肖時輝，李卓霖，劉大剛，曹金文，何　人

(1.珠海大橫琴股份有限公司，廣東 珠海　519031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都　610031； 3.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都　610031；4.上海隧道工程有限公司，上海　200032)

修建在海域地區(qū)的水下盾構(gòu)隧道經(jīng)常會受到潮汐的影響。水下隧道作為一種地下通道，土層性質(zhì)對襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響較大。當(dāng)隧道穿越低滲透性土層時，襯砌結(jié)構(gòu)受力情況尤為復(fù)雜。

多年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對于潮汐荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進(jìn)行了廣泛而深入的研究。張二林等[1]通過有限元分析結(jié)合實測數(shù)據(jù)，得到潮汐水位變化對飽和軟黏土內(nèi)孔隙水壓力影響明顯。于洪丹等[2]根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用有限元方法模擬分析應(yīng)力滲流耦合作用下隧道潮汐荷載對隧道襯砌和圍巖穩(wěn)定性的影響，得出在潮汐荷載作用下圍巖位移和水位呈正相關(guān)。王春梅[3]建立低滲透性淺埋鐵路隧道圍巖滲流模型，得到穩(wěn)定滲流的基本微分方程。高健[4]通過有限元軟件FLAC 3D建立三維滲流分析模型，求解出穩(wěn)態(tài)地下水條件下隧道掘進(jìn)面周圍的孔隙水壓力和總水頭分布。蔡臣等[5]通過Visual Modflow軟件建立了隧道局部典型區(qū)域滲流場模型，得到了隧道周圍滲流場，獲得了最大滲流流速及壓力水頭。SCHOTTE等[6]將數(shù)值模擬計算與多年現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相結(jié)合，得出了潮汐作用下不透水黏土層鐵路隧道外荷載動力響應(yīng)方式。段峰虎、張君祿等[7-8]結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境條件進(jìn)行跟蹤測試，監(jiān)測到管片外部的水壓力、土壓力，對隧道外荷載進(jìn)行了定性分析。林存剛[9]通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了水下盾構(gòu)隧道圍巖壓力與水位的相關(guān)性。劉庭金等[10-11]采用荷載-結(jié)構(gòu)模式分析了水位下降對隧道結(jié)構(gòu)受力的影響。

以上研究偏重于潮汐作用下隧道結(jié)構(gòu)的動力特性，而往往忽略了波浪作用對隧道結(jié)構(gòu)的影響。本文通過理論公式推導(dǎo)出波浪作用下超孔隙水壓力的影響深度，并通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，進(jìn)而分析潮汐作用下隧道外荷載動力響應(yīng)規(guī)律，為低滲透性地層條件下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計時外荷載的取值提供參考。

1　斷面選取及元件埋設(shè)

1.1　測試斷面選取

珠海橫琴馬騮洲西線隧道WK2+407—WK2+840段為江中盾構(gòu)段。隧道最小埋深為12.2 m，隧道上覆淤泥土層滲透系數(shù)為4×10-7cm/s，屬于低滲透性土層。地質(zhì)剖面見圖1。選取隧道WK2+600斷面作為監(jiān)測斷面，進(jìn)行盾構(gòu)隧道穿越低滲透性土層時管片結(jié)構(gòu)的外荷載測試。

圖1　地質(zhì)剖面

馬騮洲隧道位于珠江河口，潮汐類型屬于不正規(guī)半日潮，每一太陰日內(nèi)發(fā)生2次高潮和2次低潮。珠江河口屬弱潮型河口，潮差較小，一般為1 m左右，潮差的年際變化也不大。全年各月平均波高為1.01～1.32 m，平均周期為5.15～5.70 s。

1.2　土壓力盒及孔隙水壓力計的布設(shè)

為了探明在水位變化過程中作用于管片結(jié)構(gòu)外側(cè)的土壓力、水壓力及其變化規(guī)律，在管片結(jié)構(gòu)中安置土壓力盒5個，標(biāo)準(zhǔn)塊(S1，S3，S4，S7)和封頂塊(S10)各1個。水壓力計安置3個，鄰接塊(S8，S9)和標(biāo)準(zhǔn)塊(S3)外側(cè)各1個。土壓力盒采用YT-200A型振弦式高精度雙膜土壓力計，適用于長期測量建筑基礎(chǔ)所受土體的壓應(yīng)力。水壓力計采用YT-300A標(biāo)準(zhǔn)型鋼弦式滲壓計，用以測量流體壓力。管片分塊情況和土壓力盒、水壓力計布設(shè)位置如圖2所示。

圖2　管片分塊情況和土壓力盒、水壓力計布設(shè)位置

土壓力盒埋設(shè)時，為確保土壓力盒迎土面與管片邊緣盡量齊平，先在土壓力盒埋設(shè)點處焊接2節(jié)鋼筋墊高，然后將土壓力盒固定在墊高的鋼筋上。為了降低澆筑時混凝土及振動棒對土壓力盒的影響，在土壓力盒外側(cè)墊半條毛巾(如圖3(a)所示)，毛巾可起到緩沖及標(biāo)識的作用。

圖3　土壓力盒、水壓力計現(xiàn)場布設(shè)

水壓力計安裝前應(yīng)對外部滲水石進(jìn)行保護(hù)，保證在管片脫環(huán)后不被水泥砂漿封堵，充分發(fā)揮滲透作用以感應(yīng)水壓力。為防止在長期監(jiān)測過程中，泥沙對水壓力計造成堵塞以及運(yùn)輸拼裝過程中水壓力計受到磕碰。埋設(shè)前在水壓力計測水壓的端部用醫(yī)用紗布多層纏繞，外側(cè)再用毛巾包裹，之后將水壓力計放在方形金屬飯盒內(nèi)密封埋設(shè)在鋼筋籠外側(cè)，并確保金屬飯盒外側(cè)距離管片混凝土邊緣不超過1 cm。管片澆筑好后，找出裝有水壓力計的飯盒，并在飯盒外側(cè)開孔使管片外側(cè)的水能滲進(jìn)去。水壓力計布設(shè)見圖3(b)。

2　測試結(jié)果分析

2.1　波高變化時孔隙水壓力的影響深度

隧址區(qū)海洋潮汐作用的周期較長，且潮差很小，水位變化極為緩慢，因此可以不考慮潮汐作用的動力特性。波浪的周期遠(yuǎn)小于潮汐作用的周期，因此在潮汐與波浪共同作用下，隧道外荷載動力響應(yīng)可以認(rèn)為是由波浪波動作用引起的。隧道外荷載的響應(yīng)情況與隧道的埋深H和波浪作用下土層超孔隙水壓力的影響深度h(如圖4所示)有關(guān)。

圖4　波浪作用下土層超孔隙水壓力的影響深度

當(dāng)H>h時，襯砌結(jié)構(gòu)所受的水壓力不受波浪作用的影響，隧道外荷載通過土壓力波動的形式響應(yīng)波浪動荷載。當(dāng)H

圖5　低滲透性土層水土壓力響應(yīng)

根據(jù)達(dá)西方程和連續(xù)性方程，得到了一個波浪周期飽和軟土層孔隙水壓力變化的微分方程。即

(1)

式中：u為孔隙水壓力;z為海床以下的深度;ρw為水的密度;g為重力加速度9.81 m/s2;k為土壤的滲透系數(shù);Eoed為土層的側(cè)壓縮模量;t為時間。

根據(jù)邊界條件可求得

(2)

u0=ρwgΔhw

(3)

(4)

式中：A為波浪的振幅;T為波浪的周期，取5.5 s；Δhw為平均波高，取1.2 m。波谷和波峰之間水位上升時間間隔t對應(yīng)波浪1/2周期，因此取t=T/2。取x=0用以研究水位變化時海床正下方孔隙水壓力變化。壓力變化值用比率u/u0表示。u0為土層頂部的孔隙水壓力變化值。由式(2)和式(3)可得到無量綱壓力比變化的包絡(luò)，用exp(-Az)表示。

波浪作用下超孔隙水壓力的影響深度見圖6?？芍?，T=5.5 s時僅影響淤泥土層上部6 m處的孔隙水壓力。隧道監(jiān)測斷面埋深為12.2 m，故隧道外圍的孔隙水壓力不受波浪荷載的影響。

圖6　波浪作用下超孔隙水壓力的影響深度

圖7　拱底水壓力與水位時程曲線

2.2　外荷載

2.2.1水壓力

拱底水壓力與水位時程曲線見圖7。可知：作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力與水位的變化密切相關(guān)；水壓力的變化周期同水位一致，不受波浪周期的影響；水壓力隨著水位的增加而增大，說明作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力為靜水狀態(tài)下的水壓力，且不受波浪周期的影響，也證明在該地層條件下波浪作用對超孔隙水壓力的影響深度小于隧道埋深。

水壓力傳遞系數(shù)可定義為一個周期內(nèi)高潮與低潮對應(yīng)的實測水壓力差值ΔP與理論水壓力變化值ΔH的比值，能夠反應(yīng)土層對水位變化的敏感程度。

實測水壓力與理論水壓力對比見表1。可知：實測水壓力變化值ΔP總是小于理論水壓力變化值ΔH，水壓力傳遞系數(shù)表現(xiàn)出從上到下逐漸遞減的趨勢。作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的孔隙水壓力P2從上到下逐漸增大，這與隧址區(qū)滲流場的分布規(guī)律相一致；實測水壓力較理論水壓力要小，因此不考慮水壓力折減對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計更偏于安全。

表1　實測水壓力與理論水壓力對比

2.2.2隧道圍巖壓力

拱頂圍巖壓力與水位時程曲線見圖8?？芍汗绊攪鷰r壓力與水位的變化密切相關(guān)，并且隨著水位的增加而增大，且受波浪周期的影響。圍巖壓力隨水位圍繞某一數(shù)值上下波動，說明在潮汐靜荷載作用下，土壓力的波動是由波浪波動引起的水位變化所致。因波浪作用下淤泥土層超孔隙水壓力的影響深度僅為6 m 左右，因此大于該深度的土層通過土壓力波動的形式響應(yīng)海床面水壓力的變化。

圖8　拱頂圍巖壓力與水位時程曲線

圍巖壓力傳遞系數(shù)α′計算結(jié)果見表2?？梢钥闯?，實測圍巖壓力變化值ΔF總是近似等于理論水壓力變化值ΔH。

表2　圍巖壓力傳遞系數(shù)計算結(jié)果

3　結(jié)論

1)對于修建在海域環(huán)境下的水下隧道，當(dāng)波浪作用下超孔隙水壓力的影響深度小于隧道埋深時，孔隙水壓力不受波浪周期的影響；隧道外荷載通過土壓力波動的形式響應(yīng)波浪荷載。

2)水壓力與水位的變化呈正相關(guān)，且不受波浪周期的影響；實測水壓力變化值總是小于理論水壓力變化值。

3)對于修建在低滲透性地層中的水下隧道，外水壓力取全水頭，結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于安全。

4)圍巖壓力的變化與水位的變化密切相關(guān)，并且受波浪周期的影響。

[1]張二林，張玉亭，黃玉龍.潮汐作用下飽和軟黏土地基孔隙水壓力變化規(guī)律研究[J].水道港口，2012，33(3):231-235.

[2]于洪丹，陳衛(wèi)忠，郭小紅，等.潮汐對跨海峽隧道襯砌穩(wěn)定性影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，30(5):2905-2914.

[3]王春梅.低滲透性地層淺埋隧道防排水控制措施研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012，56(12):81-84.

[4]高健.考慮滲流的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)面失穩(wěn)分析[D].天津：天津大學(xué),2010.

[5]蔡臣,黃濤,賀玉龍.廣深港客運(yùn)專線下穿珠江獅子洋隧道滲流場數(shù)值研究[J].鐵道建筑,2013,53(6):68-70.

[6]SCHOTTE K，NAGY W，NUTTENS T，et al.Impact of Tidal Level Fluctuations on the Structural Behaviour of a Segmental Tunnel Lining[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2017，64:184-208.

[7]段峰虎,史清華,樊福發(fā).湛江灣跨海深水盾構(gòu)隧道外荷載監(jiān)測試驗研究[J].廣東水利水電,2014(3):1-5.

[8]張君祿,段峰虎,廖文來,等.湛江灣跨海盾構(gòu)隧道管片現(xiàn)場監(jiān)測試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014(增1):2878-2884.

[9]林存剛.盾構(gòu)掘進(jìn)地面隆陷及潮汐作用下江底盾構(gòu)隧道性狀研究[D].杭州：浙江大學(xué),2014.

[10]劉庭金,鄧飛皇,莫海鴻.水位下降對地鐵盾構(gòu)隧道的影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2008，45(增1):207-210.

[11]戴李春,齊俊,張寧寧,等.水壓力作用下公路隧道襯砌受力特性研究[J].鐵道建筑,2015，55(12):77-79.