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2001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。
2 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1978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2000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2000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产生的。最多的一种情况就是由于下卧土层土性沿纵向分布不均匀而产生的纵向不均匀沉降。因此美国交通运输研究协会在2000年提出了隧道“纵向设计”的概念,并计划开始进行这方面的研究工作。由此可见,在现行的设计规范中还没有纵向设计的相关内容,但是,结构的纵向问题对结构的影响已经引起广大学者关注。因此,开展纵向设计相关研究具有重大现实意义。

由于隧道纵向问题属于三维问题,其结构复杂,纵向结构计算模型尚不成熟。但也已经取得了一定的科研成果。在工程实测和室内试验基础上,已建立了一些隧道纵向结构计算模型。目前对软土隧道纵向结构的理论研究主要分为:试验或实测分析法、数值分析法和理论解析法。在理论解析法中根据隧道接缝和螺栓简化方法的不同,日本学者提出了两种隧道纵向结构理论,一种是以村上博智及小泉淳[22]为代表的以轴向、剪切和弯曲弹簧模拟接缝和螺栓、以梁单元模拟衬砌环的梁一弹簧模型,它是将横向梁一弹簧模型移植到了隧道结构纵向(见图3);纵向粱一弹簧模型中每一衬砌环均由一直线粱模拟,各衬砌环间的接缝以弹簧模拟,因而在作纵向分析计算时单元较多,它可以模拟衬砌环和接缝性能有变化的隧道段,但其缺点也是明显的,即一般适合于线性分析,并且由于以单元作为基础,分析过程为矩阵形式,需要通过数值方法实现,所得结果需要进行再一次分析才能得到管片、螺栓应力和接缝张开度等关键数据。另一种模型是以志波由纪夫及川岛一彦[23～25]为代表的等效轴向刚度模型,该方法认为隧道在横向为一均质圆环、在纵向以刚度等效的方法将有环向接缝非连续的结构等效为连续均质圆筒。由于是直接从分析衬砌环向接缝和螺栓的受力变形性能出发得到等效模型,因此计算结果可直接给出管片和螺栓应力,并且在很多情况下可推导得到显式理论解,应用方便,但该方法也有未考虑预应力、只简单被认为是弹性地基上的直梁等缺点,然而,根据目前国内外的研究现状来看,轴向等效刚度方法是当前隧道结构的纵向理论研究中提出的最好的方法。该法为研究盾构隧道纵向问题奠定了坚实的理论基础。

3 盾构隧道结构拼装型式
盾构隧道结构是由管片在环向和纵向通过螺栓连接而成的非连续结构。由于预制钢筋混凝土管片经济、耐久及强度高,所以成为目前国内外的盾构法隧道管片的主要形式。盾构隧道衬砌结构拼装型式有两种:错缝拼装衬砌与通缝拼装衬砌[10][11][12][19]。这两种拼装型式的不同之处在于;错缝拼装衬砌由于相邻环管片间结构刚度沿环向分布的不同,虽然受到的初始荷载基本相同,但结构变形却不同、引起的地层反力不同,地层反力的不同又加剧了结构变形的不同。由于相邻环之间存在联系,如连接螺栓、环面凹凸榫槽和环面间的摩擦又阻碍了结构变形的不同,使结构变形与荷载及地层反力分布的不同限于一定的范围之内。而通缝拼装衬砌由于相邻环管片间结构刚度沿环向分布相同,受到的初始荷载也基本相同。因此,结构变形基本相同、引起的地层反力也基本相同。虽然,通缝拼装衬砌每一环横向变形也受到相邻环的嵌固和约束,但这种约束和影响的效应错缝比通缝更显著。衬砌环间的这种相互作用非常复杂,因此错缝衬砌内力与变形的计算也比较复杂,其计算模型与计算方法还在深入研究之中。
在我国,上海先期施工的盾构法隧道基本采用通缝拼装形式,而上海近期建设的隧道及广州和南京地铁盾构法隧道则全部采用错缝拼装形式,从而说明错缝拼装形式在抵抗纵向变形上优于通缝拼装形式。既然不同的拼装形式有不同力学效果,能够改变衬砌的纵向刚度及控制纵向裂缝和不均匀变形,那么采用更多不同力学效果的拼装形式就成为解决当前软土盾构隧道结构纵向问题的另一关键问题。
4 软土盾构隧道结构存在问题
从当前工程设计的实际应用和理论研究进展分析可得出软土盾构隧道衬砌结构在考虑纵向问题时的不足之处:缺乏与纵向理论要求接近的衬砌形式;现有的纵向理论缺乏与工程实际的结合;衬砌拼装形式单一(不能协调纵向不均匀变形);衬砌管片材料在同一工程中单一;衬砌管片宽度在同一工程中单一;纵向线形不合理。
5 软土盾构隧道纵向设计展望
为克服软土盾构隧道现存问题,必须从以下两方面来解决:
(1) 从软土盾构隧道衬砌管片拼装形式、管片材料等方面进行创新改造。以增大软土盾构隧道衬砌结构的纵向刚度的变化,使软土盾构隧道衬砌结构的纵向刚度具有可控性。而不同刚度的多样的衬砌结构拼装形式是解决软土盾构隧道纵向问题成为可能。
(2) 在纵向设计理论研究及其成果应用上应有所加强。隧道纵向结构性能的研究和横向性能研究相比还处在早期发展阶段,其成果尚未应用到工程设计的实践中。如何将已有的理论研究成果应用于工程设计(即纵向设计),使工程设计更加符合客观现实。这不仅符合当前设计理论发展的趋势,更能实现在设计阶段上就开始着手解决软土盾构隧道现存问题(过量的纵向沉降或不均匀沉降,导致隧道渗水、漏泥或结构局部破坏而影响隧道的正常运营),避免软土盾构隧运营后再进行处理的被动状态,因此,可节约大量资金。
总之,软土盾构隧道结构纵向设计理论,不仅是软土盾构隧道结构设计理论发展的需要,也是社会发展的需要。它不仅具有理论价值,而且更具重要的经济意义和社会意义。

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