軟土盾構(gòu)隧道縱向設(shè)計綜述

1、軟土盾構(gòu)隧道縱向設(shè)計綜述摘要:通過對軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造設(shè)計理論的現(xiàn)狀和已建軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造存在問題的分析,指出克制軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造發(fā)生過量縱向沉降或不均勻沉降而引起隧道滲水、漏泥、構(gòu)造部分破壞等影響隧道正常使用及其耐久性問題的關(guān)鍵是展開縱向設(shè)計理論研究。在縱向設(shè)計理論指導下,通過軟土盾構(gòu)隧道襯砌管片拼裝形式、管片材料等方面的創(chuàng)新改造,使軟土盾構(gòu)隧道的設(shè)計方法更加科學合理。關(guān)鍵詞:軟土;盾構(gòu)隧道;縱向設(shè)計;地下工程1概述隨著世界經(jīng)濟的全球化和社會的不斷進步,人們對自身的生存環(huán)境質(zhì)量的要求愈來愈高,致使城市化程度迅速進步,城市規(guī)模不斷擴大。城市成為世界各國、各地區(qū)的政治、經(jīng)濟、文化開展中心。然而,為

2、城市建立的可持續(xù)開展、資源的節(jié)約和環(huán)境的保護,城市建立者越來越多地開發(fā)利用一切可以利用的有限生存空間,尤其是城市的地下空間,以建立給水、排水、能源、交通等地下隧道。然而,隨著地下空間的開發(fā)利用,越來越多的地下構(gòu)造由于使用過程中的過量不均勻變形而致的對地下構(gòu)造本身及其周圍環(huán)境的影響也愈加嚴重12。例如,在地下動水壓力的作用下,上海市金山海水引水工程中的盾構(gòu)隧道(見圖1)下臥土層的水土流入隧道,隧道隨之產(chǎn)生縱向沉降和彎曲,導致環(huán)向接縫進一步張開和水土流失增加,最終導致破壞性縱向變形和破壞性橫向受力狀態(tài),最大相對不均勻沉降到達了18,橫向直徑變化最大超過103。上海市地鐵一號線于1995年4月正式建

3、成投入運營。經(jīng)過長期的變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn),隧道在長期運營中的沉降及不均勻沉降相當大,許多隧道段的沉降和不均勻沉降一直在開展,而且沒有收斂的趨勢4。至2001年底人民廣場站-新閘路站之間的區(qū)間隧道最大累計沉降量超過200;黃陂南路站-人民廣場站之間的區(qū)間隧道差異沉降量近100(詳見圖2)。過大的不均勻變形已對隧道的構(gòu)造、接頭防水構(gòu)成威脅。到目前為止,雖然管片遭到破壞的情況極少,但在一號線已發(fā)現(xiàn)道床與管片之間發(fā)生開裂現(xiàn)象,在漢中路站至黃陂南路站之間已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少5處整體道床與管片之間發(fā)生開裂和脫節(jié)現(xiàn)象,斷斷續(xù)續(xù)累計達300。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),根本上都是由于隧道部分較大的不均勻沉降造成5。另外由于縱向不均勻變形

4、造成管片接縫變形增大,一號線的區(qū)間隧道滲漏水的地方很多,漏水點主要集中在環(huán)縫、封頂塊相連的“十字縫等處,而環(huán)縫漏水是最難處理的。隨著隧道縱向不均勻變形的開展,隧道漏水的情況越來越多,甚至會影響地鐵的正常運營。當前大量地下隧道建立理論中,盾構(gòu)施工法已成為城市地下隧道建立的主要施工方法,尤其地鐵隧道。上?，F(xiàn)有和正建的地鐵隧道無一例外地采用這一方法施工。而上海同許多沿海城市一樣是位于軟土廣泛分布的地層上,正是盾構(gòu)隧道構(gòu)造所處的軟土環(huán)境導致大量的運營軟土盾構(gòu)隧道發(fā)生過量的縱向沉降或不均勻沉降,引起隧道滲水、漏泥或構(gòu)造部分破壞,有時甚至會影響到隧道的正常運營2021。因此,深化研究軟土盾構(gòu)隧道縱向變形對

5、隧道構(gòu)造影響及考慮縱向變形的襯砌構(gòu)造縱向設(shè)計理論是解決軟土盾構(gòu)隧道現(xiàn)存問題的關(guān)鍵,尤其是襯砌構(gòu)造縱向設(shè)計方法。2襯砌構(gòu)造縱向設(shè)計現(xiàn)狀目前,國內(nèi)外對盾構(gòu)法隧道襯砌構(gòu)造設(shè)計主要采用橫向設(shè)計。在國內(nèi),我國地下鐵道及鐵路隧道設(shè)計標準6中推薦使用荷載構(gòu)造模型,而未考慮縱向變形的影響。?上海市地基根底設(shè)計標準?1999版中對盾構(gòu)隧道縱向變形進展了一定的考慮7,提出盾構(gòu)隧道縱向不均勻沉降的影響是不可無視的。尤其是盾構(gòu)工作井和區(qū)間隧道的連接處;隧道底部下臥土層特性及分層突變處;覆土厚度急劇改變處等,都會有較明顯的不均勻沉降。提出在設(shè)計中應按照預估的沉降差,設(shè)置適量的變形縫。標準還提到在施工階段和使用階段,進展

6、隧道構(gòu)造的橫向內(nèi)力和變形計算時,在必要的時候宜考慮隧道縱向變形對橫向內(nèi)力和變形值的影響。目前,國內(nèi)針對軟土盾構(gòu)法隧道采用的設(shè)計模型主要為勻質(zhì)圓環(huán)和彈性鉸法1317,皆可用彈性方程解。前者主要用于使用階段的設(shè)計驗算,后者主要用于施工階段的設(shè)計驗算。在國外,國際隧道協(xié)會()在1978年成立了隧道構(gòu)造模型研究組,搜集各會員國采用的地下構(gòu)造設(shè)計模型。并于2000年編寫出了?盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計指南?8,為各國盾構(gòu)隧道構(gòu)造的設(shè)計指明了根本原那么。其中將構(gòu)造模型分為四類:連續(xù)體或不連續(xù)體模型、作用與反作用模型、收斂-約束模型和工程類比法。這與我國學者劉建航、侯學淵5的分類(經(jīng)歷類比模型;荷載構(gòu)造模型;地層構(gòu)造

7、模型;收斂限制模型)根本一樣。同時在?盾構(gòu)法隧道設(shè)計指導?中提出在必要時將隧道縱向沉降的影響列入荷載類別的特殊荷載項予以考慮。美國交通運輸研究協(xié)會在2000年度報告9中就提到,很多處于軟土中的隧道、管道的破壞或出現(xiàn)問題就是由于縱向不均勻沉降而產(chǎn)生的。最多的一種情況就是由于下臥土層土性沿縱向分布不均勻而產(chǎn)生的縱向不均勻沉降。因此美國交通運輸研究協(xié)會在2000年提出了隧道“縱向設(shè)計的概念,并方案開場進展這方面的研究工作。由此可見,在現(xiàn)行的設(shè)計標準中還沒有縱向設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容,但是,構(gòu)造的縱向問題對構(gòu)造的影響已經(jīng)引起廣闊學者關(guān)注。因此,開展縱向設(shè)計相關(guān)研究具有重大現(xiàn)實意義。由于隧道縱向問題屬于三維問題

8、,其構(gòu)造復雜,縱向構(gòu)造計算模型尚不成熟。但也已經(jīng)獲得了一定的科研成果。在工程實測和室內(nèi)試驗根底上,已建立了一些隧道縱向構(gòu)造計算模型。目前對軟土隧道縱向構(gòu)造的理論研究主要分為:試驗或?qū)崪y分析法、數(shù)值分析法和理論解析法。在理論解析法中根據(jù)隧道接縫和螺栓簡化方法的不同,日本學者提出了兩種隧道縱向構(gòu)造理論,一種是以村上博智及小泉淳22為代表的以軸向、剪切和彎曲彈簧模擬接縫和螺栓、以梁單元模擬襯砌環(huán)的梁一彈簧模型,它是將橫向梁一彈簧模型移植到了隧道構(gòu)造縱向(見圖3);縱向粱一彈簧模型中每一襯砌環(huán)均由一直線粱模擬,各襯砌環(huán)間的接縫以彈簧模擬,因此在作縱向分析計算時單元較多,它可以模擬襯砌環(huán)和接縫性能有變化

9、的隧道段,但其缺點也是明顯的,即一般合適于線性分析,并且由于以單元作為根底,分析過程為矩陣形式,需要通過數(shù)值方法實現(xiàn),所得結(jié)果需要進展再一次分析才能得到管片、螺栓應力和接縫張開度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。另一種模型是以志波由紀夫及川島一彥2325為代表的等效軸向剛度模型,該方法認為隧道在橫向為一均質(zhì)圓環(huán)、在縱向以剛度等效的方法將有環(huán)向接縫非連續(xù)的構(gòu)造等效為連續(xù)均質(zhì)圓筒。由于是直接從分析襯砌環(huán)向接縫和螺栓的受力變形性能出發(fā)得到等效模型,因此計算結(jié)果可直接給出管片和螺栓應力,并且在很多情況下可推導得到顯式理論解,應用方便,但該方法也有未考慮預應力、只簡單被認為是彈性地基上的直梁等缺點,然而,根據(jù)目前國內(nèi)外的研究

10、現(xiàn)狀來看,軸向等效剛度方法是當前隧道構(gòu)造的縱向理論研究中提出的最好的方法。該法為研究盾構(gòu)隧道縱向問題奠定了堅實的理論基矗3盾構(gòu)隧道構(gòu)造拼裝型式盾構(gòu)隧道構(gòu)造是由管片在環(huán)向和縱向通過螺栓連接而成的非連續(xù)構(gòu)造。由于預制鋼筋混凝土管片經(jīng)濟、耐久及強度高,所以成為目前國內(nèi)外的盾構(gòu)法隧道管片的主要形式。盾構(gòu)隧道襯砌構(gòu)造拼裝型式有兩種:錯縫拼裝襯砌與通縫拼裝襯砌10111219。這兩種拼裝型式的不同之處在于;錯縫拼裝襯砌由于相鄰環(huán)管片間構(gòu)造剛度沿環(huán)向分布的不同,雖然受到的初始荷載根本一樣,但構(gòu)造變形卻不同、引起的地層反力不同,地層反力的不同又加劇了構(gòu)造變形的不同。由于相鄰環(huán)之間存在聯(lián)絡,如連接螺栓、環(huán)面凹凸

11、榫槽和環(huán)面間的摩擦又阻礙了構(gòu)造變形的不同,使構(gòu)造變形與荷載及地層反力分布的不同限于一定的范圍之內(nèi)。而通縫拼裝襯砌由于相鄰環(huán)管片間構(gòu)造剛度沿環(huán)向分布一樣,受到的初始荷載也根本一樣。因此,構(gòu)造變形根本一樣、引起的地層反力也根本一樣。雖然,通縫拼裝襯砌每一環(huán)橫向變形也受到相鄰環(huán)的嵌固和約束,但這種約束和影響的效應錯縫比通縫更顯著。襯砌環(huán)間的這種互相作用非常復雜,因此錯縫襯砌內(nèi)力與變形的計算也比擬復雜,其計算模型與計算方法還在深化研究之中。在我國,上海先期施工的盾構(gòu)法隧道根本采用通縫拼裝形式,而上海近期建立的隧道及廣州和南京地鐵盾構(gòu)法隧道那么全部采用錯縫拼裝形式,從而說明錯縫拼裝形式在抵抗縱向變形上優(yōu)

12、于通縫拼裝形式。既然不同的拼裝形式有不同力學效果,可以改變襯砌的縱向剛度及控制縱向裂縫和不均勻變形,那么采用更多不同力學效果的拼裝形式就成為解決當前軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造縱向問題的另一關(guān)鍵問題。4軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造存在問題從當前工程設(shè)計的實際應用和理論研究進展分析可得出軟土盾構(gòu)隧道襯砌構(gòu)造在考慮縱向問題時的缺乏之處:缺乏與縱向理論要求接近的襯砌形式;現(xiàn)有的縱向理論缺乏與工程實際的結(jié)合;襯砌拼裝形式單一(不能協(xié)調(diào)縱向不均勻變形);襯砌管片材料在同一工程中單一;襯砌管片寬度在同一工程中單一;縱向線形不合理。5軟土盾構(gòu)隧道縱向設(shè)計展望為克制軟土盾構(gòu)隧道現(xiàn)存問題,必須從以下兩方面來解決:(1)從軟土盾構(gòu)隧道襯

13、砌管片拼裝形式、管片材料等方面進展創(chuàng)新改造。以增大軟土盾構(gòu)隧道襯砌構(gòu)造的縱向剛度的變化,使軟土盾構(gòu)隧道襯砌構(gòu)造的縱向剛度具有可控性。而不同剛度的多樣的襯砌構(gòu)造拼裝形式是解決軟土盾構(gòu)隧道縱向問題成為可能。(2)在縱向設(shè)計理論研究及其成果應用上應有所加強。隧道縱向構(gòu)造性能的研究和橫向性能研究相比還處在早期開展階段,其成果尚未應用到工程設(shè)計的理論中。如何將已有的理論研究成果應用于工程設(shè)計(即縱向設(shè)計),使工程設(shè)計更加符合客觀現(xiàn)實。這不僅符合當前設(shè)計理論開展的趨勢,更能實如今設(shè)計階段上就開場著手解決軟土盾構(gòu)隧道現(xiàn)存問題(過量的縱向沉降或不均勻沉降,導致隧道滲水、漏泥或構(gòu)造部分破壞而影響隧道的正常運營)

14、,防止軟土盾構(gòu)隧運營后再進展處理的被動狀態(tài),因此,可節(jié)約大量資金?？傊?軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造縱向設(shè)計理論,不僅是軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造設(shè)計理論開展的需要,也是社會開展的需要。它不僅具有理論價值,而且更具重要的經(jīng)濟意義和社會意義。參考文獻:1黃宏偉,臧小龍.盾構(gòu)隧道縱向變形性態(tài)研究分析.地下空間,2002,22(3):244-2512黃宏偉.城市隧道與地下工程的開展與展望.地下空間,2001,21(4):311-3173劉建航,侯學淵.盾構(gòu)法隧道.北京:中國鐵道出版社,19914陳基煒,詹龍喜.上海市地鐵一號線變形測量及規(guī)律分析.城市地質(zhì),2000,(2):51-565王如路,周賢浩,等.近年來上海地鐵監(jiān)護發(fā)現(xiàn)的問題及對策.中國土木工程學會隧道及地下工程學會地下鐵道專業(yè)委員會第十四屆學術(shù)交流會論文集.2001:239-242650157-92.地下鐵道設(shè)計標準708-11-1999上海市地基根底設(shè)計標準8.2,.2000,15(3):303-3319,200010廖少明,黃鐘暉.關(guān)于盾構(gòu)法隧道采用錯縫拼裝技術(shù)的討論.現(xiàn)代隧道技術(shù),2001,38(6):19-2311(日本)土木學會.日木隧道標準標準(盾構(gòu)篇)及解釋劉鐵雌譯,關(guān)寶樹校.成都:西南交通大學出版社,198814.,1991,6(2):175-18315朱合華,崔茂玉,楊金松.盾構(gòu)法襯砌