探究沉管隧道病害对结构安全的影响

邹 团 高 聪

（1．广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000；2．广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510500）

沉管隧道是修建大型水下隧道主要采用的结构形式之一，其管段多为钢筋混凝土结构，经工厂预制完成后，再浮运吊装至水面指定位置处进行沉放对接，最后形成可靠的水下通道。与同样可用于水下隧道建设的盾构法相比，沉管法更具备修建工期短、地质条件制约小的优点[1]，因此，被世界各国广泛采用。其中于1992年底建成通车的广州珠江隧道，是我国大陆首次采用沉管法建成的第一座大型道路与地下铁路共管设置的水下隧道。该沉管隧道在投入运营二十余年后，由于长期受潮汐作用和冲刷作用影响，管段上方覆盖层被淤泥堆积和冲刷侵蚀，导致受力不均，又因外界荷载多变，经日积月累，容易出现环向裂缝。这裂缝的存在将降低结构的承载能力，部分裂缝还会导致隧道渗漏水，进而出现钢筋锈蚀和混凝土劣化问题，影响结构的耐久性和美观性。

本文以某沉管隧道为例，探究病害对沉管隧道结构安全的影响，分析了覆盖层及裂缝病害与隧道结构安全系数变化的对应关系，为今后沉管隧道的裂缝病害维修和治理提供理论依据。

1 模型建立

采用有限元软件，建立沉管隧道荷载-结构法计算模型如图1所示。

图1 沉管隧道计算模型

将沉管隧道简化为矩形框架结构，采用梁单元模拟。其中管段横截面左侧空间用于公路通行，右侧空间用于地铁通行。沉管隧道的计算外部荷载考虑水压、土压、淤泥等作用下的各种不同荷载组合，主要简化为垂直压力和水平压力，作用在沉管四周[2]，相关计算参数取值见表1。衬砌采用C28钢筋混凝土，覆盖层的构成按砂石（原设计覆盖层主要构成）和淤泥（水下泥沙堆积）考虑。由于沉管隧道在荷载作用下的侧向变形不明显，可不考虑地层的侧向抗力。

表1 隧道模型计算参数

2 病害对管段结构安全的影响

2.1 覆盖层对结构安全的影响

沉管隧道的覆盖层主要是为了保持水下管段的稳定，包括满足管段的抗浮设计要求、满足隧道结构的防锚要求等。此外，管段覆盖层还可以减小覆盖层及其下的回填材料受到的水力冲刷作用[3]。但随着时间推移，管段覆盖层还是不可避免会受到潮汐作用和冲刷作用影响，进而出现两端出现淤积情况，中部上下游回填层出现凹坑的情况，即分别表现为覆盖层厚度变化和覆盖层不密实。

2.1.1 覆盖层厚度

对沉管隧道节段模拟不同覆盖层厚度下的受力情况，按覆盖层厚度分别为0.36、2.72、6.88 m进行计算。提取相应工况下计算所得的轴力、弯矩值，并计算安全系数K值。其中，当覆盖层厚度为0.36 m时，管段的内力云图如图2所示，计算结果见表2。

图2 内力云图（覆盖层厚度0．36 m）

表2 覆盖层厚度工况计算结果

比较不同覆盖层厚度的计算结果。随着覆盖层厚度的增加，沉管隧道的轴力、弯矩值将相应增大，沉管隧道的最小安全系数也将相应地降低。表明当管段上方存在淤泥堆积时，其内力值将增大，从而引起承载能力安全系数的降低；而当管段上方受到冲刷作用导致覆盖层厚度不足时，其内力值整体较小，承载能力安全系数会有所提高。因此，从安全系数考虑，应维护沉管隧道的覆盖层厚度在一个较小区间内变化。但由于覆盖层厚度还会影响沉管隧道的抗浮性能，所以，需要对覆盖层厚度引起的结构承载力安全性变化和结构抗浮安全性变化进行综合考虑。

2.1.2 覆盖层不密实

管段覆盖层不密实将导致沉管段受力不均，易导致衬砌开裂，而沉管隧道的开裂将引起渗漏水，影响结构安全。选取节段典型截面进行研究，分别考虑顶板不同范围下的衬砌背后不密实对结构安全性的影响，按不密实范围分别为1、1.5、2 m进行计算。提取相应工况下计算所得的轴力、弯矩值，并计算安全系数K值。其中，当不密实范围为1 m时，管段的内力云图如图3所示，计算结果见表3。

图3 内力云图（覆盖层不密实范围1 m）

表3 覆盖层不密实工况计算结果

比较不同覆盖层密实范围的计算结果。随着不密实范围的增加，沉管隧道的轴力值呈现减小趋势，但弯矩值和最小安全系数变化较小。沉管隧道的最小安全系数也将相应地降低。表明当管段上方存在不密实时，管段结构承受的垂直荷载减小，理论上会引起管段结构的内力值呈现减小的趋势。但由于覆盖层不密实的范围较小，即相对于管段覆盖层厚度而言，其造成的荷载变化量占比不大，因此，从计算结果来看，其弯矩值和最小安全系数值几乎没有变化。但是，管段上方覆盖层不密实除了会影响沉管隧道的受力状态，也会引起覆盖层对沉管隧道的保护能力确实，进而引发其他的安全问题。

2.2 裂缝对结构安全的影响

对于水下沉管隧道，需要严格控制裂缝的产生与发展。由于沉管隧道所处环境的特殊性，裂缝的发展可能会导致隧道的渗水问题，从而引起严重的安全问题。因此，针对沉管隧道的裂缝病害，需要加以重视。

裂缝的模拟采用改变衬砌截面厚度的方法。选取沉管隧道某节段，模拟裂缝分别位于地铁通道的边墙、中隔墙、顶板位置时，裂缝病害对结构安全性的影响。按裂缝贯通且深度一致进行模拟，分别模拟以下工况：

（1）边墙裂缝。分别考虑左边墙存在裂缝、右边墙存在裂缝、左右边墙均存在裂缝的情况。

（2）中隔墙裂缝。

（3）顶板裂缝。

提取相应工况下计算所得的轴力、弯矩值，并计算安全系数K值。其中，当顶板存在环向裂缝时，管段的内力云图如图4所示，计算结果见表4。

图4 内力云图（顶板环向裂缝）

表4 裂缝工况计算结果

比较不同侧边墙出现裂缝的情况。当右边墙存在裂缝时，沉管隧道最小安全系数为3.24；当左边墙存在裂缝时，沉管隧道最小安全系数为2.93；而当左右两侧边墙均存在裂缝时，沉管隧道结构的受力行为与左边墙存在裂缝时的受力行为相近。表明左边墙位置处的裂缝，较右边墙位置处的裂缝，对结构安全性影响大。这是由于右边墙作为沉管隧道的外侧边墙，其截面厚度比左边墙大。当存在同样深度的环向裂缝时，环向裂缝对右边墙的结构刚度影响较小。从数值计算结果也可看出，右边墙裂缝时的内力极值较左边墙裂缝时小。

比较不同位置出现裂缝的情况。当顶板存在裂缝时，沉管隧道的最小安全系数为2.75，低于其他位置处时的最小安全系数值。表明拱顶位置处的裂缝对结构安全性影响最大。而中隔墙存在裂缝时的最小安全系数与左边墙存在裂缝时相近，这也是由于中隔墙的截面厚度较小，同样深度的环向裂缝对中隔墙和左边墙的结构刚度影响相近。

3 结语

对于沉管隧道，覆盖层厚度变化、覆盖层不密实及裂缝病害都会改变管段的受力状态：

（1）覆盖层厚度越大，管段的轴力、弯矩值越小，安全系数相应减小；反之，管段的轴力、弯矩值越大，安全系数相应增大。

（2）覆盖层不密实范围越大，管段的轴力、弯矩值越大，安全系数相应增大；反之，管段的轴力、弯矩值越小，安全系数相应减小。

（3）环向裂缝会引起管段安全系数的降低，特别是当顶板出现环向裂缝时，其安全系数变化明显。

因此，沉管隧道的养护维修单位应密切关注隧道管段上方覆盖层情况，及时进行清淤和修复，保持覆盖层厚度处于合理的变化范围内。并对管段内出现的裂缝病害及时进行封闭，特别是顶板位置的裂缝，以保证沉管隧道在运营期间的安全可靠。