沉管隧道岸边堆砂影响

96
施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2012年7月上第41卷第368期
沉管隧道岸边堆砂影响分析
张瑞霞
（上海同济建设工程质量检测站，上海
200092）
［摘要］针对某过江沉管隧道岸边堆砂的情况，采用三维软件进行数值模拟分析，讨论了运营期岸边堆砂大小以及堆砂位置等不同工况下，对沉管隧道结构受力产生的不同程度的影响，并参考沉管隧道运营期相关变形控制标准，对不同堆砂工况下的隧道安全性进行了评价，并给出了建议。

［关键词］隧道工程；沉管隧道；堆砂；荷载；运营；数值模拟分析；变形［中图分类号］TU289；U459.5
［文献标识码］A
［文章编号］1002-8498（2012）13-0096-04
Analysis to the Influence of Accumulated Shore Sand on Immersed Tunnels
Zhang Ruixia
（Shanghai Tongji Institution of Inspection on Construction Quality ，Shanghai
200092，China ）
Abstract ：An immersed tube tunnel crossing a river has accumulated sand on shore．With numerical analysis using three-dimensional analysis software ，this paper discussed the influence of the sand on the immersed tube tunnel considering different size and location of the sand load．Analysis was performed with respect to the deformation criterions for immersed tube tunnels during normal operation．Safety of immersed tunnels under different sand load conditions was evaluated and design suggestions provided．Key words ：tunnels ；immersed tunnel ；accumulated sand ；load ；operation period ；numerical
analysis ；deformation ［收稿日期］2012-01-05
［作者简介］张瑞霞，工程师，
E-mail ：rurusea546@163．com 1
工程概况
某隧道为双向四车道沉管隧道，分为江北引道段、
江北暗埋段、江中沉管段、江南暗埋段、江南引道段五大部分。

其中沉管段长395m ，由4节组成。

江北暗埋段长80m ，引道段长283m ；江南暗埋段长92m ，引道段长249m ，于2002年建成通车。

沉管段采用桩基础方案，纵向间距5 8m ，每排4根，桩的截面尺寸为600mm ˑ600mm ，桩长27 37m 。

隧道剖面如图1所示。

由于现场工程需要，沉管隧道江南暗埋段与E4沉管段位置需放置砂堆，分别位于隧道东西两侧。

考虑砂堆作为地表外部荷载作用，可能对沉管隧道的结构受力产生一定的影响，本文根据堆砂大小以及堆砂位置的不同，拟考虑4种工况，采用三维数值模拟，讨论岸边堆砂对沉管隧道产生的影响［1-3］。

2
沉管隧道运营期变形控制标准
沉管隧道
相关设计规范中仅规定了隧道建设过程中的变形控制指标，尚缺乏运营期间隧道在外
图1
沉管隧道剖面示意
Fig．1
Section of the immersed tunnel
部堆载作用下的变形控制标准，本工程中隧道变形控制标准引申《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》，该规定适用于上海地铁的保护，规定中的施工是指地铁运营期间沿线建筑施工，当应用于沉管隧道运营期时偏于保守。

主要采用以下相关控制标准：①地铁工程（外边线）两侧的
2012No．368张瑞霞：沉管隧道岸边堆砂影响分析97
邻近3m范围内不能进行任何工程。

②地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）。

3沉管隧道岸边堆砂三维计算分析
3.1工况选取
南岸砂堆靠近隧道江南暗埋段与E4沉管段，位于隧道东西两侧，根据堆砂先后以及堆砂位置的不同，可分为4种工况。

4种工况中仅考虑堆砂荷载对隧道的影响，不考虑地震、交通、温度效应以及波浪等外部荷载。

荷载组合为永久荷载+可变荷载，其中永久荷载为结构自重、顶板上覆土荷载、水土侧压力以及底板水反力；可变荷载为堆砂荷载［4］。

1）工况1仅考虑东侧堆砂对隧道的影响，砂堆中心距隧道中心线27m，直径为62m，高10m。

2）工况2仅考虑西侧堆砂对隧道的影响，砂堆中心距隧道中心线19m，直径为50m，高6m。

3）工况3考虑东西两侧同时堆砂对隧道的影响，其中东侧砂堆中心距隧道中心线27m，直径为62m，高10m，西侧砂堆中心距隧道中心线19m，直径50m，高6m。

4）工况4考虑东西两侧同时堆砂对隧道的影响，同时严格执行规定中隧道两侧3m范围内禁止施工的要求，即砂堆边缘线距隧道外边线3.0m，其中东侧砂堆中心距隧道中心线45.4m，直径为62m，高10m，西侧砂堆中心距隧道中心线39.4m，直径50m，高6m。

3.2模型建立
建立隧道堆砂三维数值计算模型（见图2），设定南北方向为x轴，南为正；东西方向为y轴，东为正；竖直方向为z轴，向上为正。

模型共划分为59290个节点和53890个单元，沿隧道方向为x轴取长113m，垂直隧道方向y轴取长160m，竖向为z轴取深度为50m。

模型边界条件为：底部采用位移边界条件，即水平和垂直方向的位移均约束，侧面水平方向位移约束，顶部为自由边界。

砂堆材质为普通河砂，重度取20.5kN/m3。

沉管结构材料、剪切键、压舱混凝土、暗埋段管身材料、素混凝土挡墙假定为理想线弹性体，依据《混凝土结构设计规范》GB50010—2002相关规定选取参数，止水帷幕、大坝以及坞墩采用深层水泥土搅拌桩加固，假定为理想线弹性体。

具体参数选取如表1 3所示。

根据工程地质勘察报告，计算区域内地下潜水位标高0.940 1.790m，高差0.85m，
按当地长期观
图2计算模型Fig．2Calculation models
测结果，常年平均地下潜水位标高取1.50 1.70m，
表1混凝土结构材料特性
Table1Concrete structure material properties
结构名称材料名称
重度γ/
（kN·m－3）
弹性模量
E
/MPa
泊松比
μ
沉管结构材料C3525315000.20剪切键C3525315000.20压舱混凝土C3525315000.20暗埋段管身材料C3025300000.20钻孔灌注桩C3025300000.20素混凝土挡墙C2525280000.20止水帷幕深层水泥土搅拌桩222000.25
大坝深层水泥土搅拌桩222000.25
坞墩深层水泥土搅拌桩222000.25
表2各土层材料特性
Table2Material properties of each soil
土层
编号
土层
名称
重度γ/
（kN·
m－3）
变形
模量
E
/
MPa
等效弹
性模量
E
e
/
MPa
黏聚
力c/
kPa
内摩擦
角φ/
（ʎ）
泊松
比
μ碎石20.0200—5450.20
回填土19.0 5.00—16300.33Ⅲ1灰色淤泥质黏土17.0 1.12739.255100.40Ⅲ2灰色黏质粉土18.7 6.32743.322270.30Ⅳ1灰色淤泥质黏土17.4 1.13739.265100.40Ⅳ2灰色黏质粉土19.1 3.94743.953230.30Ⅳ3灰色黏土17.9 1.50739.6225160.40Ⅴ1暗绿色黏土19.4 3.65742.7060180.35Ⅴ2褐黄粉质黏土19.3 3.41742.4520180.30Ⅵ1灰色粉质黏土18.7 3.36741.4410170.35
98
施工技术
第41卷
表3
变形缝接触面属性
Table 3
Interface attributes of deformation joint
黏聚力c /kPa
有效内摩擦角
φ/（ʎ）
切向刚度/（kPa ·m
－1
）
法向刚度/（kPa ·m －1）0
20
2ˑ103
2.2ˑ108
表4
计算结果汇总
Table 4
The calculation results of the four conditions
工况1
234砂堆
东侧堆砂西侧堆砂东西侧堆砂东西侧堆砂
砂堆边缘与隧道外边线距离/m 隧道正上方
隧道正上方
隧道正上方
3是否满足规定1：隧道两侧3m 内禁止施工
否否否是总变形/mm 0.9 32.70.6 12.1 2.9 32.2 1.1 8.2轴向变形/mm －0.6 1.2－0.3 0.6－0.3 1.0－0.4 0.6侧向位移/mm －7.2 13.1－8 1.4－5.0 5.8－6.5 1.7竖向位移/mm
－31.9 3.3
－11.6 2
－32.0 1.6
－6.7 －0.4
是否满足规定2：隧道沉降、水平位移≤20mm
否是否是第1主应力σ1增量/MPa
3.060.69 3.24 3.03第3主应力σ3增量/MPa
0.810.370.830.56方案是否可行
否
否
否
是
本次数值分析中地下水位标高取1.70m ，考虑隧道外静水压力最大时的不利情况。

3.3
计算结果分析
篇幅所限，此处仅详细列出工况1计算结果（见图3 8）。

图3
隧道变形云图
Fig．3
Tunnel aberration nephogram
南岸堆砂4种工况计算结果汇总如表4所示。

3.4
结论与建议
通过建立常洪隧道堆砂三维数值计算模型，详细分析南岸堆砂4种工况以及北岸堆砂时隧道的受力和变形情况，得到结论如下
［5-6］。

1）南岸只在东侧堆砂（砂堆中心距隧道中心线27m ，其直径62m ）、只在西侧堆砂（砂堆中心距隧道中心线19m ，
其直径50m ）、东西两侧堆砂（东侧砂堆中心距隧道中心线27m ，其直径62m ，西侧砂堆中心距隧道中心线19m ，其直径50m ）等3种工况（工况1 3），
因砂堆直接置放于隧道顶部，且东侧砂堆引起隧道变形超过20mm ，其堆砂方案对隧道长期结构稳定性影响较大，
需要调整堆砂位置以改善隧图4
隧道侧向位移
Fig．4
Lateral displacement of the tunnel
道结构受力。

2）南岸堆砂（东西两侧同时堆砂时，东侧砂堆中心距隧道中心线45.4m ，西侧砂堆中心距隧道中心线39.4m ）工况中堆砂边缘距隧道外边线＞3m ，且隧道变形＜20mm ，该堆砂方案基本不影响沉管隧道结构安全性。

3）江南暗埋段，靠近暗埋与E4沉管接头位置
2012No．368张瑞霞：沉管隧道岸边堆砂影响分析
99
图5隧道竖向位移Fig．5Vertical displacement of the
tunnel
图6隧道接头差异变形
Fig．6Differential deformation of the tunnel
joints
图7隧道第1主应力增量
Fig．7The first main stress increment of the tunnel
的裂缝错台比较明显，属于剪切-张拉破坏，主要是
隧道受外荷载引起不均匀沉降而致。

针对南岸堆
砂情况，提出如下建议。

1）沿隧道轴向方向，堆砂应适当靠近加固过的
大坝、坞墩以及桩基上的E4，S1段，远离换填地基
上的暗埋段S2 S4。

2）沿隧道横向方向，堆砂边缘应离隧道外边线
3m以上。

4结语
由于沉管隧道主体结构比较复杂，受地质
条
图8隧道第3主应力增量
Fig．8The third main stress increment of the tunnel
件、结构施工方法、周边环境、列车运行等多种因素
的综合影响，主体结构容易产生不同程度的变形。

本文结合某沉管隧道岸边堆砂的实际情况，采用三
维数值模拟的方法，分析了外部堆砂荷载作用下隧
道结构变形及受力，并结合沉管隧道运营期相关变
形控制标准，对不同工况下隧道结构的安全性给出
评价，为现场堆砂方案的选取提供了理论依据。

参考文献：
［1］张笑星．地铁隧道结构变形和地铁运营安全自动监测的研究
和应用［J］．现代隧道技术，2008（S1）：191-197．
（下转第111页）
2012No．368詹金林：基于GPS的强夯施工信息管理系统研究111
从表1可以看出，对于强夯地基的允许偏差或允许值应进行控制，可以通过GPS对地基强度和承载力以外的一般项目指标进行控制。

针对表1中所列的质量控制标准，利用夯锤上GPS信号接收设备，将接收信号以无线通讯技术传输至室内工作站，采用实时差分GPS技术、数据库技术、互联网通讯技术、计算机软件技术、GIS地理信息系统技术和GPS应用程序设计技术［5］，开发出强夯施工信息管理平台软件系统，通过三维坐标和时间对表1中的一般项目进行严格过程控制。

主控项目可通过夯后检测单位检测确定。

通过信息管理平台一系列计算及分析，可以将夯锤的平面位置、落锤高度、夯击遍数、夯击范围、间歇时间等信息反映在管理系统软件的场地施工平面图上，并同实际的夯锤平面位置、落锤高度、夯击遍数、夯击范围、间歇时间进行对比，对不满足要求的位置采用声音报警和警报颜色标示。

4数据管理与检测查询
1）夯锤落距控制根据夯锤上GPS接收设备接收的GPS信息以及初始地面高程，能够实时监测夯锤落距是否满足设计及施工质量验收标准。

对于落距不满足要求的夯点，在夯点平面图上用落距检测命令，采用颜色对落距进行平面标示，并在实时监测中发出警报声音，并用警戒色标示。

2）夯点间距、位置控制根据夯锤GPS定位，参照设计夯点平面布置，可以对夯点位置进行跟踪监测，通过分析计算，在信息管理系统平台上对夯点间距、位置进行颜色标示，使管理者能够准确了解施工的夯点间距及平面位置，对不满足设计要求的在实时监测中发出警报声音，并用警戒色标示。

3）夯击数、夯击遍数、顺序控制对夯击遍数、顺序同样采用颜色进行控制，同预定设计要求进行对比，不满足要求处在实时监测中发出警报提示管理者注意，并用警戒颜色标示。

4）夯击范围控制在信息管理系统平台上，对夯锤上GPS接收数据进行定位，确定实际施工位置与图纸边界差距，在实时监测中对不满足要求的施工发出警报提示管理者注意，并用警戒颜色标示。

5）前后两遍间歇控制通过夯锤上GPS接收数据的时间信息，对前后两遍强夯间歇时间与设计间歇时间进行对比，从而实现对间歇时间控制，不满足设计要求处采用实时警报和警戒颜色标示。

6）收锤标准控制自动监测和计算最后两击平均夯沉量，避免人工测量误差，并与设计收锤标准相比较，确定是否满足设计要求。

不满足的夯点，进行声音报警和在信息管理平台上采用颜色报警。

7）强夯机间安全距离控制信息管理平台自动监控强夯机之间安全距离，并及时发出警报，避免强夯机施工距离过近造成安全隐患。

对于需要查询的任何施工数据，均可在信息管理平台中予以调出和查询，并在最终实时监测记录中记录，在管理平台上对异常现象予以显示和标记。

5施工质量监控数据GIS处理与实时发布
在信息管理平台中调用图纸数据库建立强夯区域、能级划分，形成边界。

对夯点建立实时三维坐标数据，并将落距、夯击次数、夯击遍数、夯击顺序、间歇时间等建立数据库，形成施工过程控制的初始基准数据。

对于施工过程参数，结合GIS地理信息处理系统，对施工实时监测数据及时在图纸上显示，并在信息管理平台上用可视化映射绘图、动态模拟进行标示，并与初始基准数据做对比，在GIS系统中进行动态显示和记录，根据程序设置要求向互联网发布信息或以电子信箱等形式通知有关人员，动态了解施工情况，实现强夯设计与施工参数的全面监控。

6结语
GPS强夯施工信息实时管理系统是对强夯施工质量控制的一种全新和有效的过程控制技术，实现了业主、监理、施工等单位全方面过程控制，提供了实施过程监测数据，对提高施工过程控制提供了重要保证，而且可大大减少管理成本。

参考文献：
［1］王乾坤，陈沁．GPS大坝施工碾压质量实时监控方法［J］．武汉理工大学学报，2009，31（8）：79-82，108.
［2］黄健，初长祥．GPS智能管理系统在工程机械中的应用［J］．工程机械与维修，2008（9）：110-111.
［3］李彦梅，张三刚．GPS在混凝土面板堆石坝填筑施工中的应用［J］．中国农村水利水电，2006（10）：110-111.
［4］王铁宏．全国重大工程项目地基处理实录［M］．北京：中国建筑工业出版社，2005.
［5］李弘涛，许国昌，薛鸿印．GPS应用程序设计［M］．北京：科学出版社，2000.
（上接第99页）
［2］李文婷，王如路，余占奎．软土盾构隧道局部卸载的理论与三维有限元分析［J］．四川建筑科学研究，2008（5）：103-107．［3］张卫国，姜韡，张伟．地下工程结构计算方法概述［J］．地下空间，2002（3）：197-199，281．
［4］杜朝伟，王秀英．水下隧道沉管法设计与施工关键技术［J］．中国工程科学，2009（7）：76-80．
［5］黄宏伟，臧小龙．盾构隧道纵向变形性态研究分析［J］．地下空间，2002（3）：244-251，283．
［6］廖少明，白廷辉，彭芳乐，等．盾构隧道纵向沉降模式及其结构响应［J］．地下空间与工程学报，2006（4）：566-570，595．。