方 亮，蔡文豪

（1、廣州地鐵集團有限公司 廣州 510380；2、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

有文獻可查的世界第一條沉管隧道于1896年在美國波士頓灣修建成功［1］，此后，世界多個國家逐漸掌握了沉管隧道技術。目前全球已有上百條沉管隧道建成、并且投入使用于鐵路、公路等多種交通工具中，其中六成以上沉管隧道集中在美國、荷蘭、日本三國［1，2］。2017年3月7日，連接香港、澳門、珠海三地的港珠澳大橋海底隧道最后一節(jié)管節(jié)的順利安裝完成，標志著我國躋身世界少數(shù)掌握沉管隧道技術國家的前列［3，4］。

沉管隧道主要作為一種重要的跨越交通工具修建在自然河流、運河或港口之中，且這些工程所處的土壤條件非常松軟。在設計、施工監(jiān)測以及后期的運營維護期間，控制沉管隧道的沉降都是一件非常重要的事情。沉管隧道的優(yōu)點之一在于它們的實際等效重量非常的輕——當完全壓載時，它們僅比水重約10%，并且比其置換出來的土壤要輕得多。盡管如此，沉管隧道的沉降依然存在，并且達到了相當可觀的量級，甚至超過了巖土工程中的精細分析預期值［2］。

由于沉管隧道的抗浮系數(shù)比較小，一般僅為1.1～1.2［5］，因此在早起建設和運營階段，大家往往都將注意力集中在沉管隧道抗浮問題之上，而忽視了其沉降問題［6］。但是隨著運營年限的增長，沉管隧道的沉降問題逐漸暴露出來，軟土地基上的沉降值甚至高達十幾厘米［7］。如美國Fort McHenry 沉管隧道最大沉降值為162 mm［8］，上海外環(huán)沉管隧道最大沉降值為 310 mm［9］。Grantz［2］將引起沉管隧道發(fā)生沉降的成因進行了分類統(tǒng)計，包括了下臥土層地質條件、河床或海床的泥沙淤積、基槽開挖方法、附加荷載、基槽疏浚方法、管節(jié)的幾何構型、較大潮汐運動、回填管節(jié)與基槽之間的空隙。

按照沉管隧道各部分沉降量一致與否，可將其分為均勻沉降和差異沉降。當各管節(jié)在同一時間的沉降值一致即發(fā)生均勻沉降時，連接各管節(jié)的剪力鍵和止水帶等設施不會產生應力和應變，若該沉降值控制在設計范圍內，并不會對沉管隧道安全造成威脅。但是，在沉管下方地基剛度不一致、沉管上方載荷不均勻、地震等多種因素的作用下，沉管隧道更可能發(fā)生不均勻沉降、即差異沉降。差異沉降會使接頭剪力鍵產生額外剪力和彎矩，增加沉管接頭的張開量，嚴重威脅接頭剪力鍵、止水帶以及自身的結構安全。

1 工程概況

某沉管隧道長457 m，共由5 個預制管節(jié)構成，5個管節(jié)由北向南依此編號為 E-1、E-2、E-3、E-4、E-5，長度分別為 105 m、120 m、120 m、90 m、22 m，其典型斷面如圖1所示。由于該沉管是汽車、地鐵共用隧道，其主體結構特殊且復雜，受地鐵列車載荷和震動、基槽和覆土地質條件、管節(jié)施工過程和方法、隧道周邊環(huán)境等因素的共同影響，沉管隧道主體結構產生了不同程度的位移和變形，管節(jié)接頭部位的變形更是引起了廣泛關注［10］。該沉管隧道管節(jié)分布及沉降監(jiān)測點分布如圖2所示。

圖2 某沉管隧道各管節(jié)及監(jiān)測點分布示意圖Fig.2 Schematic Diagram the Distribution of Each Pipe Segment and Monitoring Points of a Immersed Tunnel

2 沉管現(xiàn)狀

受河水沖刷和潮汐等因素的影響，沉管隧道上方覆蓋層厚度動態(tài)變化，根據(jù)相關監(jiān)測數(shù)據(jù)以及結合相關圖紙，繪制2014～2017年間隧道、覆蓋層高程隨區(qū)間里程變化示意如圖3所示，覆蓋層厚度隨區(qū)間里程變化示意如圖4所示。高程系采用該市城建高程。初始覆蓋保護層設計厚度理論上不超過1 m。

由圖3和圖4 可知：沉管隧道上方覆蓋層出現(xiàn)兩邊多中間少，北岸的淤積大于南岸，且中部回填層出現(xiàn)凹坑的現(xiàn)象。其中北岸段在K4+814 點上的覆蓋層厚度達到7.08 m，南岸段在K4+424 點上的覆蓋層厚度為3.02 m，而中間段在K4+579 點上有最小覆蓋層厚度，僅為0.54 m。其次，2014～2017年間的覆蓋層出現(xiàn)少量淤積和沖刷情況，但整體變化不大。

同樣地，對2014～2017年間沉管隧道的左右線沉降值進行檢測，分別繪制其左右線沉降值隨里程變化曲線如圖5所示。

圖3 沉管隧道、覆蓋層高程隨區(qū)間里程變化示意圖Fig.3 The Elevations of Immersed Tunnel and Cover Layer Over Interval Mileage

圖4 沉管隧道覆蓋層厚度隨區(qū)間里程變化示意圖Fig.4 The Thickness of Cover Layer Over Interval Mileage

圖5 左線、右線沉降變化趨勢圖Fig.5 The Settlement Trend Chart of Left Line

對于隧道左線和右線，區(qū)間里程段的監(jiān)測點累積沉降值變化量均大于10 mm，其左線最大沉降值為-21.73 mm，而右線最大沉降值為-23.20 mm；但不同沉管段2014年～2016年間的總體沉降趨勢趨于一致，變化相對穩(wěn)定，整體年平均沉降速率小于2.0 mm/y。

3 差異沉降容許值的計算方法

徐國平等人［11］基于彈性地基梁的沉管隧道縱向計算理論，提出采用剛度影響線方法分析地基剛度變化對沉管隧道接頭剪力鍵剪力的影響，并以此建立接頭容許剪力值與縱向差異沉降容許值之間的關系，推導了基于接頭剪力鍵容許剪力要求的縱向差異沉降簡化計算方法。該方法的大致思路如下：

當一受均布載荷q 作用下的無限長彈性地基梁放置于地基彈簧剛度為的均勻地基上時，梁體將發(fā)生均勻沉降此時梁體各處均不產生剪力。假設此時某一微元段的地基剛度發(fā)生了變化，變化后的剛度為k2，則此時由于梁體發(fā)生不均勻變形而在各處產生剪力。上述不均勻地基梁受均布載荷的模型亦可等效為均勻地基梁受不均勻載荷，只需該微元段所受的不均勻載荷滿足：

這樣可以利用集中力作用下的經典彈性地基梁理論，求得梁體任意位置的剪力值：

式中：x 為無限長梁上某點到坐標原點的水平距離；Q為x處的剪力值；β 為特征系數(shù)，且有定義特征長度L=1/β；EI 為梁單元的抗彎剛度。

定義剛度影響線上距考察斷面最近的數(shù)值0 點到考察斷面的水平距離L0定義為0 點長度，與特征長度的關系可表示為：

繪制沉管管節(jié)［-L0，L0］段范圍內剛度變化率的分布圖，利用剛度變化率分布圖與剛度影響線進行圖乘便可得到接頭剪力。地基剛度變化率［α］與沉管接頭剪力容許值［Q］之間的關系可通過圖乘法建立：

式中：［α］為在不均勻地質條件下地基剛度變化率的最大值；λ 為分布模式因子，為在地基剛度分布圖中，一側剛度變化平直段長度與剛度影響線零點長度的比值；κ 為面積形心等效因子，一般取0.71。

對于直線型、突變型以及正弦型分布的地基剛度變化模式，分布模式因子分別取值為λ=0，λ=1 以及1+λ +λ2=π /6。

則2L0范圍內縱向單位長度的容許差異沉降值為：

4 計算結果

現(xiàn)以2016年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和覆蓋層厚度數(shù)據(jù)為例，計算該隧道的差異沉降容許值。根據(jù)設計圖紙可計算該沉管隧道的抗彎剛度EI=2.617×107MPa。沉管的載荷由自重、上方覆土以及水壓三部分構成，其中襯砌、覆土和水的重度分別為25 kN/m3、17 kN/m3和10 kN/m3，河面基準面高程取5 m，根據(jù)2016年覆蓋層厚度（見圖4）計算土壓和水壓，最終求得的均布面載荷為p=183.17 kN/m3。通過查閱相關文獻可知，該沉管隧道接頭均為柔性接頭，并且接頭處采用OMEGA鋼板連接，柔性沉管接頭容許剪力值Q=1×105kN；沉管以下土層為松軟土層帶，淤泥質土，平均地基反力系數(shù)取2.0 MPa/m。假定地基剛度變化模式為直線形，則分布模式因子λ=1，面積形心等效因子κ=0.652。最終計算得出管節(jié)縱向差異沉降容許值為0.4849mm/m。

根據(jù)各監(jiān)測點的累積沉降值和各監(jiān)測點之間的間距（見圖5），可以計算該沉管隧道每一管節(jié)兩端的差異沉降值，如圖6所示。由此可見各管節(jié)無論是由左線還是右線計算出來的差異沉降值都比容許值要小，表明該沉管隧道結構當前是安全的。

圖6 沉管隧道各管節(jié)差異沉降值Fig.6 The Differential Settlement of Each Segment of the Immersed Tunnel

5 結語

由于沉管隧道的管節(jié)都是預制而成的，因此其運營期間強度和剛度大多都能夠滿足設計要求，接頭剪力鍵和止水帶成為了其薄弱環(huán)節(jié)。由于下臥地基剛度的不均勻性、上部載荷的不均勻性、結構的特殊性和周圍環(huán)境的復雜性，沉管隧道的差異沉降不可避免，并且直接影響和威脅著沉管隧道的安全。本文通過彈性地基梁模型的簡化，計算出沉管隧道各管節(jié)的差異沉降容許值和實際值，表明了該沉管隧道的差異沉降都是在容許范圍之內。