摘要:城市建設(shè)的開展和城市用地的緊張,使得地鐵隧道附近往往建設(shè)新的建筑,對(duì)臨近地鐵隧道產(chǎn)生不利的影響 本文結(jié)合國(guó)內(nèi)地鐵和城市建設(shè)的發(fā)展, 簡(jiǎn)述了影響地鐵隧道縱向變形的因素。
關(guān)鍵詞: 地鐵隧道; 縱向變形; 措施
1引言
隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化水平的不斷提高, 發(fā)展快速軌道系統(tǒng)成為了城市公共交通建設(shè)的必然選擇。 因?yàn)榱藴p少隧道施工對(duì)城市地面環(huán)境的影響,盾構(gòu)掘進(jìn)、預(yù)制鋼筋混凝土管片拼裝襯砌成為了地鐵隧道的首選施工方法,并且隨著盾構(gòu)制造工藝和施工掘進(jìn)技術(shù)的不斷完善,在城市環(huán)境或其他特定條件下,盾構(gòu)法隧道在市政設(shè)施的建設(shè)方面具有其獨(dú)特的優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性, 在諸如地下鐵道、越江公路隧道、城市輸水管道及共同溝等城市公共設(shè)施的建設(shè)中被廣泛地采用。
然而,沿線地區(qū)的開發(fā)建設(shè)也給地鐵隧道的安全構(gòu)成了一定的威脅,并且,由于軟土地下結(jié)構(gòu)和隧道襯砌自身的特點(diǎn),使得地鐵隧道結(jié)構(gòu)上固有的缺點(diǎn)在投入運(yùn)營(yíng)后也逐漸暴露。
2隧道縱向變形性能
地鐵隧道在宏觀上主要是橫向受荷的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),砌完成后在管片間存在徑向接縫,隧道 襯襯砌各環(huán)之間存在聯(lián)結(jié)接頭,接縫采用螺栓聯(lián)結(jié)。隧道是復(fù)雜的三維地下結(jié)構(gòu),其縱軸線根據(jù)功能的需要和地下環(huán)境的條件不斷地發(fā)生變化,橫向常采用承載性能優(yōu)良的圓形結(jié)構(gòu),為充分調(diào)動(dòng)土層自身的承載和穩(wěn)定能力,隧道襯砌常被設(shè)計(jì)成半柔性的地下結(jié)構(gòu),隧道和土體之間存在著復(fù)雜的共同作用。對(duì)隧道變形的認(rèn)識(shí)目前主要在其橫向結(jié)構(gòu)特性上,在抗壓強(qiáng)度足夠時(shí),由于管片采取了合理的柔性設(shè)計(jì)思想,襯砌周圍的土壓力和抗力總是趨于將管片環(huán)壓緊的, 只要管片不首先破壞,襯砌的穩(wěn)定性是完全有保證的,一定的位移值和收斂值對(duì)隧道防水是有利的。相反,隧道在縱向變形特性要脆弱得多,隧道縱向變形通常對(duì)隧道結(jié)構(gòu)不利,在縱向變形或曲率達(dá)到一定的量值后,隧道即可能出現(xiàn)環(huán)縫張開過大而漏水或管片縱向受拉破壞,當(dāng)然, 隧道的縱向受力變形和其橫向結(jié)構(gòu)性能是密不可分的,將不可避免地引起隧道襯砌在橫向性能發(fā)生一定變化,但這種變化由于隧道結(jié)構(gòu)的良好橫向變形適應(yīng)能力顯得并不突出,隧道變形的薄弱環(huán)節(jié)仍然在其縱向特性上,這一事實(shí)也被大量的工程監(jiān)測(cè)所證明。
引起隧道縱向變形的因素眾多,既有隧道施工期的,又有地鐵運(yùn)行期的,有系統(tǒng)本身的, 也有周邊環(huán)境變化引起的。隧道施工期的縱向變形,在聯(lián)結(jié)螺栓二次預(yù)緊前已基本完成,對(duì)隧道長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)性能影響不大；對(duì)于地鐵隧道運(yùn)行期的縱向變形,除了施工期擾動(dòng)土體的次固結(jié)變形外,尚有多種因素會(huì)引起隧道的縱向不均勻變形,會(huì)直接影響地鐵隧道的安全。
3隧道縱向沉降影響因素
3. 1施工期影響
施工期隧道變形的原因, 主要是盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)周圍土層的擾動(dòng)所引起, 其中包括①開挖面底下的土體擾動(dòng);②盾尾后壓漿不及時(shí)不充分;③盾構(gòu)在曲線推進(jìn)或糾偏推進(jìn)過程中造成超挖;④盾殼對(duì)周圍土體的摩察和剪切造成隧道周圍土體的擾動(dòng);⑤盾構(gòu)擠壓推進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)。從變形的歷時(shí)過程看,襯砌與周圍土體變形相協(xié)調(diào), 可分為初始變形、土體超孔隙水壓力消散引起的固結(jié)變形和土體骨架蠕變產(chǎn)生的次固結(jié)變形。隧道一般要在盾構(gòu)推進(jìn)完成后半年至一年才投入使用, 隧道的初始變形和固結(jié)變形在施工期已基本完成, 在以后的長(zhǎng)期運(yùn)行階段僅有次固結(jié)變形在緩慢進(jìn)行;由于隧道在鋪設(shè)軌道(路面)之前,一般要進(jìn)行接縫螺栓的二次預(yù)緊,除非隧道施工方法突然改變(如改變盾構(gòu)掘進(jìn)方法)或在隧道與豎井的銜接段,加之采用土壓平衡盾構(gòu)及先進(jìn)的施工方法減小了對(duì)隧道周圍土體的擾動(dòng),隧道施工期的變形相對(duì)均勻, 并且量值有限,對(duì)投入運(yùn)行后的縱向變形影響不大。
3. 2底層土體的不均勻沉降
在相同埋深和盾構(gòu)施工擾動(dòng)條件下,各種不同性質(zhì)的下臥土層所發(fā)生的擾動(dòng)、回彈量、沉降速率和總沉降時(shí)間,有不同程度的差異。因此當(dāng)隧道沿線的下臥層土體特性及分層不均勻時(shí),將導(dǎo)致隧道的不均勻沉降。壓縮模量較低、靈敏度較高的飽和粘土下臥層,經(jīng)過盾構(gòu)施工擾動(dòng)后的沉降量較大,而且沉降延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。壓縮模量較高、靈敏度較低的砂性土下臥層,經(jīng)過盾構(gòu)施工擾動(dòng)后的沉降量較小,且沉降穩(wěn)定快。當(dāng)隧道下臥層為密實(shí)的砂性土?xí)r,次固結(jié)量很小,次固結(jié)時(shí)間短,即使空隙比較大的砂性土中,次固結(jié)沉降在施工期也基本結(jié)束。上海打浦路越江公路隧道(盾構(gòu)擠壓推進(jìn)施工)江中段和浦東段, 其下臥層為粘質(zhì)粉土或粉砂與淤泥質(zhì)粘土互層( 接近砂性土)的土層,投入運(yùn)行后的16 年中,沉降增量為40～50mm,平均沉降速率只有0. 008mm/ 天;而浦西段隧道下臥層為松軟的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,最大沉降增量達(dá)120mm,出現(xiàn)嚴(yán)重的縱向不均勻沉降。
3. 3隧道附近基坑開挖
地鐵的建設(shè)帶動(dòng)了沿線地區(qū)房地產(chǎn)開發(fā)的高潮, 在隧道附近形成了寸土寸金的建設(shè)局面,隨之而來(lái)的地下空間利用和深基坑開挖直接導(dǎo)致了臨近地鐵隧道的縱向變形,有些基坑更是直接騎跨隧道之上或緊鄰隧道施工,由此可能帶來(lái)的隧道不均勻變形嚴(yán)重威脅隧道安全。根據(jù)嚴(yán)峻的地鐵保護(hù)形勢(shì),上海地鐵制定了地鐵隧道兩側(cè)的臨近3m 范圍內(nèi)不得進(jìn)行任何工程施工的基本規(guī)定；廣州也規(guī)定了，在地質(zhì)情況良好情況下，隧道周邊5m范圍內(nèi)不得進(jìn)行基坑開挖，地質(zhì)情況較差時(shí)，基坑與隧道距離增大至10m左右，并對(duì)各種典型地層的基坑避讓距離開展了相關(guān)研究�；娱_挖對(duì)開挖面以下土體具有顯著的垂直向卸荷作用,不可避免地引起坑底土體的回彈,并且,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在背后土體壓力作用下迫使基坑開挖面以下結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移,擠壓坑內(nèi)土體,加大了坑底土體的水平向應(yīng)力,也使得坑底土體向上隆起, 此外,隨著基坑開挖深度的增加,基坑內(nèi)外的土面高差不斷增大,該高差所形成的加載作用和地表的各種超載,會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)的移動(dòng),使基坑底產(chǎn)生向上塑性隆起。當(dāng)基坑下方土層中有地鐵隧道通過時(shí),坑底土體的隆起必然帶動(dòng)基坑下方的隧道產(chǎn)生局部縱向變形,該變形值隨著坑底土體的隆起量的增加而增大�；娱_挖卸去了內(nèi)側(cè)部分原作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力,結(jié)構(gòu)外側(cè)則受到主動(dòng)土壓力,由于土體開挖總是早于支撐力的施加, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)總是向坑內(nèi)產(chǎn)生一定的水平位移。隨著基坑開挖的繼續(xù),基坑內(nèi)外土面高差的增大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體有向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì), 基坑周圍出現(xiàn)塑性區(qū)并不斷擴(kuò)大,引起坑外地面沉降。因此,基坑周圍的土體有向下及坑內(nèi)的位移,在臨近地鐵隧道有超深基坑的情況下,將引起隧道產(chǎn)生向斜下方的縱向變形。
3. 4隧道近距離穿越
地下空間的開發(fā)利用逐漸向多元化、立體化方向發(fā)展, 如多條地鐵線路的同站臺(tái)換乘、地下商業(yè)街和地鐵車站的聯(lián)合開發(fā)等, 都會(huì)遇到不同線路的隧道空間近距離交叉穿越的問題。在建隧道施工將對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng), 沿施工隧道橫向在地層中形成一個(gè)近似正態(tài)分布的沉降曲線, 當(dāng)穿越已建地鐵隧道時(shí), 將導(dǎo)致已建隧道在縱向產(chǎn)生不均勻降沉。
4結(jié)語(yǔ)
本文從城市建設(shè)過程中可能對(duì)地鐵造成的不利影響出發(fā),論述了引起地鐵隧道縱向變形的各種因素。某一區(qū)段地鐵隧道的實(shí)際縱向變形往往是以上多種因素的綜合,需要根據(jù)工程的實(shí)際加以判斷,甄別出主要的影響因素,采取相應(yīng)的綜合治理措施,確保地鐵隧道的安全,以使工程順利實(shí)施。影響地鐵隧道縱向變形的因素是多方面的,相應(yīng)的預(yù)防治理工作也必須多管齊下,在城市和地鐵線路規(guī)劃時(shí)就需要避開不利因素,在地鐵投入運(yùn)營(yíng)后加大沿線地區(qū)的城市建設(shè)管理力度,研究開發(fā)出相應(yīng)的成套地鐵隧道保護(hù)技術(shù),制定全面的地鐵保護(hù)法規(guī),是防治地鐵隧道縱向不均勻變形和保護(hù)其安全運(yùn)營(yíng)的根本所在。由于地鐵工程規(guī)模大,跨越區(qū)域廣,涉及面多,與一般單體建筑相比,對(duì)城市的政治、經(jīng)濟(jì)生活、群眾出行影響要大得多,因此,做好地鐵隧道的保護(hù)工作具有特殊的意義。
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