运营期大直径越江盾构隧道长期监测规律分析*

杨林松，李 燚，谢东武，丁文其

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司, 湖北 武汉 430056；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；3.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

0 引言

越来越多的大直径过江隧道建成或正在修建中，包括上海、杭州、南京和武汉等[1]。由于大直径和高水压，盾构隧道在运营阶段会出现渗漏、错台、接缝张开、裂缝等情况。因此需通过监测方案对隧道结构的服役状态进行监控预警和状态评价，从而保证安全稳定。隧道监测是施工、运营阶段不可或缺的部分，通过监测数据，可对隧道结构的安全性进行预警和评价。

目前对监测方法和监测系统的研究主要集中在对结构进行全面精确的监测，从而得到准确数据，反映结构状态和安全性[2]。盾构隧道的监测研究大多集中在隧道纵向变形、环向收敛、应力应变、水土压力及温度等方面[2-7]。王如路等[4]对上海地铁隧道长期运营中的纵向变形监测数据进行分析，根据监测数据提出对周边环境的影响，对控制隧道纵向变形具有一定指导意义；陈基炜等[6]基于上海地铁1号线的变形监测数据，分析其规律性；史玉金等[7]以上海地铁4号线隧道长期监测数据为基础，分析隧道变形特性，并对隧道安全性进行评估；闫静雅等[8]基于对上海地铁25年的监测变形数据，总结隧道纵向不均匀沉降的原因及典型特征；李长俊等[9]通过多元线性回归分析法，对接缝张开度进行规律分析。

本文在相关研究基础上，以实际工程监测数据为基础，对隧道纵向变形的长期监测数据变化规律进行分析，最终对隧道结构的稳定性进行评价。

1 工程概况

国内某大直径越江盾构隧道工程分为南、北两线，该工程盾构管片外径14.5m，内径13.3m。隧道承受的最大水压力达0.72MPa(最高水位72.000m)，采用单层管片衬砌，环宽2m，厚600mm。采用钢筋混凝土平板型管片结构，每环管片由7块标准块、2块邻接块与1块封顶块组成。

为监测隧道纵向变形及横断面的变形情况，在隧道内布设纵向变形观测点，如图1所示，对隧道纵向差异沉降、横向水平位移变形和扭转变形进行监测；同时选取典型断面，布设传感器，可监测管片接缝张开度、钢筋应力、混凝土应变、水压力、温度等。

图1 隧道纵向变形观测点

2 竖向变形监测数据规律分析

隧道采用一系列监测系统，对隧道纵向、横向断面进行监测。本文着眼于隧道盾构段，基于纵向监测数据，分析隧道长期竖向变形的监测数据。

2.1 整体竖向位移空间分布

基于2019年3月的监测报告数据，以2017年3月初始监测数据作为竖向位移变化的初始值，得到竖向位移空间分布曲线，如图2，3所示。

图2 北线盾构段竖向分布曲线

图3 南线盾构段竖向分布曲线

从整体竖向位移数据来看，北线盾构段竖向位移以隆起为主，最大隆起约11mm，仅靠近江北工作井的2个监测数据为沉降值；南线盾构段竖向位移以隆起为主，最大隆起约10mm，仅靠近江北工作井的2个监测数据为沉降值。南北两线的竖向位移均未达到预警值15mm，整体结构处于相对稳定状态。

从盾构左右两侧差异沉降分布来看，北线左右两侧差异沉降在±1.5mm波动；南线左右两侧差异沉降在-1.0～1.2mm波动。盾构左右两侧的差异沉降相对较小。

2.2 竖向位移变化规律分析

基于2017年3月—2019年4月竖向位移监测数据，选取江水最深、覆土最浅的断面(N01， S01)，隧道最低点(N02，S02)，江中风井(N03，S03)，北线竖向隆起较大断面(N04，S04)，对竖向位移变化规律进行分析。

如图4所示，竖向位移初始监测数据为向上隆起约15mm；从2017年3月—2018年6月整体处于向下位移的状态，2018年6月达最低点，之后竖向位移呈上升趋势。整体竖向位移在均隆起的基础上，先向下位移，后向上位移。随时间推移，竖向位移变化速率逐渐减小，整体趋于稳定。

图4 竖向位移-时间变化曲线

3 竖向变形安全性分析

如表1所示，根据竖向位移预警值、变化速率及DG/TJ-08—2123—2013《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》中纵断面的相对变形允许值[k]，对盾构隧道竖向位移安全性进行分析评价。

表1 沉降及变形监测的安全指标

3.1 竖向位移监测安全指标评价

竖向位移监测安全指标评价如表2所示。根据相关监测资料，竖向位移的预警值为15mm，沉降变形速率预警值U0为0.1mm/d。根据监测安全指标表，对隧道监测数据进行分析。

表2 竖向位移监测安全指标评价

对南北监测数据进行分析，根据2019年3月的监测报告提取竖向位移最大值，根据初始监测数据至最近监测数据计算竖向位移变形速率。

由计算结果可知，南、北线竖向位移最大值均小于预警值，需进行关注，并根据后续数据判断变形发展规律。变形速率的最大值均小于变形速率预警值，但较接近预警值，根据最近的监测数据，南、北线变形速率分别为0.05，0.02mm/d，说明整体变形速率趋于稳定。

3.2 纵断面相对变形

盾构段及连接通道纵断面的相对变形允许值[k]按下式计算[10]：

(1)

式中：[k]取值范围为1/15 000～1/7 500，此处[k]取1/15 000；y′为纵向变形曲线对里程的一阶导数；y″为纵向变形曲线对里程的二阶导数。

纵向变形曲线是以纵向沉降曲线曲率为自变量，隧道里程为因变量，按三次样条插值绘制而成的沉降曲线曲率与里程间的函数关系[10]。根据现场监测数据，按照三次样条插值法计算盾构隧道纵断面相对变形，结果如图5所示。

图5 纵断面相对变形

根据计算结果，南、北线的纵断面相对变形均小于1/15 000，整体相对变形较小，整体结构服役状态相对稳定。

4 断面监测数据规律分析

4.1 应变与温度监测数据规律分析

根据横断面监测数据，基于非线性拟合，以2016年6月—2017年7月的监测数据为基础，进行规律分析。选取某一监测断面数据，根据温度、应变监测数据的拟合结果可以发现，监测数据呈一定周期变化，监测数据变化周期均约等于1年，如图6所示。

图6 断面监测数据拟合分析

根据材料膨胀性质可知，温度变化会引起材料变形，对监测数据进行拟合分析后发现，消除温度变化影响后，监测数据变化非常小，可认为结构断面变形处于稳定状态。

4.2 渗压计监测数据规律分析

以2016年6月—2017年6月的监测数据为基础，选取某断面监测数据进行规律分析，如图7所示，监测数据显示，水压最大差值为70kPa，夏天区间水压相对较高，冬天区段水压相对较低，整体均在安全范围内变化。

图7 监测断面渗压计监测数据

根据长江水文站提供的水位变化情况，如图8所示，与监测数据进行对比发现，水压监测数据的变化规律与水位变化规律基本一致，水位最大差值为7m，相当于最大差值水压70kPa，与监测数据一致。同时水位在夏天区间相对较高，冬天区间相对较低，与监测数据一致。

图8 隧道现场水文数据

5 结语

1)本文基于国内大直径越江盾构隧道工程的长期监测数据，对隧道竖向位移进行规律性分析，发现在初始监测数据基础上，隧道整体竖向位移首先向下位移，然后向上位移，变化速率逐渐变小，竖向位移逐渐趋于稳定。监测数据均在安全范围内变化。

2)对长期监测数据中竖向位移的安全性进行分析，竖向位移、变形速率及纵断面相对变形均在安全范围内，说明结构整体纵向变形处于安全稳定状态。

3)断面监测数据规律分析显示温度、应变在1年内呈周期性规律变化，考虑材料热膨胀效应后，应变监测数据的变化很小，说明断面应变也处于稳定状态，渗压计监测结果与水文数据变化规律一致。