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1、 软土地区地铁隧道结构纵向变形机理研究中国矿业大学2012届本科生毕业设计 第 18 页摘 要：近年来，对隧道纵向性能的研究正受到越来越多的关注。在对盾构隧道纵向性能进行了一定考虑后，提出盾构隧道纵向不均匀沉降的影响是不可忽视的，并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，必要时宜考虑隧道纵向沉降对横向内力和变形值的影响。地铁隧道发生的过量不均匀纵向沉降对隧道结构内力、变形、接头防水、以及隧道正常运营的影响已不容忽视。因此研究地铁盾构隧道的纵向变形的影响因素、发生时间、发生部位、受力和变形方式等，是非常必要而且迫切的。关键词：盾构隧道；纵向变形；沉降；模型1 引言伴随着城市
2、的发展，快速轨道系统成为了城市公共交通建设的必然选择，而地铁隧道又由于其方便、快捷、对环境影响小等优越性，而成为各大城市争相发展的方式。和其他城市地下公共设施一样，地铁隧道多建在软弱的第四纪沉（冲）积土层中，由于地铁线路通常穿越城市交通的相对繁忙地带和经济繁荣的闹市区，为了减少隧道施工对城市地面环境的影响，盾构掘进、预制钢筋混凝土管片拼装衬砌成为了地铁隧道的首选施工方法，并且随着盾构制造工艺和施工掘进技术的不断完善，在城市环境或其他特定条件下，盾构法隧道在市政设施的建设方面具有其独特的优越性和经济性，在诸如地下铁道、越江公路隧道、城市输水管道及共同沟等城市公共设施的建设中被广泛地采用。盾构隧道
3、衬砌由管片环连接而成，因此沿纵向环与环之间的接头处刚度会有较大的削弱，沿隧道.纵向的埋深、荷载也随时变化。而且，存在土体与结构的共同作用问题。加之沿隧道纵向的土层性质的不均匀性，使得盾构隧道纵向结构性态、内力分布和变形特性非常复杂。与结构横向受力性能相比，盾构隧道在纵向上的变形特性要脆弱得多1。因为在横向上，衬砌周围的土压力和地层抗力总是趋于将管片环压紧，只要管片不首先破坏，不产生对防水造成影响的接头间裂缝，其横向上的稳定性和安全性是有保证的。而在纵向上，其纵向变形通常对结构非常不利，当纵向变形或变形曲率达到一定量值后，隧道即可能出现环缝张开过大而漏水或管片纵向受拉破坏。而且，如果地铁盾构隧道
4、纵向不均匀变形过大，就会导致轨道纵向高低差过大，进而造成轨道高低差和平整性超过标准，由于地铁车辆速度快，对沉降差的适应性差，当不均匀变形差超过一定界限后，对高速运行的车辆容易发生恶性事故2。 2 国内外研究现状张连成、叶飞等2基于盾构隧道纵向变形的两种主要形式，即纵向沉降和纵向上浮，分析了纵向下沉和上浮的产生机理，对可能产生下沉和上浮的各种因素进行了系统总结，将下沉原因归结为区间隧道与车站间的差异沉降、下卧土层变化、地面加载、施工影响以及邻近施工扰动等5个方面，将上浮原因归结于上浮力作用、轴向偏心荷载作用、切口水压、地面卸载、地基回弹作用以及上覆土的反向压缩作用等6个方面。表2.1 盾构掘进中
5、的土体扰动问题扰动类型扰动位置扰动原因初次扰动开挖面前方及其附近位置施工振动、泥水压力、法向挤压效应、竖向摩擦效应、环向摩擦效应等二次扰动盾构周围土体推进时的轴向摩擦、克服刀盘转动扭矩的环向摩擦等三次扰动刚脱离盾尾的管片周围及管片注浆影响范围内的土体建筑间隙、同步注浆及二次注浆等林永国、廖少明等3认为隧道纵向沉降影响因素有：1.施工期影响。施工期隧道变形的原因，主要是盾构推进对周围土层的扰动所引起，其中包括开挖面底下的土体扰动；盾尾后压浆不及时不充分；盾构在曲线推进或纠偏推进过程中造成超挖；盾壳对周围土体的摩擦和剪切造成隧道周围土体的扰动；盾构挤压推进对土体的扰动。2.底层土体的不均匀沉降。3
6、.隧道上方地表加卸荷载。4.隧道附近基坑开挖。5.隧道近距离穿越。6.地铁隧道和车站的差异沉降。7.桩基的长期沉降。8.地铁列车振动。9.地震。 在他们的分析中，影响地铁沉降的因素是多方面的，而某一区段地铁隧道的实际纵向变形往往是以上多种因素的综合因而需要根据工程的实际加以判断，甄别出主要的影响因素，采取相应的综合治理措施，确保地铁隧道的安全，以使工程顺利实施。由于地铁工程规模大，跨越区域广，涉及面多，与一般单体建筑相比，对城市的政治经济生活影响要大得多，因此，做好地铁隧道的运营和维护工作具有特殊的意义。王如路4根据隧道结构和防水体系所允许的纵向变形控制值，对软土地铁盾构隧道纵向变形进行了分析
7、，认为1.地铁盾构隧道纵向变形基本上是以径向错台方式进行的。2.径向错台的增加不仅会引起隧道环面发生剪切，同时会引起环缝间隙按线性发展，导致隧道结构损坏、防水失效。必须严格控制各类因素引起的环间错台量。3.研究了不同沉降曲线半径的环间错台变化规律，等半径沉降曲线上不同位置的错台量是不同的。4.隧道安全与隧道结构变形和防水密切相关，防水的成败关系到其长久安全。图2.1 同一沉降半径不同位置的错台情况戴宏伟，陈仁朋，陈云敏等5从理论分析着手，基于温克尔地基梁模型，利用有限差分法建立了新施工荷载下地铁隧道的纵向变形计算理论，研究了新施工荷载对临近地铁隧道的影响。分析表明：新施工荷载对临近地铁隧道纵向
8、变形的影响是明显的，特别当施工荷载距离地铁较近，地铁隧道埋深和直径较小时。最后结合实例进行分析预测，得出安全施工的控制距离。图2.2 施工荷载作用下隧道附加应力、沉降示意图葛世平，谢东武，丁文其等6通过HSS本构模型，建立二维平面应变模型，进行既有软土地铁隧道上地表大面积加卸载情况下土体固结分析。结果显示：1.大面积加载会增加衬砌结构的变形，并进而导致衬砌结构出现病害。2.渗漏水会增加衬砌结构的内力。3.回填土应及时卸除。4.卸载后土体回弹，但有一部分变形无法得到恢复，回填土厚度越大，无法恢复的沉降越大。5.在衬砌结构损伤的情况下，水平大直径卸载后无法恢复，最终表现为增长，根据曲线形态将沉降过
9、程分为5个阶段。王志良，申林方等7认为在长期运营过程中隧道沉降主要包括：1.施工过程中盾构掘进对下卧土层的扰动。2.区间隧道水土流失导致纵向不均匀变形。3.隧道下卧土层土体性质的不均匀性。4.沿隧道轴向荷载的变化。5.车站与隧道连接处的差异沉降。然后将隧道衬砌进行轴向刚度等效化后，把隧道简化为具有等效刚度的匀质连续梁，再应用弹性地基梁理论对隧道沉降进行计算，得出相应的沉降曲线，为软土盾构隧道纵向设计提供理论支持。由于建筑物等超载的作用对隧道纵向沉降影响较大，影响范围大约为2倍的荷载作用范围，而且隧道弯曲的曲率半径较小。因此，在隧道附近修建建筑物或者其他结构而引起超载的情况，须对隧道进行加固处理
10、。沉降/mm距离/m图2.3 隧道受局部荷载作用下纵向沉降关系图李烈刚，李佳雨等8认为使地铁车站产生纵向变形的因素主要有以下几点：1.基底不均匀沉降的影响。2.温度应力的影响。3.干缩应力的影响。4.施工因素的影响。并且对温度影响进行了主要分析，认为温度是产生地铁车站结构纵向内力与变形的最主要因素。同时提出诱导缝，具有一定抗弯刚度和防止剪切移动接缝张开顶大底小、变幅很小的变形缝。对软土地区地铁车站纵向变形，通常采用加大车站侧墙和顶、楼板的厚度及提高车站的纵向刚度等方法进行控制，这往往会导致混凝土温度应力和干缩应力的增大，从而引起结构开裂渗水。对此提出“有限刚度”设计原则与设置诱导缝的方法，该法
11、不但可释放纵向拉应力防止混凝土开裂和接缝漏水，而且可使结构具有一定刚度，以保证列车正常运行。图2.4 底板诱导缝构造示意图 （a）中楼板以上部分 （b）中楼板以下部分图2.5 侧墙诱导缝构造图图2.6 顶板诱导缝构造图该构造实际上是使结构在受到预计纵向力时，不但可释放纵向拉应力防止混凝土开裂和接缝漏水，而且可使车站具有一定的纵向刚度以保证列车正常运行。设置诱导缝在实践中取得了较好的效果，可减少车站结构施工时的污工量和车站建成后堵漏养护的工作量。总之，在软土地层中修建地铁，应根据结构在施工阶段与使用阶段的受力、变形以及使用功能设计钢筋混凝土结构自防水；选择合理的施工方案和材料；合理设置诱导缝并采
12、取相应可行的防水措施；合理必要可行的附加措施；使结构形成连续、密封的自防水体系。在使用阶段，土体长期固结沉降及沿线新开发项目的施工均会使车站产生纵向变形，应加强观测和维护。李东海，刘军，牛晓凯，丁振明，赵智涛等9结合目前已有的分析方法，对下卧初支隧道的纵向变形进行了施工前的预测，并获得了不同的结果。但现场的监控量测证明了开挖卸载荷导致下卧既有初支隧道的纵向变形出现了不同的时空分布规律，并印证了时空效应对下卧初支隧道纵向变形的影响是不容忽视的。基坑开挖卸荷的速度和方式是直接影响既有隧道纵向变形的关键因素之一。通过对下卧隧道纵向变形的实测数据分析研究，总结了实例工程的经验和教训，为今后的类似工程提
13、供了参考。第一次快速卸载隆起值 /mm第二次均匀卸载措施处理图2.7 典型测点拱顶隆起-历时曲线曾俊，赵册等10通过有限元分析研究了越江隧道不同地层中、不同加载和有无二衬情况下的纵向沉降。结果表明，隧道在加载情况下纵向成V形下沉，均质软土中在加载中心沉降量达到最大，软硬交界土中在交界处沉降量达到最大，软硬交界土中的最大沉降量相对均质软土的明显减少。轴线距离（m）变形量(m)工况1工况2工况3工况4图2.8 均质软土中隧道局部附加载下纵向变形曲线张强，杨成永，李洪泉，李冰等11以北京金融街地下交通工程为背景，采用FLAC3D数值分析软件，选择不同的注浆范围，对注浆上方开挖卸荷引起的既有地铁隧道竖
14、向变形的影响进行了分析结果表明，1.FLAC3D数值计算结果与工程实际监测结果基本吻合，较准确地模拟分析了注浆对上方开挖卸荷引起的既有地铁隧道的竖向变形影响，从一定程度上验证了模型计算的正确性和结论的可靠性。2.不同注浆范围下，既有隧道变形最大位置会发生变形，实际施工过程中应注意对隧道最大变形处的监测。3.计算结果表明，注浆可以有效地控制下方既有地铁隧道的竖向变形，从而使其变形满足控制标准。根据计算结果，实际施工采用40m范围注浆方案，工程实际监测结果表明该方案可行。4.选择在合理范围进行注浆既能有效地控制既有隧道变形，又能节省工程造价。既有隧道纵向y/m既有隧道变形/mm注浆范围50m40m
15、30m20m10m 0m图2.9 不同注浆范围下既有地铁隧道竖向变形图朱成豪，纪晓佳，曾俊等12通过有限元分析研究了越江隧道不同地层中、不同加载和有无二衬情况下的纵向沉降。结果表明：1.隧道上部在局部受荷的情况下，沿轴线方向隧道呈“V”状下沉，均质软土中加载中心沉降最大，软硬交界土中交界处沉降最大，其最大沉降值与荷载至隧道轴线的距离基本呈线性减少。2.不同地层对隧道纵向变形影响很大，同一加载情况下软硬土中的变形量比均质软土中减少70%。3.施加二次衬砌能提高隧道的整体刚度，较少变形量。詹剑青，刘添俊等13结合一项临近地铁的建筑物改造工程，详细分析了地铁区间盾构隧道的变形规律，得出如下结论1.基坑开挖对其下卧的地铁隧道的影响较大。基坑开挖卸荷使土体发生回弹变位，进而带动土体中的隧道产生位移，由于隧道相对土层的刚度较大，隧道的变形以刚体变位为主，
