潮位变化对上海某越江盾构隧道变形的影响规律研究

杜远港， 胡 珉， 滕 丽， 喻 刚

(1. 上海大学-上海城建建筑产业化研究中心， 上海 200072； 2. 上海大学土木工程系， 上海 200444；3. 上海大学悉尼工商学院， 上海 201400； 4. 上海市地下空间设计研究总院有限公司， 上海 200020)

潮位变化对上海某越江盾构隧道变形的影响规律研究

杜远港1, 2， 胡 珉1, 3， 滕 丽1, 4， 喻 刚1, 3

(1. 上海大学-上海城建建筑产业化研究中心， 上海 200072； 2. 上海大学土木工程系， 上海 200444；3. 上海大学悉尼工商学院， 上海 201400； 4. 上海市地下空间设计研究总院有限公司， 上海 200020)

为了探究潮位变化与越江盾构隧道的沉降和收敛变形之间的关联性，采用数据统计分析、相关性分析和周期性分析方法，对上海某越江盾构隧道的监测数据与同时期隧道上部的潮位变化进行研究分析。研究表明： 1)江中段隧道在潮位变化的作用下产生均匀沉降，其波动性与潮位起伏具有近似的周期性； 2)陆域段隧道沉降变化的波动性程度与河流的距离有关； 3)潮位变化引起隧道管片断面的横径和竖径产生循环的收敛变形，其横径收敛变形大于竖径收敛变形。以上研究可为越江盾构隧道设计、施工和运维提供参考。

越江盾构隧道； 潮位变化； 运营期； 隧道沉降； 隧道收敛

0 引言

随着我国城市的发展，地下隧道由大规模建设期进入到了运维期[1]。隧道经过多年的运营后，施工期土体扰动造成隧道变形的影响已经趋于稳定，但是由于受到上部河流潮汐水位差的作用，隧道会产生较大的结构变形，如文献[2]提到比利时的Scheldt河流从涨潮开始到退潮结束这段时间，双管隧道存在超过10 mm沉降差和管片呈现出“鸭蛋”和“南瓜”形状的交替变形。如果这些问题没有得到重视，将会导致越江隧道结构破坏、接缝张开和渗漏水等病害，严重影响越江隧道的正常运营[3-5]。

目前关于潮汐对隧道变形影响的研究相对较少，邵俊江等[6]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沉降的规律；黄明华[7]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解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[8]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[9]和郭小红[10]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[11]分析了潮位变化对运营初期的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。

随着我国城市规模的高速扩张，未来越江盾构隧道工程建设的需求越来越多[12]。因此，本文对上海某越江隧道沉降和管片收敛的实时监测数据进行整理和分析，探讨潮位变化与运营期盾构越江隧道的沉降和管片收敛的关系，分析其原因并提出相应的建议。

1 隧道结构监测

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1天有2个高潮、2个低潮，平均低潮位1.29 m，平均高潮位3.12 m，平均潮差达1.83 m，呈非正规的半日浅海潮型[13]。上海某运营隧道是一条穿越黄浦江的双向4车道盾构法施工隧道，外径11.00 m，管片衬砌环由8块管片错缝拼装而成，环宽1.5 m，厚度为480 mm。盾构段隧道全长1 274.2 m，陆域段隧道拱顶的浅土层为①层—人工填土、②层—粉质黏土、③层—淤泥质粉质黏土、④层—淤泥质黏土、⑤层—灰色黏土，最大覆土厚度约为26 m。江中段隧道拱顶的浅土层主要为①层—淤泥、②层—淤泥质黏土、③—淤泥质黏土、④层—灰色黏土、⑤层—灰色粉质黏土、⑥层—暗绿-草黄色黏土，江中最小覆土厚度约为10 m。该隧道于2001年5月25日开工建设，2004年5月工程全线竣工通车，目前运营通车已经超过12年。隧道纵断面安装了光纤光栅大落差纵向沉降传感器对隧道沉降进行测量，仪器的精度为 0.1 mm，数据自动采集的频率为0.5 h/次，全部测点布置在隧道西线上，其中测点1(K0+700)、测点2(K0+820)和测点3(K0+940)布置在陆域隧道段中，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)和测点9(K1+425)布置在江中段隧道中，而对于过渡段(测点3到测点4之间的范围)没有布置测点，测点空间布置图如图1所示。同时根据隧道上覆土层的情况，在江中段隧道里程为K1+440处安装了1台一体化隧道断面收敛仪，该断面上覆土层厚度最小，隧道截面收敛受潮位变化影响最大。利用该隧道断面收敛仪对隧道横截面的横径、竖径的收敛变形进行监测，仪器的精度为0.1 mm，数据自动采集的频率为0.5 h/次。

图1 隧道测点空间布置图

2 监测数据定性分析

2.1潮位变化与同时期隧道沉降变化

根据现场监测数据，绘制隧道上方黄浦江从2017年6月17日到2017年7月16日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和图3所示。通过对比2个曲线图可以看出，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，即江中段隧道沉降值波动性与潮位变化的波动性是同步变化的；在陆域段隧道中，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和图3整体上看，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，河流以下盾构隧道沉降变化受到潮汐荷载的作用非常明显，潮位的变化使得盾构隧道产生循环的沉降波动。

2.2潮位差与同时期隧道沉降差

为了进一步观察潮位变化对隧道各个沉降变化的响应，绘制高低潮位差与同时期隧道各测点沉降差曲线变化的对比图，潮位差等于后一个潮位与前一个潮位之差的绝对值，沉降差等于后一个沉降值与前一个沉降值之差的绝对值，如图4所示。

图2 潮位变化曲线图(2017年)

图3 隧道各测点沉降变化图(2017年)

图4 高低潮位差与同时期隧道各测点沉降差曲线图(2017年)

从图4可以看出，江中段隧道各个测点的沉降差变化曲线基本重合，反映出在潮位变化的作用下，江中段隧道呈现出整体的上浮或者下沉，即潮位变化引起江中段隧道产生均匀沉降变形，不会对隧道产生过大的结构破坏。同时，江中段隧道沉降差曲线变化的形态趋势与潮位差曲线变化的形态趋势基本保持一致，说明江中潮位变化是引起江中段隧道沉降变形的主要影响因素；在陆域段隧道中，测点1、测点2和测点3在潮位变化的作用下沉降差变化曲线的波动性呈现微弱增强的趋势。同时根据表1的统计数据可以发现，陆域段隧道随河流的距离越近，沉降差平均值越大，沉降差的标准差越大，说明陆域段隧道距离河流越近，沉降值越离散，沉降曲线波动性越大，进而说明在潮位变化的作用下陆域段隧道沉降波动性与河流的距离有关。陆域段与江中段之间的过渡段中，测点4的沉降差比测点3的沉降差大，说明过渡段隧道受潮位变化影响的程度不同，这是由于地层条件的突变处、轴线曲率最大处以及联络通道汇集在此隧道段，在潮位变化的影响下，该隧道存在较大的差异沉降，隧道结构存在较大的威胁。因此，建议在隧道结构缝处、隧道轴线大曲率处、地层突变处、约束条件突变处以及渗漏水严重处增加监测点，通过加强病害监测的力度，密切关注隧道结构的安全，可以在隧道出现结构病害时及时做出修复处理。

2.3潮位变化与同时期管片收敛变形

根据隧道断面收敛仪监测的数据，绘制出与图2同时期的管片横、竖径收敛变形图，如图5和图6所示。

表1陆域段隧道测点沉降差与河流距离的关系

Table 1 Relationship between differential settlement of monitoring points of tunnel onland and distance between tunnel and river

测点与河堤的距离/m沉降差平均值/mm沉降差标准差/mm13300．3640．28522100．5980．4153900．7170．502

图5 管片横径变形图(2017年)

图6 管片竖径变形图(2017年)

管片横、竖径收敛变形曲线经过平滑处理后，可以发现管片的横径、竖径收敛变形曲线的波动性呈现不规则的起伏变化，并不与潮位同步变化。根据图5和图6对比可得，管片横径收敛变形的波动振幅比竖径收敛变形大，管片横径收敛波动的振幅在3 mm左右，而竖径收敛波动的振幅在1.2 mm左右。江中段隧道应该在严密监控下审慎选择在隧道两侧进行注浆处理，增大侧向抗力，通过控制隧道横径的变形，以抵抗潮位变化引起的管片收敛变形。同时隧道管片的横径、竖径在潮汐荷载的循环作用下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，长期伸缩反复作用会使管片衬砌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，要考虑潮汐对管片循环作用的影响。

3 监测数据的定量分析

3.1相关相似性分析

为了进一步定量分析从2017年6月17日到7月16日潮位变化与同时期的越江盾构隧道沉降响应和管片断面收敛变形之间的相关相似性，采用Pearson相关相似性的分析方法对数据进行分析。Pearson相关系数是用来描述2组线性的数据同一变化移动的趋势，其数学公式表示为2个变量的协方差与2个变量的标准差之比，取值范围为[-1,1]，如式(1)所示。

(1)

根据式(1)得到潮位变化与同时期隧道沉降变形相关系数，如表2所示。

表2潮位变化与隧道沉降变形的相关系数

Table 2 Correlation coefficient between tidal fluctuation and tunnel settlement and deformation

相关系数潮位测点10．0117测点20．0769测点30．2949测点40．8394相关系数潮位测点50．8538测点60．8413测点70．8354测点80．8423相关系数潮位测点90．8253管片横径0．0768管片竖径0．00042

根据表2可以看出，江中段6个测点的沉降数据与潮位变化的相关性系数在0.82以上，具有强相关性，说明运营期江中段隧道沉降变形波动趋势与潮位变化的趋势具有高度同一性，潮位变化作用是引起运营期江中段隧道沉降变形的主要原因。对于陆域段隧道和管片收敛来说，其变化与潮位变化的相关系数非常小，说明陆域段隧道和管片收敛与潮位变化不存在线性的同一变化移动趋势。

3.2周期性分析

由于江中段隧道沉降与管片收敛变形在潮位变化的作用下产生了明显的波动性，因此采用功率谱分析方法分别对上述的监测数据进行周期分析。将时域信号的监测数据转换为频域信号进行分析，把复杂的时间历程波形经过傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构相关信息。对于1个时间序列信号f(t)的平均功率可以表示为：

(2)

通过MATLAB编程可以得到上述监测数据的功率谱图。功率谱的最大值对应的频率称为“峰频”，“峰频”是波动能量最集中的频率，“峰频”对应的周期为波动的主要周期[14]，主要周期在这里反映的是隧道监测数据被分解为单一谐波分量后，所有单一谐波中最集中的周期。

由于江中段隧道各测点沉降曲线非常相似，这里只给出江中心的测点6的功率谱图进行分析，见图7。由图7可以看出，潮位变化曲线的主要周期为12.386 7 h，江中段隧道的主要周期为12.404 1 h，二者的周期性非常相近，进一步说明江中段隧道沉降主要受潮汐的影响。管片横径的主要周期为25.054 1 h，接近潮位变化周期的2倍。管片竖径中存在相对集中的周期，除了出现最大的15.45 h的主要周期外，还存在着密集的、峰频高度相近的其他周期，这明显说明潮位变化并不是短期内影响隧道横断面收敛的唯一因素。根据横径、竖径的功率谱分析图对比，可以发现竖径的主要周期比横径的多，说明管片在纵向受到的影响因素比横向的多。

(a) 潮位变化曲线周期图

(b) 江中段沉降变化曲线周期图

(c) 横径变化曲线周期图

(d) 竖径变化曲线周期图

图7功率谱分析图

Fig. 7 Sketch diagrams of power spectrum analysis

4 隧道变形原因分析

1)江中段隧道沉降随潮位变化而同步变化，主要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)陆域段隧道中呈现不同的沉降规律，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)管片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。由于隧道周边土体渗透性和隧道覆土荷载变化与管片收敛变形有关，不同的土体渗透作用和不同的隧道覆土荷载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，导致隧道横向与纵向收敛变形曲线的振幅和周期不同。

5 总结与建议

基于对上海某盾构越江隧道运营期潮位变化监测数据分析研究发现： 江中段隧道沉降值的波峰和波谷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；陆域段隧道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较弱；隧道管片的横径、竖径在潮位变化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。

针对以上研究得到的规律，提出以下建议：

1)增加过渡段隧道中沉降测点，以充分掌握整条隧道沉降的变形规律；

2)在过渡段隧道存在较大的沉降变形，建议在施工阶段对过渡段隧道采用抗拔桩或打锚杆等措施，减少隧道抵抗潮位变化而产生的破坏；

3)对江中段隧道两侧采取注浆，增大隧道侧向抗力，以减少潮位变化对隧道产生的横向破坏；

4)在管片设计和施工阶段，考虑潮汐对管片循环作用的影响，增大管片抵抗的水压力分项系数，提高管片抗疲劳破坏的能力。

本研究得到的规律仅适用于相同或相似地质条件的水下盾构隧道，对于其他土质条件或其他类型的隧道还需要做针对性的研究。虽然本研究得到了潮位变化引起隧道变形的部分研究成果，对隧道运维工作起到了一定的借鉴和参考，但是未对潮位变化引起的隧道横向位移方面展开研究。因此，今后需要增加横向位移的监测点，全面掌握潮位变化对长期运营隧道变形的影响规律。

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StudyofTidalFluctuationInducedDeformationLawofaRiver-crossingShieldTunnelinShanghai

DU Yuangang1, 2, HU Min1, 3, TENG Li1, 4, YU Gang1, 3

(1.SHU-SUCGResearchCenterforBuildingIndustrialization,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200444，China; 3.SILCBusinessSchool,ShanghaiUniversity,Shanghai201400,China; 4.ShanghaiUndergroundDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200020,China)

The monitoring data of a river-crossing shield tunnel in Shanghai and the tidal fluctuation above the tunnel are analyzed by data statistical analysis method, correlation analysis method and periodicity analysis method, so as to learn the relationship between tidal fluctuation and deformation and convergence of river-crossing shield tunnel. The results show that: 1) The even settlement would occur at tunnel section in river; and the settlement fluctuation and tidal fluctuation show similar periodicity. 2) The settlement fluctuation of tunnel section on land is related to the distance between tunnel and the river. 3) The tidal fluctuation induced cyclic convergent deformation of transverse diameter cross-section of tunnel segment is larger than that of vertical diameter of cross-section of tunnel segment. The study results can provide reference for design, construction and maintenance of river-crossing shield tunnel.

cross-river shield tunnel; tidal fluctuation; operation period; tunnel settlement; tunnel convergence

2017-03-02;

2017-05-03

上海市科委重点项目“大数据专项”(13511504803)； 上海市国资委重大科研项目(2014008)

杜远港(1991—)，男，广东广州人，2017年毕业于上海大学，建筑与土木工程专业，硕士，主要从事运营期隧道变形监测研究的相关工作。E-mail: 610843336@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.010

U 45

A

2096-4498(2017)11-1424-06