管节测点的相对沉降值，并据此绘制南、北孔相对沉降曲线（见图8～图14），得到各管节中部测点相对端部的竖向变形值，分析各管节自身纵向的竖向弯曲变形。

图8 E1 管节竖向弯曲变形图

图14 E7 管节竖向弯曲变形图

隧道南、北孔测点的相对沉降值均以该沉管管节南孔浦西端测点为基准点。

由图8 可知，E1 沉管管节纵向呈“两端高、中间低”的盆式竖向弯曲变形状态，且北孔沉降比南孔沉降大，变形量最大值为31.69 mm。

由图9 可知，E2 沉管管节纵向沉降由浦西向浦东增大，管节内竖向弯曲变形量最大值为10.29 mm，且沉管纵向基本呈“前部下挠、后部上拱”的弯折变形状态。

图9 E2 管节竖向弯曲变形图

由图10 可知，E3 沉管管节纵向沉降由浦西向浦东增大，管节内竖向弯曲变形量最大值为21.14 mm，且沉管浦东侧纵向呈“轻微上拱”的竖向弯曲变形状态。

图10 E3 管节竖向弯曲变形图

由图11 可知，E4 沉管管节纵向呈“两端高、中间低”的盆式竖向弯曲变形状态，且南孔沉降比北孔大，变形量最大值为38.83 mm。

图11 E4 管节竖向弯曲变形图

由图12 可知，E5 沉管管节纵向沉降由浦西向浦东增大，管节内竖向弯曲变形量最大值为45.5 mm，且沉管管节纵向基本呈“上拱”的竖向弯曲变形状态。

图12 E5 管节竖向弯曲变形图

由图13 可知，E6 沉管管节纵向沉降由浦西向浦东减小，管节内竖向弯曲变形量最大值为45.48 mm，且沉管管节纵向基本呈“上拱”的竖向弯曲变形状态。

图13 E6 管节竖向弯曲变形图

由图14 可知，E7 沉管管节纵向呈“两端高、中间低”的盆式竖向弯曲变形状态，变形量最大值为52.24 mm，且为诸多沉管管节中的最大变形量。

综上所述，南北孔各管节的内部弯曲形态基本一致。因为不均匀沉降导致的管节内部竖向弯曲必然影响管节的受力性能，尤其是E2 管节局部出现反弯点，导致其受力更加复杂。管内姿态的不同也会影响地基刚度的分布，加上经过多年运营后接头状态的退化和变异，会进一步改变各管节的受力状态。因此对于沉管隧道的性能分析需要考虑不均匀沉降发展规律和自身弯曲状态的综合效应，同时结合各个管节对应的表观病害进行关联分析。

6 管节接头两侧沉管扭转变形分析

根据2003 年10 月至2019 年4 月的隧道沉降监测数据，计算各管节接头两侧沉管端部断面测点的相对沉降值，并据此绘制各管节接头两侧的相对沉降曲线，以分析管节接头两侧沉管是否存在横向扭曲变形。测点的相对沉降值均以该沉管管节南孔浦西端测点为基准点。4# 节段缝两侧沉管横向累计相对沉降差（相对2003 年10 月）见图15。

由图15 可知，4# 节段缝两侧沉管目前未发生明显的横向扭转沉降变形。

图15 管节接头两侧沉管横向累计相对沉降差变形图

7 结 语

沉管隧道的沉降受到地基刚度分布、覆土厚度以及周边环境的影响而具有很大的不确定性。对于隧道沉降发展规律的分析和性能评价，需要综合考虑隧道沉降纵向整体分布规律、沉降速率的稳定性和隧道差异沉降分布规律。隧道姿态的变化会导致沉管隧道各管节处于不同形态的自身竖向弯曲状态，从而进一步加剧管节受力的复杂性。本文基于长期沉降监测数据，对某沉管隧道的安全性能进行系统分析，得出该隧道沉降发展整体趋于稳定的结论。