软土盾构隧道纵向设计综述

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1、软土盾构隧道纵向设计综述摘　要:通过对软土盾构隧道结构设计理论的现状和已建软土盾构隧道结构存在问题的分析,指出克服软土盾构隧道结构发生过量纵向沉降或不均匀沉降而引起隧道渗水、漏泥、结构局部破坏等影响隧道正常使用及其耐久性问题的关键是展开纵向设计理论研究。在纵向设计理论指导下,通过软土盾构隧道衬砌管片拼装形式、管片材料等方面的创新改造,使软土盾构隧道的设计方法更加科学合理。关键词:软土;盾构隧道;纵向设计;地下工程1概述随着世界经济的全球化和社会的不断进步,人们对自身的生存环境质量的要求愈来愈高,致使城市化水平迅速提高,城市规模不断扩大。城市成为世界各国、各地区

2、的政治、经济、文化发展中心。然而,为城市建设的可持续发展、资源的节约和环境的保护,城市建设者越来越多地开发利用一切可以利用的有限生存空间,尤其是城市的地下空间,以建设给水、排水、能源、交通等地下隧道。然而,随着地下空间的开发利用,越来越多的地下结构由于使用过程中的过量不均匀变形而致的对地下结构本身及其周围环境的影响也愈加严重[1][2]。例如,在地下动水压力的作用下,上海市金山海水引水工程中的盾构隧道(见图1)下卧土层的水土流入隧道,隧道随之产生纵向沉降和弯曲,导致环向接缝进一步张开和水土流失增加,最终导致破坏性纵向变形和破坏性横向受力状态,最大相对不均匀沉降

3、达到了18ｃｍ,横向直径变化最大超过10ｃｍ[3]。上海市地铁一号线于1995年4月正式建成投入运营。经过长期的变形监测发现,隧道在长期运营中的沉降及不均匀沉降相当大,许多隧道段的沉降和不均匀沉降一直在发展,而且没有收敛的趋势[4]。至XX年底人民广场站-新闸路站之间的区间隧道最大累计沉降量超过200ｍｍ;黄陂南路站-人民广场站之间的区间隧道差异沉降量近100ｍｍ(详见图2)。过大的不均匀变形已对隧道的结构、接头防水构成威胁。到目前为止,虽然管片遭到破坏的情况极少,但在一号线已发现道床与管片之间发生开裂现象,在汉中路站至黄陂南路站之间已经发现至少5处整体道床与

4、管片之间发生开裂和脱节现象,断断续续累计达300ｍ。经过调查发现,基本上都是由于隧道局部较大的不均匀沉降造成[5]。另外由于纵向不均匀变形造成管片接缝变形增大,一号线的区间隧道渗漏水的地方很多,漏水点主要集中在环缝、封顶块相连的“十字缝”等处,而环缝漏水是最难处理的。随着隧道纵向不均匀变形的发展,隧道漏水的情况越来越多,甚至会影响地铁的正常运营。当前大量地下隧道建设实践中,盾构施工法已成为城市地下隧道建设的主要施工方法,尤其地铁隧道。上海现有和正建的地铁隧道无一例外地采用这一方法施工。而上海同许多沿海城市一样是位于软土广泛分布的地层上,正是盾构隧道结构所处的软

5、土环境导致大量的运营软土盾构隧道发生过量的纵向沉降或不均匀沉降,引起隧道渗水、漏泥或结构局部破坏,有时甚至会影响到隧道的正常运营[20][21]。因此,深入研究软土盾构隧道纵向变形对隧道结构影响及考虑纵向变形的衬砌结构纵向设计理论是解决软土盾构隧道现存问题的关键,尤其是衬砌结构纵向设计方法。衬砌结构纵向设计现状目前,国内外对盾构法隧道衬砌结构设计主要采用横向设计。在国内,我国地下铁道及铁路隧道设计规范[6]中推荐使用荷载结构模型,而未考虑纵向变形的影响。《上海市地基基础设计规范》1999版中对盾构隧道纵向变形进行了一定的考虑[7],提出盾构隧道纵向不均匀沉降的

6、影响是不可忽视的。尤其是盾构工作井和区间隧道的连接处;隧道底部下卧土层特性及分层突变处;覆土厚度急剧改变处等,都会有较明显的不均匀沉降。提出在设计中应按照预估的沉降差,设置适量的变形缝。规范还提到在施工阶段和使用阶段,进行隧道结构的横向内力和变形计算时,在必要的时候宜考虑隧道纵向变形对横向内力和变形值的影响。目前,国内针对软土盾构法隧道采用的设计模型主要为匀质圆环和弹性铰法[13～17],皆可用弹性方程解。前者主要用于使用阶段的设计验算,后者主要用于施工阶段的设计验算。在国外,国际隧道协会(ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｕｎｎｅｌＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ)在197

7、8年成立了隧道结构模型研究组,收集各会员国采用的地下结构设计模型。并于XX年编写出了《盾构隧道衬砌设计指南》[8],为各国盾构隧道结构的设计指明了基本原则。其中将结构模型分为四类:连续体或不连续体模型、作用与反作用模型、收敛-约束模型和工程类比法。这与我国学者刘建航、侯学渊[5]的分类(经验类比模型;荷载结构模型;地层结构模型;收敛限制模型)基本相同。同时在《盾构法隧道设计指导》中提出在必要时将隧道纵向沉降的影响列入荷载类别的特殊荷载项予以考虑。美国交通运输研究协会在XX年度报告[9]中就提到,很多处于软土中的隧道、管道的破坏或出现问题就是由于纵向不均匀沉降而

8、产生的。最多的一种情况就是由于下卧土层