河底隧道常见病害原因的有限元分析

康伟乐 谷任国

（华南理工大学，广东 广州 510641）

0 引言

隧道工程一直以来都扮演着连接城市、促进交通发展和经济繁荣的重要角色[1]。然而，由于复杂的地质条件、施工限制和长期使用等因素，隧道结构可能面临着各种问题，如不均匀沉降和细微裂缝等。这些问题可能会对隧道的安全性和可持续性产生影响，因此需要深入研究和解决。本文通过对某隧道工程的监测和有限元分析，研究隧道不均匀沉降及细微裂缝的成因，以及时发现和解决隧道工程中的问题，并为类似工程的设计和施工提供技术指导。

1 工程概况

1.1 隧道概况

隧址区所处海峡平直、浅平，地势低平。河底隧道走向近轴向，占地面积（500×50）㎡，所处江面宽约500m，水深约0.7～3.8m。场区原地貌单元属丘陵滨海平原亚区，附近最高点高程为457.1m。

隧道为多管道钢筋混凝土结构，其标准横断面见图1，从左到右依次为人行管道、设备管道和两个行车管道，结构形式主要为沿隧道方向走向的连续桩基础，桩基础以上为多段形状大小相近的混凝土箱型结构，各结构段之间以伸缩缝分隔，隧道整体结构刚性大。

图1 隧道标准横断面图

1.2 工程地质和水文地质条件

结合周边地形地貌及勘察报告，隧址区位于同一个工程地质单元，土层按自上而下分布如下：

（1）细砂：灰褐色、灰黄色，层厚1.10~7.60m，层位呈透镜状或不连续层状分布，饱和，稍密，局部松散。

（2）淤泥：深灰色、灰黑色，层厚3.90~17.30m，分布广泛，呈层状分布，饱和，流塑，含有少量有机质或腐质物，土质细腻，切面光滑，底部见粉砂及少量贝壳碎片，局部夹薄层粉细砂，为高压缩性土。

（3）黏土：褐黄色、褐红色夹灰白色，层厚0.90~17.90m，场地内均有分布，软塑，主要由黏粒组成，含少量粉粒、砂粒。

（4）淤泥质黏土：深灰色，层厚0.90~14.50m，场地内均有分布，饱和，流～软塑，含有机质或腐植质，土质细腻，切面光滑，局部含较多粉砂及少量贝壳碎片，局部夹薄层粉细砂。

（5）中粗砂：灰褐色，褐黄色、灰白色，层厚0.80~15.50m，呈不连续层状或透镜状分布，场地内大部分地段有揭露，稍密～中密，主要由中、粗砂组成，泥质充填，分选性一般。

（6）砾砂：灰褐色，褐黄色、灰白色，层厚1.50~28.50m，场地内大部分地段有揭露，呈不连续层状或透镜状分布，分选性差，砂粒含量约80%。

（7）砂质黏性土：褐黄色、褐红色等，层厚1.00～30.80m，该层在场地内大部钻探均有揭露，砂质黏性土为主，局部为砾质黏性土，厚度变化大，可塑，属花岗岩风化残积土，主要由黏粒和石英砂组成。

（8）全风化花岗岩：呈褐黄色、肉红色、灰白色等，层厚1.00~20.70m，呈层状分布，大部分钻孔有揭露，部分地段呈透镜状分布，多呈硬土状，岩石结构已破坏，长石风化成土状，浸水易崩解。

（9）强风化花岗岩：黄褐色，层厚0.70~14.00m，分布连续，岩芯呈土柱状或半岩半土状，岩石结构大部已风化破坏，岩质软，强度差，手易折断，浸水易软化崩解。

隧址穿越的水道，地表水主要为大气降水形成地表径流水，鱼塘水、潮汐海水等。海水深度0.70~3.80m。其水位随季节不同变化明显。地下水水位0.80~2.50m，地下水位随季节不同变化明显，每年5~10月为雨季，大气降水充沛，水位会明显上升，而在冬季，降雨减少地下水位随之下降，年变化幅度2.50~3.20m。

2 监测结果

隧道运营期间，对隧道的刚体位移、应力应变和整体及局部沉降变化进行持续监测，并定期对隧道内部进行目视检测。监测报告显示隧道多处可见细微裂缝与水渍，部分结构段不均匀沉降较大，且结构段间沉降缝处测得两结构段沿隧道向、竖直向相对位移，并测得部分位置出现高应变。本文选取较为典型的第九结构段进行分析，第九结构段处于隧道转弯处，同时沿隧道有高程变化。

应变计位于隧道的每个管道内顶板跨中位置，根据监测所得数据，录得应变变化基本随温度而改变，但同时亦反映部份位置出现由于温度变化以外原因所造成的正或负应变：大部份监测位置的变化幅度未有超出预设的±400με 警戒值，但第九结构段长期应变变化维持警报值范围(±600με)，且有部分位置的应变变化于2018 年底开始增长，现阶段已录得超越行动值的-910με，数据反映其应变变化出现明显的持续增长趋势。分析数据变化，未有发现任何两个位置的应变变化与环境温度变化有明显的关系。

根据目视检测报告，第九结构段出现轻微开裂，开裂位置的表面出现水渍，部份位置表面的锈迹明显。设备管道内，已出现多处明显的结构裂缝，部份裂缝出现略微扩大。行车管道路面出现开裂及剥离等损坏现象，出现损坏的情况尤其于伸缩缝位置较明显。

根据沉降监测结果，第九结构段各位置出现了不同程度的沉降，并有轻微不均匀沉降。隧道内侧沉降平均值为4.90mm，隧道外侧沉降平均值为5.93mm。

3 有限元分析

3.1 模型建立

根据该工程的实际情况和特点，针对出现高应变隧道段采用MIDAS-GTS软件进行三维有限元分析。

模型总体计算区域的选取，在参阅相关文献，结合实践经验，取隧道外轮廓几何尺寸的3~5 倍，竖向直径超过2 倍桩深度。本模型水平宽度145m，竖向厚度150m，沿隧道方向厚度同AM09 结构段长度60m，整体随结构段拐弯成弧形。侧面加水平向约束，底部加竖向约束，顶面为自由面。网格模型见图2 所示，其中土体与隧道均采用实体单元，而灌注桩采用一维梁单元[2]。该模型内力计算采用地层结构法。

图2 网格模型图

3.2 力学参数

根据该隧道勘察报告及相关资料规范，确定有限元计算的材料本构关系及物理力学参数。隧道和灌注桩均按照C45 混凝土选取参数计算，即本构模型为弹性模型，弹性模量取3.40E+07kPa，泊松比取0.2，容重为25kN/m3。各土层的参数选取见表1所示。

表1 土层物理力学参数

3.3 计算工况

有限元模型模拟与实际情况相同的明挖法施工，在计算中施工步骤分为以下5步：

step1：初始状态计算，即地应力平衡；

step2：支护结构施工；

step3：基坑开挖施工；

step4：隧道浇筑施工；

step5：上覆土回填。

该模型忽略基坑支护结构水平向位移，即采用水平向约束代替内支撑限制支护结构位移。根据施工情况，回填土土压力采用水土分算。土体回弹过程通过逐步卸荷模拟。

3.4 计算结果与分析

获取有限元模型的隧道沉降结果，四角高程差异最大值为0.7mm，也存在一定的不均匀沉降，与监测结果相近。但考虑到结构长达60m，扭转对隧道造成的影响可忽略不计。笔者认为不均匀沉降是由于该结构段转弯同时带有坡度的影响，沿隧道方向各点受到土体卸载回弹力大小不同，所受的土压力也不同，因此导致沉降结果不尽相同。统计隧道监测点位置的沉降，得到内侧平均沉降为4.89mm，外侧平均沉降为5.88mm，与监测结果接近，说明该模型具有可靠性。

对于水下隧道，控制结构外侧的拉应力十分重要，因为混凝土在受拉侧容易带裂缝工作，而这种裂缝如果出现在隧道外侧，会导致海水进入结构，腐蚀钢筋甚至隧道内部结构。根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010），混凝土结构构件主拉应力，应符合下列规定：

（1）一级裂缝控制等级构件拉应力应满足：

（2）二级裂缝控制等级构件拉应力应满足：

该工程隧道采用C45混凝土，立方体抗压强度ftk=2.51MPa，当采用一级裂缝控制等级，拉应力应小于0.85ftk= 2.13MPa。

第九结构段顶板应力分布如图3所示，图3中蓝色为拉应力，红色为压应力。右侧两个管道为行车道，两行车道中隔墙上顶板出现较大拉应力，部分已超过1.5MPa，所以该中隔墙上方容易出现裂缝情况。两个行车管道左侧的为设备管道，其顶板同样出现拉应力，最大1.2MPa，根据目视检测报告渗水情况，实际拉应力可能更大。

图3 有限元模型隧道顶板应力分布图

第九结构段底板应力分布如图4 所示。由于隧道整体重量小于挖去土体重量，隧道下方土体卸载回弹，隧道整体上浮，计算结果显示，钻孔灌注桩全部为抗拔桩，隧道与灌注桩连接处受到向下拉力，使底板在桩附近产生拉应力。由图4 可知，设备管道底部桩位附近拉应力可达到3.5MPa 以上，两行车道中隔墙下方的平均总拉应力也达到2.6MPa，均大于规范要求的二级裂缝控制等级的构件拉应力，很可能会拉裂外侧混凝土，这是出现水渍的原因之一。另外，隧道外侧外墙由于抗拔桩而出现一条拉应力带，在图4 中显示为黄色，该区域拉应力普遍在0.9MPa 以上，可能成为墙身有水渍的原因。

图4 有限元模型隧道底板应力分布图

4 结束语

利用MIDAS有限元软件建立河底隧道的三维有限元模型，对河底隧道的开裂渗水等病害原因进行分析，结论如下：

（1）经对比分析，河底隧道沉降监测结果与有限元模型计算结果基本一致；

（2）隧道走线在转弯同时下坡，隧道高程发生变化，使隧道不同位置所受合力不同，是隧道出现轻微不均匀沉降的原因之一；

（3）隧道下方土体的卸载回弹导致隧道上浮，灌注桩为抗拔桩，隧道底板与灌注桩连接处以及顶板的设备管道上方、行车管道中隔墙上方受拉，是隧道出现细微裂缝原因之一。