康偉樂 谷任國
(華南理工大學(xué),廣東 廣州 510641)
隧道工程一直以來都扮演著連接城市、促進交通發(fā)展和經(jīng)濟繁榮的重要角色[1]。然而,由于復(fù)雜的地質(zhì)條件、施工限制和長期使用等因素,隧道結(jié)構(gòu)可能面臨著各種問題,如不均勻沉降和細微裂縫等。這些問題可能會對隧道的安全性和可持續(xù)性產(chǎn)生影響,因此需要深入研究和解決。本文通過對某隧道工程的監(jiān)測和有限元分析,研究隧道不均勻沉降及細微裂縫的成因,以及時發(fā)現(xiàn)和解決隧道工程中的問題,并為類似工程的設(shè)計和施工提供技術(shù)指導(dǎo)。
隧址區(qū)所處海峽平直、淺平,地勢低平。河底隧道走向近軸向,占地面積(500×50)㎡,所處江面寬約500m,水深約0.7~3.8m。場區(qū)原地貌單元屬丘陵濱海平原亞區(qū),附近最高點高程為457.1m。
隧道為多管道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖1,從左到右依次為人行管道、設(shè)備管道和兩個行車管道,結(jié)構(gòu)形式主要為沿隧道方向走向的連續(xù)樁基礎(chǔ),樁基礎(chǔ)以上為多段形狀大小相近的混凝土箱型結(jié)構(gòu),各結(jié)構(gòu)段之間以伸縮縫分隔,隧道整體結(jié)構(gòu)剛性大。
圖1 隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖
結(jié)合周邊地形地貌及勘察報告,隧址區(qū)位于同一個工程地質(zhì)單元,土層按自上而下分布如下:
(1)細砂:灰褐色、灰黃色,層厚1.10~7.60m,層位呈透鏡狀或不連續(xù)層狀分布,飽和,稍密,局部松散。
(2)淤泥:深灰色、灰黑色,層厚3.90~17.30m,分布廣泛,呈層狀分布,飽和,流塑,含有少量有機質(zhì)或腐質(zhì)物,土質(zhì)細膩,切面光滑,底部見粉砂及少量貝殼碎片,局部夾薄層粉細砂,為高壓縮性土。
(3)黏土:褐黃色、褐紅色夾灰白色,層厚0.90~17.90m,場地內(nèi)均有分布,軟塑,主要由黏粒組成,含少量粉粒、砂粒。
(4)淤泥質(zhì)黏土:深灰色,層厚0.90~14.50m,場地內(nèi)均有分布,飽和,流~軟塑,含有機質(zhì)或腐植質(zhì),土質(zhì)細膩,切面光滑,局部含較多粉砂及少量貝殼碎片,局部夾薄層粉細砂。
(5)中粗砂:灰褐色,褐黃色、灰白色,層厚0.80~15.50m,呈不連續(xù)層狀或透鏡狀分布,場地內(nèi)大部分地段有揭露,稍密~中密,主要由中、粗砂組成,泥質(zhì)充填,分選性一般。
(6)礫砂:灰褐色,褐黃色、灰白色,層厚1.50~28.50m,場地內(nèi)大部分地段有揭露,呈不連續(xù)層狀或透鏡狀分布,分選性差,砂粒含量約80%。
(7)砂質(zhì)黏性土:褐黃色、褐紅色等,層厚1.00~30.80m,該層在場地內(nèi)大部鉆探均有揭露,砂質(zhì)黏性土為主,局部為礫質(zhì)黏性土,厚度變化大,可塑,屬花崗巖風(fēng)化殘積土,主要由黏粒和石英砂組成。
(8)全風(fēng)化花崗巖:呈褐黃色、肉紅色、灰白色等,層厚1.00~20.70m,呈層狀分布,大部分鉆孔有揭露,部分地段呈透鏡狀分布,多呈硬土狀,巖石結(jié)構(gòu)已破壞,長石風(fēng)化成土狀,浸水易崩解。
(9)強風(fēng)化花崗巖:黃褐色,層厚0.70~14.00m,分布連續(xù),巖芯呈土柱狀或半巖半土狀,巖石結(jié)構(gòu)大部已風(fēng)化破壞,巖質(zhì)軟,強度差,手易折斷,浸水易軟化崩解。
隧址穿越的水道,地表水主要為大氣降水形成地表徑流水,魚塘水、潮汐海水等。海水深度0.70~3.80m。其水位隨季節(jié)不同變化明顯。地下水水位0.80~2.50m,地下水位隨季節(jié)不同變化明顯,每年5~10月為雨季,大氣降水充沛,水位會明顯上升,而在冬季,降雨減少地下水位隨之下降,年變化幅度2.50~3.20m。
隧道運營期間,對隧道的剛體位移、應(yīng)力應(yīng)變和整體及局部沉降變化進行持續(xù)監(jiān)測,并定期對隧道內(nèi)部進行目視檢測。監(jiān)測報告顯示隧道多處可見細微裂縫與水漬,部分結(jié)構(gòu)段不均勻沉降較大,且結(jié)構(gòu)段間沉降縫處測得兩結(jié)構(gòu)段沿隧道向、豎直向相對位移,并測得部分位置出現(xiàn)高應(yīng)變。本文選取較為典型的第九結(jié)構(gòu)段進行分析,第九結(jié)構(gòu)段處于隧道轉(zhuǎn)彎處,同時沿隧道有高程變化。
應(yīng)變計位于隧道的每個管道內(nèi)頂板跨中位置,根據(jù)監(jiān)測所得數(shù)據(jù),錄得應(yīng)變變化基本隨溫度而改變,但同時亦反映部份位置出現(xiàn)由于溫度變化以外原因所造成的正或負應(yīng)變:大部份監(jiān)測位置的變化幅度未有超出預(yù)設(shè)的±400με 警戒值,但第九結(jié)構(gòu)段長期應(yīng)變變化維持警報值范圍(±600με),且有部分位置的應(yīng)變變化于2018 年底開始增長,現(xiàn)階段已錄得超越行動值的-910με,數(shù)據(jù)反映其應(yīng)變變化出現(xiàn)明顯的持續(xù)增長趨勢。分析數(shù)據(jù)變化,未有發(fā)現(xiàn)任何兩個位置的應(yīng)變變化與環(huán)境溫度變化有明顯的關(guān)系。
根據(jù)目視檢測報告,第九結(jié)構(gòu)段出現(xiàn)輕微開裂,開裂位置的表面出現(xiàn)水漬,部份位置表面的銹跡明顯。設(shè)備管道內(nèi),已出現(xiàn)多處明顯的結(jié)構(gòu)裂縫,部份裂縫出現(xiàn)略微擴大。行車管道路面出現(xiàn)開裂及剝離等損壞現(xiàn)象,出現(xiàn)損壞的情況尤其于伸縮縫位置較明顯。
根據(jù)沉降監(jiān)測結(jié)果,第九結(jié)構(gòu)段各位置出現(xiàn)了不同程度的沉降,并有輕微不均勻沉降。隧道內(nèi)側(cè)沉降平均值為4.90mm,隧道外側(cè)沉降平均值為5.93mm。
根據(jù)該工程的實際情況和特點,針對出現(xiàn)高應(yīng)變隧道段采用MIDAS-GTS軟件進行三維有限元分析。
模型總體計算區(qū)域的選取,在參閱相關(guān)文獻,結(jié)合實踐經(jīng)驗,取隧道外輪廓幾何尺寸的3~5 倍,豎向直徑超過2 倍樁深度。本模型水平寬度145m,豎向厚度150m,沿隧道方向厚度同AM09 結(jié)構(gòu)段長度60m,整體隨結(jié)構(gòu)段拐彎成弧形。側(cè)面加水平向約束,底部加豎向約束,頂面為自由面。網(wǎng)格模型見圖2 所示,其中土體與隧道均采用實體單元,而灌注樁采用一維梁單元[2]。該模型內(nèi)力計算采用地層結(jié)構(gòu)法。
圖2 網(wǎng)格模型圖
根據(jù)該隧道勘察報告及相關(guān)資料規(guī)范,確定有限元計算的材料本構(gòu)關(guān)系及物理力學(xué)參數(shù)。隧道和灌注樁均按照C45 混凝土選取參數(shù)計算,即本構(gòu)模型為彈性模型,彈性模量取3.40E+07kPa,泊松比取0.2,容重為25kN/m3。各土層的參數(shù)選取見表1所示。
表1 土層物理力學(xué)參數(shù)
有限元模型模擬與實際情況相同的明挖法施工,在計算中施工步驟分為以下5步:
step1:初始狀態(tài)計算,即地應(yīng)力平衡;
step2:支護結(jié)構(gòu)施工;
step3:基坑開挖施工;
step4:隧道澆筑施工;
step5:上覆土回填。
該模型忽略基坑支護結(jié)構(gòu)水平向位移,即采用水平向約束代替內(nèi)支撐限制支護結(jié)構(gòu)位移。根據(jù)施工情況,回填土土壓力采用水土分算。土體回彈過程通過逐步卸荷模擬。
獲取有限元模型的隧道沉降結(jié)果,四角高程差異最大值為0.7mm,也存在一定的不均勻沉降,與監(jiān)測結(jié)果相近。但考慮到結(jié)構(gòu)長達60m,扭轉(zhuǎn)對隧道造成的影響可忽略不計。筆者認為不均勻沉降是由于該結(jié)構(gòu)段轉(zhuǎn)彎同時帶有坡度的影響,沿隧道方向各點受到土體卸載回彈力大小不同,所受的土壓力也不同,因此導(dǎo)致沉降結(jié)果不盡相同。統(tǒng)計隧道監(jiān)測點位置的沉降,得到內(nèi)側(cè)平均沉降為4.89mm,外側(cè)平均沉降為5.88mm,與監(jiān)測結(jié)果接近,說明該模型具有可靠性。
對于水下隧道,控制結(jié)構(gòu)外側(cè)的拉應(yīng)力十分重要,因為混凝土在受拉側(cè)容易帶裂縫工作,而這種裂縫如果出現(xiàn)在隧道外側(cè),會導(dǎo)致海水進入結(jié)構(gòu),腐蝕鋼筋甚至隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010),混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件主拉應(yīng)力,應(yīng)符合下列規(guī)定:
(1)一級裂縫控制等級構(gòu)件拉應(yīng)力應(yīng)滿足:
(2)二級裂縫控制等級構(gòu)件拉應(yīng)力應(yīng)滿足:
該工程隧道采用C45混凝土,立方體抗壓強度ftk=2.51MPa,當(dāng)采用一級裂縫控制等級,拉應(yīng)力應(yīng)小于0.85ftk= 2.13MPa。
第九結(jié)構(gòu)段頂板應(yīng)力分布如圖3所示,圖3中藍色為拉應(yīng)力,紅色為壓應(yīng)力。右側(cè)兩個管道為行車道,兩行車道中隔墻上頂板出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,部分已超過1.5MPa,所以該中隔墻上方容易出現(xiàn)裂縫情況。兩個行車管道左側(cè)的為設(shè)備管道,其頂板同樣出現(xiàn)拉應(yīng)力,最大1.2MPa,根據(jù)目視檢測報告滲水情況,實際拉應(yīng)力可能更大。
圖3 有限元模型隧道頂板應(yīng)力分布圖
第九結(jié)構(gòu)段底板應(yīng)力分布如圖4 所示。由于隧道整體重量小于挖去土體重量,隧道下方土體卸載回彈,隧道整體上浮,計算結(jié)果顯示,鉆孔灌注樁全部為抗拔樁,隧道與灌注樁連接處受到向下拉力,使底板在樁附近產(chǎn)生拉應(yīng)力。由圖4 可知,設(shè)備管道底部樁位附近拉應(yīng)力可達到3.5MPa 以上,兩行車道中隔墻下方的平均總拉應(yīng)力也達到2.6MPa,均大于規(guī)范要求的二級裂縫控制等級的構(gòu)件拉應(yīng)力,很可能會拉裂外側(cè)混凝土,這是出現(xiàn)水漬的原因之一。另外,隧道外側(cè)外墻由于抗拔樁而出現(xiàn)一條拉應(yīng)力帶,在圖4 中顯示為黃色,該區(qū)域拉應(yīng)力普遍在0.9MPa 以上,可能成為墻身有水漬的原因。
圖4 有限元模型隧道底板應(yīng)力分布圖
利用MIDAS有限元軟件建立河底隧道的三維有限元模型,對河底隧道的開裂滲水等病害原因進行分析,結(jié)論如下:
(1)經(jīng)對比分析,河底隧道沉降監(jiān)測結(jié)果與有限元模型計算結(jié)果基本一致;
(2)隧道走線在轉(zhuǎn)彎同時下坡,隧道高程發(fā)生變化,使隧道不同位置所受合力不同,是隧道出現(xiàn)輕微不均勻沉降的原因之一;
(3)隧道下方土體的卸載回彈導(dǎo)致隧道上浮,灌注樁為抗拔樁,隧道底板與灌注樁連接處以及頂板的設(shè)備管道上方、行車管道中隔墻上方受拉,是隧道出現(xiàn)細微裂縫原因之一。