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 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。

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 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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