軟土盾構(gòu)隧道縱向設(shè)計(jì)綜述

1、軟土盾構(gòu)隧道縱向設(shè)計(jì)綜述摘要:通過(guò)對(duì)軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造設(shè)計(jì)理論的現(xiàn)狀和已建軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造存在問(wèn)題的分析,指出克制軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造發(fā)生過(guò)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(wèn)題的關(guān)鍵是展開(kāi)縱向設(shè)計(jì)理論研究。在縱向設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下,通過(guò)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(jì)方法更加科學(xué)合理。關(guān)鍵詞:軟土;盾構(gòu)隧道;縱向設(shè)計(jì);地下工程1概述隨著世界經(jīng)濟(jì)的全球化和社會(huì)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)自身的生存環(huán)境質(zhì)量的要求愈來(lái)愈高,致使城市化程度迅速進(jìn)步,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大。城市成為世界各國(guó)、各地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化開(kāi)展中心。然而,為

2、城市建立的可持續(xù)開(kāi)展、資源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù),城市建立者越來(lái)越多地開(kāi)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(kāi)發(fā)利用,越來(lái)越多的地下構(gòu)造由于使用過(guò)程中的過(guò)量不均勻變形而致的對(duì)地下構(gòu)造本身及其周?chē)h(huán)境的影響也愈加嚴(yán)重12。例如,在地下動(dòng)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(jiàn)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(dǎo)致環(huán)向接縫進(jìn)一步張開(kāi)和水土流失增加,最終導(dǎo)致破壞性縱向變形和破壞性橫向受力狀態(tài),最大相對(duì)不均勻沉降到達(dá)了18,橫向直徑變化最大超過(guò)103。上海市地鐵一號(hào)線(xiàn)于1995年4月正式建

3、成投入運(yùn)營(yíng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),隧道在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中的沉降及不均勻沉降相當(dāng)大,許多隧道段的沉降和不均勻沉降一直在開(kāi)展,而且沒(méi)有收斂的趨勢(shì)4。至2001年底人民廣場(chǎng)站-新閘路站之間的區(qū)間隧道最大累計(jì)沉降量超過(guò)200;黃陂南路站-人民廣場(chǎng)站之間的區(qū)間隧道差異沉降量近100(詳見(jiàn)圖2)。過(guò)大的不均勻變形已對(duì)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(hào)線(xiàn)已發(fā)現(xiàn)道床與管片之間發(fā)生開(kāi)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(kāi)裂和脫節(jié)現(xiàn)象,斷斷續(xù)續(xù)累計(jì)達(dá)300。經(jīng)過(guò)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(hào)線(xiàn)的區(qū)間隧道滲漏水的地方很多,漏水點(diǎn)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(kāi)展,隧道漏水的情況越來(lái)越多,甚至?xí)绊懙罔F的正常運(yùn)營(yíng)。當(dāng)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。上海現(xiàn)有和正建的地鐵隧道無(wú)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(dǎo)致大量的運(yùn)營(yíng)軟土盾構(gòu)隧道發(fā)生過(guò)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(shí)甚至?xí)绊懙剿淼赖恼＿\(yùn)營(yíng)2021。因此,深化研究軟土盾構(gòu)隧道縱向變形對(duì)

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(jì)理論是解決軟土盾構(gòu)隧道現(xiàn)存問(wèn)題的關(guān)鍵,尤其是襯砌構(gòu)造縱向設(shè)計(jì)方法。2襯砌構(gòu)造縱向設(shè)計(jì)現(xiàn)狀目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)盾構(gòu)法隧道襯砌構(gòu)造設(shè)計(jì)主要采用橫向設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi),我國(guó)地下鐵道及鐵路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)?1999版中對(duì)盾構(gòu)隧道縱向變形進(jìn)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(wú)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(huì)有較明顯的不均勻沉降。提出在設(shè)計(jì)中應(yīng)按照預(yù)估的沉降差,設(shè)置適量的變形縫。標(biāo)準(zhǔn)還提到在施工階段和使用階段,進(jìn)展

6、隧道構(gòu)造的橫向內(nèi)力和變形計(jì)算時(shí),在必要的時(shí)候宜考慮隧道縱向變形對(duì)橫向內(nèi)力和變形值的影響。目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)軟土盾構(gòu)法隧道采用的設(shè)計(jì)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(jì)驗(yàn)算,后者主要用于施工階段的設(shè)計(jì)驗(yàn)算。在國(guó)外,國(guó)際隧道協(xié)會(huì)()在1978年成立了隧道構(gòu)造模型研究組,搜集各會(huì)員國(guó)采用的地下構(gòu)造設(shè)計(jì)模型。并于2000年編寫(xiě)出了?盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)指南?8,為各國(guó)盾構(gòu)隧道構(gòu)造的設(shè)計(jì)指明了根本原那么。其中將構(gòu)造模型分為四類(lèi):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(lèi)比法。這與我國(guó)學(xué)者劉建航、侯學(xué)淵5的分類(lèi)(經(jīng)歷類(lèi)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(shí)在?盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)指導(dǎo)?中提出在必要時(shí)將隧道縱向沉降的影響列入荷載類(lèi)別的特殊荷載項(xiàng)予以考慮。美國(guó)交通運(yùn)輸研究協(xié)會(huì)在2000年度報(bào)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(wèn)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(guó)交通運(yùn)輸研究協(xié)會(huì)在2000年提出了隧道“縱向設(shè)計(jì)的概念,并方案開(kāi)場(chǎng)進(jìn)展這方面的研究工作。由此可見(jiàn),在現(xiàn)行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中還沒(méi)有縱向設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容,但是,構(gòu)造的縱向問(wèn)題對(duì)構(gòu)造的影響已經(jīng)引起廣闊學(xué)者關(guān)注。因此,開(kāi)展縱向設(shè)計(jì)相關(guān)研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義。由于隧道縱向問(wèn)題屬于三維問(wèn)題

8、,其構(gòu)造復(fù)雜,縱向構(gòu)造計(jì)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(shí)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)根底上,已建立了一些隧道縱向構(gòu)造計(jì)算模型。目前對(duì)軟土隧道縱向構(gòu)造的理論研究主要分為:試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)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(jiǎn)化方法的不同,日本學(xué)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?jiǎn)卧M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(jiàn)圖3);縱向粱一彈簧模型中每一襯砌環(huán)均由一直線(xiàn)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(jì)算時(shí)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(diǎn)也是明顯的,即一般合適于線(xiàn)性分析,并且由于以單元作為根底,分析過(guò)程為矩陣形式,需要通過(guò)數(shù)值方法實(shí)現(xiàn),所得結(jié)果需要進(jìn)展再一次分析才能得到管片、螺栓應(yīng)力和接縫張開(kāi)度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。另一種模型是以志波由紀(jì)夫及川島一彥2325為代表的等效軸向剛度模型,該方法認(rèn)為隧道在橫向?yàn)橐痪|(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(jì)算結(jié)果可直接給出管片和螺栓應(yīng)力,并且在很多情況下可推導(dǎo)得到顯式理論解,應(yīng)用方便,但該方法也有未考慮預(yù)應(yīng)力、只簡(jiǎn)單被認(rèn)為是彈性地基上的直梁等缺點(diǎn),然而,根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究

10、現(xiàn)狀來(lái)看,軸向等效剛度方法是當(dāng)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(wèn)題奠定了堅(jiān)實(shí)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(guò)螺栓連接而成的非連續(xù)構(gòu)造。由于預(yù)制鋼筋混凝土管片經(jīng)濟(jì)、耐久及強(qiáng)度高,所以成為目前國(guó)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(cuò)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(cuò)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(luò),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(yīng)錯(cuò)縫比通縫更顯著。襯砌環(huán)間的這種互相作用非常復(fù)雜,因此錯(cuò)縫襯砌內(nèi)力與變形的計(jì)算也比擬復(fù)雜,其計(jì)算模型與計(jì)算方法還在深化研究之中。在我國(guó),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(cuò)縫拼裝形式,從而說(shuō)明錯(cuò)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(xué)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(xué)效果的拼裝形式就成為解決當(dāng)前軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造縱向問(wèn)題的另一關(guān)鍵問(wèn)題。4軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造存在問(wèn)題從當(dāng)前工程設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用和理論研究進(jìn)展分析可得出軟土盾構(gòu)隧道襯砌構(gòu)造在考慮縱向問(wèn)題時(shí)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(shí)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(xiàn)形不合理。5軟土盾構(gòu)隧道縱向設(shè)計(jì)展望為克制軟土盾構(gòu)隧道現(xiàn)存問(wèn)題,必須從以下兩方面來(lái)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(jìn)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(wèn)題成為可能。(2)在縱向設(shè)計(jì)理論研究及其成果應(yīng)用上應(yīng)有所加強(qiáng)。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(kāi)展階段,其成果尚未應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)的理論中。如何將已有的理論研究成果應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)(即縱向設(shè)計(jì)),使工程設(shè)計(jì)更加符合客觀現(xiàn)實(shí)。這不僅符合當(dāng)前設(shè)計(jì)理論開(kāi)展的趨勢(shì),更能實(shí)如今設(shè)計(jì)階段上就開(kāi)場(chǎng)著手解決軟土盾構(gòu)隧道現(xiàn)存問(wèn)題(過(guò)量的縱向沉降或不均勻沉降,導(dǎo)致隧道滲水、漏泥或構(gòu)造部分破壞而影響隧道的正常運(yùn)營(yíng))

14、,防止軟土盾構(gòu)隧運(yùn)營(yíng)后再進(jìn)展處理的被動(dòng)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(jì)理論,不僅是軟土盾構(gòu)隧道構(gòu)造設(shè)計(jì)理論開(kāi)展的需要,也是社會(huì)開(kāi)展的需要。它不僅具有理論價(jià)值,而且更具重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。參考文獻(xiàn):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(kāi)展與展望.地下空間,2001,21(4):311-3173劉建航,侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道.北京:中國(guó)鐵道出版社,19914陳基煒,詹龍喜.上海市地鐵一號(hào)線(xiàn)變形測(cè)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(lái)上海地鐵監(jiān)護(hù)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)策.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道及地下工程學(xué)會(huì)地下鐵道專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第十四屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2001:239-242650157-92.地下鐵道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)708-11-1999上海市地基根底設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)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(xué)會(huì).日木隧道標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)(盾構(gòu)篇)及解釋劉鐵雌譯,關(guān)寶樹(shù)校.成都:西南交通大學(xué)出版社,198814.,1991,6(2):175-18315朱合華,崔茂玉,楊金松.盾構(gòu)法襯砌