盾構(gòu)法隧道襯砌荷載影響因素分析

 

隧道設(shè)計(jì)時(shí),只有在準(zhǔn)確估計(jì)作用在襯砌上荷載的基礎(chǔ)上才能正確地進(jìn)行隧道襯砌設(shè)計(jì),然而由于地層條件的變化和不確定性、盾構(gòu)推進(jìn)前后的地層變形導(dǎo)致的應(yīng)力重分布,以及施工條件的差異,很難做到準(zhǔn)確地估計(jì)作用在襯砌上的荷載。本文結(jié)合上海盾構(gòu)隧道具體情況,討論影響軟土隧道襯砌荷載的影響因素。

 

1襯砌荷載的分布

 

襯砌是直接支承地層、保持規(guī)定的隧道凈空、防止?jié)B漏,同時(shí)又能承受施工荷載的結(jié)構(gòu)。襯砌在施工階段作為隧道施工的支護(hù)結(jié)構(gòu),起保護(hù)開挖面、防止土體變形、土體坍塌及泥水滲入,并承受盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的千斤頂頂力以及其他施工荷載的作用;竣工后,襯砌單獨(dú)或與內(nèi)襯一起作為隧道永久性支撐結(jié)構(gòu),可以防止泥水滲入,同時(shí)支承襯砌結(jié)構(gòu)周圍的水、土壓力以及使用階段和某些特殊需要的荷載,以滿足結(jié)構(gòu)使用要求(圖1)。

 

當(dāng)隧道襯砌半徑與其埋深比r/H≤1/5時(shí),可視襯砌受無(wú)限遠(yuǎn)的邊界力,如圖1(a)所示。與此同時(shí),當(dāng)襯砌在上述主動(dòng)土壓力作用下發(fā)生壓扁變形時(shí),還引起介質(zhì)的被動(dòng)土壓力kδA(k為介質(zhì)基床系數(shù)),它只分布在水平軸上下45°的范圍。其全部荷載簡(jiǎn)化如圖1(b)所示。從圖中很容易得到襯砌上任意點(diǎn)的徑向土壓力[1]:式中,pr為角θ1處的徑向壓力,pV、pH分別為垂直和水平壓力。

 

襯砌設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的荷載包括[2]:土層壓力、地下水壓力、結(jié)構(gòu)自重、超載以及地層抗力。根據(jù)具體情況還要考慮內(nèi)部荷載、施工荷載以及震動(dòng)影響,特殊情況還要考慮相鄰隧道的影響和沉降的影響。

 

2襯砌荷載的影響因素

 

由于土拱作用,隧道襯砌上的荷載很少情況下等于上覆土重,很多因素影響著襯砌上荷載的分布。為正確估計(jì)作用在襯砌上的荷載,就必須深入理解這些影響因素。

 

2.1地質(zhì)條件

 

地質(zhì)條件是影響隧道施工的最主要的因素,要找到完全相同地質(zhì)條件的隧道幾乎是不可能的。沿隧道截面的水平方向和垂直方向,地質(zhì)條件經(jīng)常在不斷變化。通常在垂直方向,隨著深度的增加,土的內(nèi)聚力和強(qiáng)度不斷增加,所以作用在襯砌上的荷載也會(huì)減小。在不同的土層中作用在襯砌上的土壓力不同,在淤泥質(zhì)地層中,當(dāng)覆蓋層不是特別厚時(shí),垂直地層壓力PV等于隧道埋置深度H和周圍土層密度γ的乘積,即PV=γH。但當(dāng)?shù)貙訛閺?qiáng)度及剛性較大的硬粘土及有粘性的密實(shí)砂土,而覆蓋層又有一定厚度時(shí),土層會(huì)與巖層相仿,頂部有起拱作用,此時(shí)PVγH。

 

2.2襯砌和土層的相對(duì)剛度

 

隧道襯砌既受到周圍地層的荷載,又受到它的約束。主動(dòng)荷載使襯砌形狀改變,產(chǎn)生地層給襯砌的被動(dòng)抗力,地層位移后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的剪力,而把重力傳到更遠(yuǎn)的地層中去,這樣就會(huì)減少傳給襯砌的垂直荷載。圖2表示土層中剛性和柔性襯砌的應(yīng)力分布和變形情況,地層中的原始垂直應(yīng)力為σ,水平靜止側(cè)壓力系數(shù)為K0,則原始水平應(yīng)力為K0σ。剛性襯砌幾乎不變形,故原始應(yīng)力維持不變,這樣剛性襯砌受到較大的彎矩,其數(shù)值的大小取決于垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力之差。相反,柔性襯砌大致變形呈橢圓,垂直方向的向內(nèi)變形會(huì)調(diào)動(dòng)地層中的剪應(yīng)力,而使垂直應(yīng)力減小;水平方向的向外變形會(huì)產(chǎn)生被動(dòng)抗力,而使水平應(yīng)力增加,直至作用在柔性襯砌上的地層壓力接近均勻,故柔性襯砌的彎矩比剛性襯砌小得多[3]。

 

因此,襯砌對(duì)于周圍地層的相對(duì)剛度必然會(huì)影響襯砌上荷載的分布。相對(duì)剛度越大,作用在襯砌上的荷載也就越大。襯砌的剛度大小主要取決于襯砌的厚度、管片的拼裝方式、接頭剛度。工程實(shí)踐表明:在保證接頭放水要求的情況下,盡可能減小襯砌厚度和降低接頭剛度的作法可以增加結(jié)構(gòu)的柔性,大大減小結(jié)構(gòu)所受的彎矩,而軸力卻會(huì)得到提高,偏心矩進(jìn)一步減小。在同等條件下,錯(cuò)縫拼裝襯砌比通縫拼裝襯砌具有較高的整體剛度。2.3施工方法

 

盡量減少對(duì)土層的擾動(dòng)是減少襯砌上荷載的有效方法。不同的施工方法對(duì)土層的擾動(dòng)是不一樣的,例如在軟土地區(qū),通常采用土壓平衡式盾構(gòu)(EPB)和擠壓盾構(gòu),但兩種方法對(duì)地層的擾動(dòng)程度不同,所以作用在襯砌上的荷載也是不一樣的[4]。

 

EPB盾構(gòu)正面為密閉狀態(tài),能有效控制工作面的土壓力和地表的沉降。其工作原理是:由大刀盤切削土層,切削后的泥土與開挖面的土壓力取得平衡的同時(shí),由隧道和土腔相通的螺旋輸送機(jī)輸出,裝于排土口的排土裝置在出土量和進(jìn)土量取得平衡的條件下,盾構(gòu)不斷推進(jìn)。擠壓盾構(gòu)的胸板上常開有可開啟的進(jìn)土孔,在極軟弱的土層中,胸板前方還常設(shè)有網(wǎng)格板。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí),正面土體呈擠壓狀態(tài),被擠壓的土體通過進(jìn)土孔,擠入盾構(gòu)胸板內(nèi)側(cè)。進(jìn)土孔的數(shù)量和大小按地質(zhì)條件而定。為適應(yīng)各種條件的變化,常將胸板上的每個(gè)進(jìn)土孔設(shè)計(jì)成可開閉的千斤頂閘門形式,以此調(diào)整開口率。

 

EPB盾構(gòu)和擠壓盾構(gòu)控制地層移動(dòng)方式的不同,必然造成在隧道掘進(jìn)的過程中以及施工后隧道周圍土層的變化不同,從而使得作用在隧道上的地層壓力不同。

 

2.4隧道直徑和埋深

 

隧道埋深對(duì)于作用在隧道上的地層壓力具有決定作用,但要明確劃分隧道深埋與淺埋的界限,目前尚無(wú)公認(rèn)的理論依據(jù)。一般認(rèn)為,對(duì)于大開挖施工的大型地下管道以及埋深較淺的小直徑頂管襯砌結(jié)構(gòu)都屬于淺埋隧道結(jié)構(gòu),而對(duì)于礦山法暗挖或用盾構(gòu)法暗挖的隧道常稱為深埋隧道。深埋隧道與淺埋隧道在土壓力計(jì)算上有兩個(gè)不同點(diǎn):一是要考慮周圍土體對(duì)隧道頂面以上土柱的摩擦力以及土體卸載拱效應(yīng),從而減少了豎向土壓力;二是埋深的增加會(huì)使側(cè)向土壓力數(shù)值與豎向土壓力數(shù)值趨向一致。淺埋圓形隧道地層土壓力的計(jì)算通常如圖3所示。圓形隧道頂部作用的豎向土壓力由土柱理論計(jì)算,拱背弧形部分的土體重量可近似簡(jiǎn)化為均布荷載,側(cè)向土壓力一般也是按朗肯土壓力理論計(jì)算,地基反力也可由靜力平衡條件確定。在地層的相對(duì)剛度較大的情況下,側(cè)向彈性抗力的作用將會(huì)明顯地表現(xiàn)出來(lái)。在深埋的情況下,由于考慮土體的成拱效應(yīng),采用太沙基公式計(jì)算松弛壓力,使有效的土層高度減小,結(jié)構(gòu)受力降低。理論和實(shí)踐都證明:隨著隧道的埋深不同,地層壓力的分布規(guī)律和數(shù)值大小也就不同,因此,確定劃分淺埋和深埋的界限是十分必要的。

 

在埋深不變的情況下,襯砌內(nèi)力基本隨著隧道外徑的變化呈向下凸的拋物線形變化,在外徑不斷變化的過程中,其內(nèi)力的增加量急劇增大,且內(nèi)力較大的截面在直徑加大后其內(nèi)力加大的幅度也最大。

 

2.5地下水位的變化

 

對(duì)處于含水層和不透水層等復(fù)雜地層中的隧道來(lái)說(shuō),在長(zhǎng)期使用過程中,地下水位的變化將導(dǎo)致隧道荷載的變化。在隧道開挖階段,為增加工作面的穩(wěn)定性,常需要采取一定的降水措施。襯砌施工后,地下水位隨之上升。顯然,這兩種情況下作用在襯砌上的荷載是不相同的,通常后者要大于前者[5]。

 

2.6外界環(huán)境的變化

 

隧道鄰近范圍內(nèi)的各種施工活動(dòng),如基坑開挖、增加地面荷載、新建高層建筑物及相鄰隧道施工,都會(huì)不同程度地?cái)_動(dòng)隧道周圍的土體,對(duì)土層施加新的附加荷載,導(dǎo)致作用在襯砌上的荷載變化。

 

3結(jié)束語(yǔ)

 

由于地鐵隧道工程跨越區(qū)域大,涉及面廣,同一條隧道需要經(jīng)過不同的土層,影響因素眾多。為了準(zhǔn)確估計(jì)襯砌上的荷載,就必須結(jié)合工程實(shí)際情況,認(rèn)真分析各種影響因素,從中甄別出主要因素,最終為襯砌的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

 

參考文獻(xiàn)

 

[1]孫鈞.地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐(M).上海:上�？茖W(xué)技術(shù)出版社,1996.

 

[2]WorkingGroupNo.2,ITA.Guidelinesforthedesignofshieldtun-nellining.TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,2000,15(3):303-331.

 

[3]劉建航,候?qū)W淵.盾構(gòu)法隧道(M).北京:中國(guó)鐵道出版社,1991.

 

[4]蔣洪勝,候?qū)W淵.軟土地層中的圓形隧道載荷模式研究(J).巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(4):651-658.

 

[5]HakJoonKim.Estimationfortunnelliningloads(D).UniversityofAlberta,1997:1-15.