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潮汐变化对运营期越江盾构隧道变形的影响规律分析

目前，国内外学者关于潮位变化对运营期水下隧道变形的影响规律研究的报道并不多。邵俊江等利用单、双层地基固结的计算模型，同时引入潮汐荷载函数和地层参数，探讨潮汐作用引起沉管隧道的沉降规律。黄明华通过推导在传统循环荷载作用下单层弹性地基一维固结问题的解析来探讨潮位变化对宁波甬江沉管隧道沉降变形的影响。Kasper等基于模型试验和数值模拟研究了在波浪作用下釜山–巨济沉管隧道的稳定性。以上的研究仅仅是针对沉管隧道的沉降变形，其研究结果难以适用于盾构越江隧道。于洪丹等和郭小红利用有限元软件模拟分析了潮汐水位变化对隧道衬砌和围岩长期稳定性的影响，但是隧道采用矿山法开挖以及有限元模拟缺乏实测验证，以上的研究也难以适用于盾构越江隧道。吴世明等分析了潮位变化对运营初期庆春路越江隧道沉降与断面直径变形的影响，但是由于施工期土体扰动未达到稳定，难以准确分析潮位变化对长期运营隧道变形的规律。
1 隧道概况及实时监测方案
黄浦江是长江下游支流，其水位变化受到海洋潮汐的影响，平均一天有两个高潮，两个低潮，平均高潮位3.12m，平均低潮位1.29m，平均潮差高达1.83m，平均潮涨历时为274min，平均落潮历时为472min，呈现非正规的半日浅海潮型。上海某越江隧道工程为双向4车道盾构法施工的城市越江公路隧道，于2001年5月开工建设，2004年9月工程全线竣工通车，目前运营通车已经超过12年。该隧道荷载按城B级设计，设计车速为40km/h，隧道东、西两线有敞开段、矩形段、圆形段3种结构形式，隧道东线全长2565.74m，西线全长2549.60m。其中，西线圆形隧道盾构段长为1235.17m，东线圆形隧道盾构段长为1335.50m，采用外径为11.22m的泥水盾构掘进机进行施工。圆形管片衬砌环由5块标准块(B1，B2，B3，B4，B5)、2块邻接块(L1，L2)和1块封顶块(F)共8块管片拼装组成，管片衬砌环环间采用错缝拼装，错缝角度为11.25°。管片衬砌环采用外径为11.00m、内径为10.04m、环宽为1.50m、厚度为0.48m的平板式衬砌结构，环与环之间以32根M30(6.8级螺栓)的纵向螺栓相连，块与块之间以3根M36(5.6级螺栓)的环向螺栓紧密相连。该越江盾构隧道在浦东和浦西设置两个工作井，其高程(隧道中心线与路面的绝对高程)分别为-13.8m和-10.1m，江中隧道段的最大埋深的高程为-30.8m。
隧道盾构段纵断面安装了光纤光栅大落差纵向沉降传感器用于隧道沉降测量。该仪器的测量精度为0.1mm，监测数据自动采集的频率为0.5h/次。全部仪器监测点布置在隧道西线上，其中测点1(k0+700)、测点2(k0+820)、测点3(k0+940)布置在隧道陆域段中，而测点4(k1+080)、测点5(k1+150)、测点6(k1+240)、测点7(k1+300)、测点8(k1+360)、测点9(k1+425)布置在隧道江中段中，而对于隧道过渡段(测点3到测点4之间)没有布置测点。其沉降监测点的布置图如图1所示。

同时根据隧道上覆土层的分布情况，在隧道江中段里程为k1+440处安装了1台一体化激光隧道断面收敛监测仪。该断面收敛监测仪安装在隧道断面上覆土层厚度最小的位置，此处隧道截面收敛变形受潮位变化影响最大。利用这台一体化激光隧道断面收敛监测仪对隧道横截面的横径、竖径的收敛变形进行监测，仪器的测量精度为0.1mm，监测数据自动采集的频率为0.5h/次。
2 潮汐变化与隧道变形分析
2.1 潮汐变化与同时期隧道沉降变形分析
根据实时场监测数据，绘制上海某越江隧道上方黄浦江从6月17日到7月16日一个月的潮位变化和同时期该隧道各测点沉降变形的时间序列曲线图，如图2、图3所示。该时间段黄浦江处于汛期状态，河流径流量以及潮位差较大，对隧道结构变形的影响也较大。

从图2、图3两个曲线图的对比可以看出，江中段6个测点的沉降值曲线的波峰和波谷与潮位曲线的波峰和波谷基本上是相互对应的，即隧道江中段沉降值波动性与潮位变化的波动性是同步变化的；在隧道陆域段中，测点1、测点2和测点3在潮位变化的作用下，沉降值曲线的波动性与江中段相比相对平缓，其波动性变化并不明显。从图2、图3整体来看，隧道所有测点的沉降曲线的总体形态趋势与潮位变化的总体形态趋势是一致的，当潮位变化曲线图呈现出两端“凸起”、中间“凹陷”时，隧道各测点的沉降变化曲线也出现同样的形态。从以上的现象可以推测出越江盾构隧道在感潮河流以下，隧道沉降变化受到潮位变化的作用非常明显，潮位的变化使得隧道盾构段产生循环的沉降波动变形。
2.2 潮汐变化与同时期隧道收敛变形分析
通过一体化激光隧道断面收敛监测仪的监测数据，绘制出与图3对应的同时期的隧道横径、竖径收敛变形图，如图4和图5所示。

由于隧道横、竖径收敛变形监测的数据比较离散(黑色的点)，因此对隧道横、竖径收敛变形曲线进行平滑处理，经过处理后的变形曲线可以发现隧道的横径、竖径收敛变形曲线的波动性呈现不规则的循环起伏变化，并不与图2的潮位同步变化。根据图4、图5两图对比可发现，隧道横径收敛变形的波动振幅比竖径收敛变形大，隧道横径收敛波动的振幅在3mm左右，而竖径收敛波动的振幅在1.2mm左右。因此，隧道江中段应该在严密监控下审慎选择在隧道两侧进行注浆处理，以增大隧道侧向抗力，通过控制隧道横径的变形，来抵抗隧道上方潮位变化引起的管片收敛变形。同时隧道横径、竖径在潮汐的循环作用下管片衬砌环出现显著的伸缩变化，对隧道管片衬砌长期稳定性造成巨大的威胁，管片衬砌环长期伸缩反复作用会使管片混凝土产生疲劳效应而导致性能劣化。在管片衬砌设计和施工时，不能把管片上部的水压力当作静荷载处理，而要考虑潮汐作用对管片循环受力作用的影响。
3 潮汐变化作用下越江盾构隧道变形原因分析
(1)隧道江中段沉降随潮位变化而同步变化，主要的原因是江中段隧道上覆土的土质以淤泥、淤泥质黏土和黏土为主，当上部河流水位上升时，隧道上覆土体受到的水压增大，引起上覆土体的空隙水压力增大，有效应力减少，同时下卧土层的压力减少产生地基回弹，从而引起隧道上浮；反之，隧道下沉。此外，这种瞬时的沉降变化响应可能是江中段上覆土出现裂隙，河流的水直接与隧道相通而导致的。
(2)隧道陆域段呈现出与隧道江中段不同的沉降变形规律，是因为江岸周边的地下水位受江中水位影响较大，河流附近的地下水补给相对快，而距离河流较远的部分地下水补给相对慢，使得陆域段测点的波动性与河流距离相关。
(3)隧道收敛变形与潮位变化波动并不对应，说明潮位变化并不是短期内影响隧道断面收敛的唯一因素。由于隧道收敛变形与隧道周边土体的存在渗透性以及隧道覆土荷载变化有关，同时由于土体的渗透性以及隧道覆土荷载变化对隧道横向与纵向的影响程度不同，另外由于隧道周边土体在潮位变化过程中引起土体应力的变化对管片产生相应的挤压变形，因此导致隧道横向与纵向收敛变形曲线的振幅和周期不同。
4 结语
基于上海某盾构越江隧道运营期潮位变化及监测数据分析研究发现：隧道江中段沉降值的波峰和波谷是与潮位变化的波峰和波谷是同步变化的，具有相同的周期性与较强的关联性；隧道陆域段沉降值的波动性与河流距离有关，距离河流越近，波动性呈增大趋势，相对于江中段波动趋势相对微弱；隧道管片的横径、竖径在潮汐的循环作用下出现反复的伸缩变化，横径的变形量比竖径的变形量大。这些规律对隧道长期结构变形分析具有重要意义，可为隧道长期变形稳定性和安全性分析提供有益辅助指导和参考价值。

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