摘要:城市建设的开展和城市用地的紧张,使得地铁隧道附近往往建设新的建筑,对临近地铁隧道产生不利的影响 本文结合国内地铁和城市建设的发展, 简述了影响地铁隧道纵向变形的因素。
关键词: 地铁隧道; 纵向变形; 措施
1引言
随着我国城市现代化水平的不断提高, 发展快速轨道系统成为了城市公共交通建设的必然选择。 因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。
然而,沿线地区的开发建设也给地铁隧道的安全构成了一定的威胁,并且,由于软土地下结构和隧道衬砌自身的特点,使得地铁隧道结构上固有的缺点在投入运营后也逐渐暴露。
2隧道纵向变形性能
地铁隧道在宏观上主要是横向受荷的细长结构,砌完成后在管片间存在径向接缝,隧道 衬衬砌各环之间存在联结接头,接缝采用螺栓联结。隧道是复杂的三维地下结构,其纵轴线根据功能的需要和地下环境的条件不断地发生变化,横向常采用承载性能优良的圆形结构,为充分调动土层自身的承载和稳定能力,隧道衬砌常被设计成半柔性的地下结构,隧道和土体之间存在着复杂的共同作用。对隧道变形的认识目前主要在其横向结构特性上,在抗压强度足够时,由于管片采取了合理的柔性设计思想,衬砌周围的土压力和抗力总是趋于将管片环压紧的, 只要管片不首先破坏,衬砌的稳定性是完全有保证的,一定的位移值和收敛值对隧道防水是有利的。相反,隧道在纵向变形特性要脆弱得多,隧道纵向变形通常对隧道结构不利,在纵向变形或曲率达到一定的量值后,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,当然, 隧道的纵向受力变形和其横向结构性能是密不可分的,将不可避免地引起隧道衬砌在横向性能发生一定变化,但这种变化由于隧道结构的良好横向变形适应能力显得并不突出,隧道变形的薄弱环节仍然在其纵向特性上,这一事实也被大量的工程监测所证明。
引起隧道纵向变形的因素众多,既有隧道施工期的,又有地铁运行期的,有系统本身的, 也有周边环境变化引起的。隧道施工期的纵向变形,在联结螺栓二次预紧前已基本完成,对隧道长期结构性能影响不大；对于地铁隧道运行期的纵向变形,除了施工期扰动土体的次固结变形外,尚有多种因素会引起隧道的纵向不均匀变形,会直接影响地铁隧道的安全。
3隧道纵向沉降影响因素
3. 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①开挖面底下的土体扰动;②盾尾后压浆不及时不充分;③盾构在曲线推进或纠偏推进过程中造成超挖;④盾壳对周围土体的摩察和剪切造成隧道周围土体的扰动;⑤盾构挤压推进对土体的扰动。从变形的历时过程看,衬砌与周围土体变形相协调, 可分为初始变形、土体超孔隙水压力消散引起的固结变形和土体骨架蠕变产生的次固结变形。隧道一般要在盾构推进完成后半年至一年才投入使用, 隧道的初始变形和固结变形在施工期已基本完成, 在以后的长期运行阶段仅有次固结变形在缓慢进行;由于隧道在铺设轨道(路面)之前,一般要进行接缝螺栓的二次预紧,除非隧道施工方法突然改变(如改变盾构掘进方法)或在隧道与竖井的衔接段,加之采用土压平衡盾构及先进的施工方法减小了对隧道周围土体的扰动,隧道施工期的变形相对均匀, 并且量值有限,对投入运行后的纵向变形影响不大。
3. 2底层土体的不均匀沉降
在相同埋深和盾构施工扰动条件下,各种不同性质的下卧土层所发生的扰动、回弹量、沉降速率和总沉降时间,有不同程度的差异。因此当隧道沿线的下卧层土体特性及分层不均匀时,将导致隧道的不均匀沉降。压缩模量较低、灵敏度较高的饱和粘土下卧层,经过盾构施工扰动后的沉降量较大,而且沉降延续时间较长。压缩模量较高、灵敏度较低的砂性土下卧层,经过盾构施工扰动后的沉降量较小,且沉降稳定快。当隧道下卧层为密实的砂性土时,次固结量很小,次固结时间短,即使空隙比较大的砂性土中,次固结沉降在施工期也基本结束。上海打浦路越江公路隧道(盾构挤压推进施工)江中段和浦东段, 其下卧层为粘质粉土或粉砂与淤泥质粘土互层( 接近砂性土)的土层,投入运行后的16 年中,沉降增量为40～50mm,平均沉降速率只有0. 008mm/ 天;而浦西段隧道下卧层为松软的淤泥质粉质粘土,最大沉降增量达120mm,出现严重的纵向不均匀沉降。
3. 3隧道附近基坑开挖
地铁的建设带动了沿线地区房地产开发的高潮, 在隧道附近形成了寸土寸金的建设局面,随之而来的地下空间利用和深基坑开挖直接导致了临近地铁隧道的纵向变形,有些基坑更是直接骑跨隧道之上或紧邻隧道施工,由此可能带来的隧道不均匀变形严重威胁隧道安全。根据严峻的地铁保护形势,上海地铁制定了地铁隧道两侧的临近3m 范围内不得进行任何工程施工的基本规定；广州也规定了，在地质情况良好情况下，隧道周边5m范围内不得进行基坑开挖，地质情况较差时，基坑与隧道距离增大至10m左右，并对各种典型地层的基坑避让距离开展了相关研究。基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直向卸荷作用,不可避免地引起坑底土体的回弹,并且,基坑围护结构在背后土体压力作用下迫使基坑开挖面以下结构向坑内位移,挤压坑内土体,加大了坑底土体的水平向应力,也使得坑底土体向上隆起, 此外,随着基坑开挖深度的增加,基坑内外的土面高差不断增大,该高差所形成的加载作用和地表的各种超载,会使围护结构外侧土体产生向基坑内的移动,使基坑底产生向上塑性隆起。当基坑下方土层中有地铁隧道通过时,坑底土体的隆起必然带动基坑下方的隧道产生局部纵向变形,该变形值随着坑底土体的隆起量的增加而增大。基坑开挖卸去了内侧部分原作用于围护结构上的土压力,结构外侧则受到主动土压力,由于土体开挖总是早于支撑力的施加, 围护结构总是向坑内产生一定的水平位移。随着基坑开挖的继续,基坑内外土面高差的增大,围护结构外侧土体有向坑内移动的趋势, 基坑周围出现塑性区并不断扩大,引起坑外地面沉降。因此,基坑周围的土体有向下及坑内的位移,在临近地铁隧道有超深基坑的情况下,将引起隧道产生向斜下方的纵向变形。
3. 4隧道近距离穿越
地下空间的开发利用逐渐向多元化、立体化方向发展, 如多条地铁线路的同站台换乘、地下商业街和地铁车站的联合开发等, 都会遇到不同线路的隧道空间近距离交叉穿越的问题。在建隧道施工将对周围土体产生扰动, 沿施工隧道横向在地层中形成一个近似正态分布的沉降曲线, 当穿越已建地铁隧道时, 将导致已建隧道在纵向产生不均匀降沉。
4结语
本文从城市建设过程中可能对地铁造成的不利影响出发,论述了引起地铁隧道纵向变形的各种因素。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,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。影响地铁隧道纵向变形的因素是多方面的,相应的预防治理工作也必须多管齐下,在城市和地铁线路规划时就需要避开不利因素,在地铁投入运营后加大沿线地区的城市建设管理力度,研究开发出相应的成套地铁隧道保护技术,制定全面的地铁保护法规,是防治地铁隧道纵向不均匀变形和保护其安全运营的根本所在。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、群众出行影响要大得多,因此,做好地铁隧道的保护工作具有特殊的意义。
参考文献
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[2]上海市建设委员会科学技术委员会. 地铁一号线工程[M ] . 上海科学技术出版社,2011.
[3]姜启元, 管攀峰, 叶蓉. 软土盾构隧道的纵向变形分析[ J] . 地下工程与隧道, 2011.