上海软土地铁隧道变形影响因素及变形特征分析

1、设计与研究上海软土地铁隧道变形影响因素及变形特征分析王如路(上海地铁运营有限公司)摘 要:盾构法隧道是上海软土地铁隧道的主要型式,隧道过大的纵向和横向变形是危及结构安全的重要病害之一。根据上海地铁隧道结构长期监测数据和监护实践,对其结构变形产生的原因、变形过程及变形特征进行了分析,所得到的结论有助于指导地铁隧道日常维护和变形控制。关键词:地铁隧道;纵向沉降;变形;渗漏水;破坏 上海地铁建设经过近30年的持续探索、试验研究和实践,在设计和施工方面取得了大量的技术成果和实际经验,形成了一整套适合上海地质条件和施工环境特点的地铁建设工程设计和施工方法。目前,随着上海轨道交通网络化运营的初步实现,工作

2、日客流维持在320万人次以上,最大日客流超过382.8万人次,客流量占公交比重超过20%。面对如此庞大的轨道交通网络和客流状况,地铁隧道结构安全愈显重要。隧道变形的稳定可控是地铁安全运营的重要保障之一,其纵向变形及防水研究越来越受到工程设计、施工和运营单位的重视。1 地铁盾构隧道特点在上海轨道交通建设中,其区间隧道大多采用盾构法施工,在盾构隧道拼装型式中又以通缝拼装居多数。盾构法隧道与其它隧道相比,其特点就是多缝。一般情况下,一条隧道的接缝总长度达到隧道长度的20多倍。因此,盾构隧道的多缝已成为隧道发生渗漏水的最直接因素。单圆通缝隧道管片厚度350mm,管片混凝土强度为C55,抗渗等级为1MP

3、a。一般隧道衬砌环由6块管片拼装而成,即由一块小封顶块F、两块邻接块L、两块标准块B和一块大拱底块组成(见图1)。(1)大拱底块布置了两条对称的三角肋,在隧道施工期间可搁置运输用的轨枕,提供运输通道;在整体道床浇筑后,有利于加强道床和隧道间的整体联系,增加隧道底部刚度,提高道床与衬砌间的环向抗剪力;在运营期间,可控制道床与隧道脱开后发生的相对移动。(2)在靠近隧道外弧面设弹性密封垫槽,内弧面设嵌缝槽。(3)在管片环面中部设了较大的凹凸榫,既利于施工装配、定位和拼装密贴,又可以提高施工过程中承受千斤顶顶力的能力,有效防止环面压损,同时也可提高隧道环向接头部位的抗剪能力,有利于协调隧道纵向差异沉降

4、。图1 通缝拼装隧道示意图5)1)(4)在管片端肋纵缝内设较小的凹凸榫。(5)环向管片间以2根M30的环向螺栓紧密相连,纵向环间以17根纵向螺栓相连。既能适应一定的纵向变形,又能满足列车运行时防水要求。管片之间的连接螺栓有直螺栓、斜螺栓、弯螺栓之分,直螺栓受力后变形最小。单圆错缝拼装隧道的管片分块角度与通缝拼装略有不同,隔环相同,拱底块不设三角肋。错缝拼装隧道的纵向刚度比通缝隧道要大一些,但不论是通缝还是错缝拼装,隧道总体上表现为/环刚纵柔0。盾构隧道是由一系列带凹凸榫的管片通过压紧装配和螺栓紧固连接而成。沿单环环向和隧道纵向的刚度不是均匀的,又因管片构造装配连接等因素,纵向变形和横向收敛变形

5、在一定范围内相互影响,使隧道整体受力和变形变得十分复杂。一条隧道要穿越性质不同的软弱土层,一般存在着拉压、剪切、扭转等受力状况。研究表明:隧道所发生的变形不仅与隧道本身结构和装配是否良好直接相关,还与地质条件、施工质量、施工扰动、内外部荷载变化、列车发车密度及周边工程施工影响等因素相关。根据结构测量资料表明:建于软弱地层中的隧道纵向变形与其下卧土层的变位极为密切。因此,无论是隧道建设期间还是运营期间,保持隧道周围土层的稳定性,尤其是保持隧道下卧土层的稳定性是至关重要的。2 隧道常见病害及因素分析2.1 运营隧道常见病害现象通过对运营隧道的长期监测,发现存在不同程度的安全病害。(1)受到各类因素

6、的影响,个别区间隧道发生了较大的纵向累计沉降量和不均匀沉降量,从而导致轨道线路与设计调坡不一致。(2)车站与隧道结合部位存在着不同程度的渗漏水现象,发生了较明显的不均匀沉降。究其原因,是由于车站本体和隧道连接部位的纵向刚度差异较大,基础刚度不一所致。(3)在区间旁通道或泵站两侧一定范围内的渗漏水较其它部位明显,累计沉降和不均匀沉降要比其它部位大。主要原因是地质条件复杂、施工经验不足或施工方法不当所致。(4)高架与地下过渡线路的U型槽段发生了较大的不均匀沉降,主要原因是基础型式不同,基础刚)2)度差异性较大。(5)在地铁1号线车站中,受限于当时的技术、经济条件,为满足车站抗浮安全的要求,有5座车

7、站设倒滤层。由于常年不间断地抽水,个别车站发生了较大的纵向沉降。(6)少数管片存在缺角现象,个别封顶块沿纵向有裂缝现象。主要原因是管片制作、养护、运输及施工中的推进、拼装、注浆等因素引起的。(7)隧道变形较大的部位一般在隧道施工期间发生过事故或存在工程质量问题,因对隧道周围土层扰动过大,致使工后发生了较大的固结和次固结沉降变形。(8)一般来讲,隧道环缝、十字缝及T字缝发生渗漏水相对较多,通缝渗漏水相对较少。隧道的防水问题是一个系统工程,需要在建设期间加强隧道渗漏水机理、防治的研究,为运营维修创造条件。(9)在隧道投入运营一段时间后,因纵向不均匀沉降等原因,所有的小半径曲线段和部分直线段的道床与

8、管片间发生了脱开现象。(10)在距隧道两侧一定范围内存在大量的各类加卸载及降水等工程活动,使隧道产生了新的附加变形。特别是大型复杂基坑工程,开挖深度深、影响范围大、施工时间长、降压降水时间长、变形控制难度大及工后影响时间长等,导致地层和隧道变形量大。目前,有些后建隧道要穿越已建隧道,尽管施工期间进行了严格的信息化施工控制,但因隧道接缝的长期渗漏水和振动相互影响,工后还是发生了一定的不均匀沉降变形。2.2 隧道病害因素分析根据分析,发现引起地铁隧道结构变形的病害主要与下列因素相关。2.2.1 地面区域性沉降影响地面沉降的因素比较复杂,既有历史原因,也有各类工程活动的影响,如地下水开采、建筑施工及

9、各类降压降水作业等。通过对上海市区地面长期沉降监测,发现地铁隧道沉降与地面沉降之间存在一定的联系和规律,凡地面沉降量大的区域,经过此区域的地铁隧道沉降量也比较大。2.2.2 复杂的地质条件上海地区地表浅层系第四纪滨海相沉积,一般土层厚度可达200300m。地表以下1040m深度范围内是车站和隧道所处的地层,多为饱和淤泥质流塑或软塑黏性土层。这类土层具有中高压缩性和较大的流变性等特点,土层一经扰动,其强度明显降低,固结变形时间长,变形量大。工程监测表明,不论是隧道本体施工还是近距离的各类工程施工,只要对隧道周围土层产生扰动,将会在较长时间内持续发生固结沉降。2.2.3 设计施工质量凡在隧道施工期

10、间发生过事故、产生过较大变形的部位,或存在施工质量问题的地段,在隧道投入运营后的变形也较大。建设施工质量和扰动过的环境对隧道变形影响是最直接的。考虑到地铁结构的长期安全性,在今后设计施工中应注意改进和完善,如建议不采用设置倒滤层的方案、U型槽基础刚度协调、减小和控制施工扰动及防水耐久性等。2.2.4 列车振动引起隧道下卧土层振陷或液化振陷是指土层在循环荷载作用下产生的附加沉降,振陷量与静荷载、土层刚度以及振动后土体软化程度等因素相关。行车荷载和土体刚度的变化最终决定振陷值的大小。室内试验和理论计算分析表明:上海的地铁隧道在无施工质量问题、土层无突变、盾构施工对土层的扰动得到恢复的情况下,地铁列

11、车的长期振动作用所产生的振陷量很小。但这种结论是以衬砌质量较好为前提的。分析表明,隧道接缝部位的施工质量和防渗漏水可靠性、列车动荷载水平和行车密度、振动频率、地质条件等因素都是影响土层振陷的重要因素。在隧道刚投入运营时,隧道周围土层的固结沉降尚未完全结束,随着列车行车密度增加,线路通过的荷载量增加,隧道沉降速率有迅速增加的趋势。在隧道投入运营几年后,隧道的沉降速率有逐渐趋缓的迹象。实践证明,加强对运营隧道渗漏水部位的治理以及在防止渗漏水方面的投入,对控制和减小隧道纵向变形至关重要。2.2.5 以高层建筑施工为主的临近地铁隧道的加卸载施工由于市区土地资源稀缺,靠近地铁隧道附近施工的项目很多,施工

12、时间和空间上相互交错,相邻工程与隧道呈现/深、大、近、难、险0的关系。一个深大基坑降压降水有时要抽排地下水数千立方米,多则达上万立方米,而且时间较长。这些工程的长时间施工对地铁隧道变形带来直接或间接的影响,而且这种对隧道变形的影响是巨大的、长期性的和不可逆转的。52.2.6 隧道之间因换乘需要相互穿越施工上海轨道交通线路网是一个完整的可换乘网络,换乘节点多达40多处,后续线路施工自然要穿越既有线路,而且有大量市政隧道(或通道)在地铁隧道附近或上下部穿越施工。这些工程的施工引起结构发生隆沉和渗漏水现象,运营后的长期相互影响达到明显差异的程度。对隧道变形较大的区段可通过适当调整扣件、道床局部改造和

13、线路顺坡等措施,来满足线路的运营安全。如隧道纵向变形进一步发展,就要通过实施大范围的隧道底部注浆、道床改造、调整线路坡度及更换扣件等综合性措施,来保障安全正常运营。若在不中断运营的情况下消除结构缺陷,施工难度和施工风险都比较高。3 隧道结构变形特征分析3.1 隧道横向变形特征按照设计要求,衬砌拼装成环的水平和竖向直径偏差4jD,严格限制荷载作用下结构变形1jD,接头张开量4mm,且接头满足受力、防水和耐久要求。现场监测数据表明:个别接头部位的张开量超过设计值,直径变化量($D)也达到或超过5jD,隧道横向变形一般呈/横鸭蛋0形式。因隧道环向刚度不均匀,隧道全断面收敛变形曲线不是光滑的,在接头部

14、位存在突变。根据隧道横向监测的水平弦长与理论弦长之差可以看出:拱底块完整性好、变形最小(一般在1cm之内);标准块下部变形较小,上部逐渐变大;邻接块下部变形最大,上部逐渐减少,隧道横向变形见图2。3.2 隧道横向收敛变形分析在隧道呈/横鸭蛋0变形的状况下,隧道顶、底部外弧面受压,接缝外弧面闭合;而内弧面受拉,管片接缝内弧面张开。从理论上讲,隧道顶部的外弧面处在压紧状态时,不易发生渗漏水,但当压应力超过接头处的混凝土强度时,接头将被压坏。因此,在纵缝间设置的弹性防水垫在一定程度上可以起到分散接头外弧面部位的压应力作用。在隧道呈/竖鸭蛋0变形的状况下,隧道顶、底部外弧面受拉,而侧向压力基本不变,接

15、缝外弧面张开;而内弧面受压,管片接缝内弧面闭合。在此压紧状态下,隧道纵缝易发生渗漏水。假设管片拼装完成时接头的装配良好,接缝平整密贴,对隧道横向变形作如下分析。(1)当隧道发生/横鸭蛋0变形时。隧道顶、底)3)图2 隧道横向变形外弧面呈受压状态,而对应的内弧面呈受拉状态。根据封顶块和邻接块的对应关系,以及弹性防水垫和螺栓所在位置的几何关系,当接头处外弧面压紧而内弧面张开1mm,螺栓增量约为0.66mm,止水垫张开增量0.16mm;当接缝张开4mm,螺栓会拉长2.64mm,而止水垫仅张开增量0.63mm。由此可知:当隧道接缝外弧面压紧而内弧面张开过大时,螺栓易拉流,而止水垫张开量却很小,不易发生

16、止水失效的问题。但需特别注意封顶块与邻接块接头部位的外弧面易发生压坏问题。(2)当隧道接头内弧面压紧而外弧面张开1mm时,弹性止水垫张开0.84mm,螺栓仅拉长0.36mm;当接头外弧面张开4mm时,螺栓拉长1.43mm,弹性止水垫张开3.37mm。根据防水要求,当外弧面张开6mm时,弹性止水垫张开5.06mm,螺栓拉长2.14mm,基本处在拉流状态。由此可知:当隧道呈/竖鸭蛋0变形时,一般封顶块和邻接块内弧面处于压紧状态,防水垫易产生止水失效,应特别注意纵缝的防水失效。理论分析表明:隧道横向变形一般主要由接头部位的装配变形和管片的弹塑性变形两部分构成,装配变形所占的比例似乎更大一些。根据对几

17、处已加固完成的工程进行的监测,推断隧道发生横向变形接头部位的张开量,螺栓应变量超过1%,隧道的横向直径与正圆相比,横向变形增量($D)接近2%)4)D,如横向变形进一步发展,则极有可能会危及隧道结构的安全。隧道横向极限变形情况的相关研究和试验正在开展之中。3.3 隧道纵向变形特征假定隧道在变形前处于拼装良好状态,纵向上没有发生附加变形,当某一环隧道因外部荷载改变或周围土层扰动发生变形时,会带动相邻环隧道发生纵向变形,由此影响到更大范围,从而沿隧道纵向形成一个较大的沉隆槽段。3.4 隧道纵向变形分析3.4.1 将单环隧道理想化成刚体转动情况假定将纵向隧道单环简化成一个理想化的刚体,环间只发生很小

18、角度的刚体转动,通过一系列刚体转动而形成隧道的纵向沉降变形。当发生均匀沉降时,隧道顶部压紧,而底部张开$;当隧道产生相对隆起时,隧道底部压紧,而隧道顶部张开$。现以隧道顶部受压、底部受拉为例来分析。假定环间发生刚体微小转动,转动角H(见图3)。根据刚体转动几何条件,隧道环宽(B)、直径(D)、环缝张开或闭合量($)及隧道纵向附加沉降曲线半径(R)之间存在如下对应关系:$=或=DRBR向附加沉降(或隆起)与环缝张开关系见表1。(1)若取环宽B为1.0m、隧道外径6.2m计算,隧道纵表2 隧道纵向均匀变形与附加沉降半径关系序号1234附加沉降(隆起)曲线半径R/m15000(按照隧道保护标准)10

19、00500125隧道纵向错台沉降D/mm0.0330.51.04.0图3 隧道纵向仅发生转动张开环缝不会导致既有的防水体系的破坏,但往往因隧道施工质量等复杂因素,在隧道发生较小的错台变形时,隧道就已发生渗漏水。当管片装配良好的状态下,可允许有4mm的沿环面相对滑动。在发生较小错台时,纵向连接螺栓发挥抗拉剪作用,随变形的持续发展,纵向连接螺栓开始处在屈服阶段,凹凸榫也发挥抗剪,环间充填物也随之发生错动,错台变形的进一步发展,凹凸榫将有可能发生剪切破坏。以下对发生1cm错台时隧道变形情况进行分析。(1)弹性止水垫变形。如果仅从弹性密封垫的尺寸来考虑,两片密贴的止水垫径向重叠尺寸约2.3cm,在环间

20、错台变形达到1cm时,两片密封垫重叠部分仍有1.3cm。在压紧状态下,密封垫之间应该不会发生渗漏水现象,但错台发生时将会对弹性密封垫产生剪切撕裂作用,从而导致密封垫之间、密封垫与管片之间产生较大的相对滑动,从而使水和细粒砂土沿滑动细小缝隙渗漏进入隧道。因此,弹性密封垫的质量对隧道长期安全至关重要。(2)螺栓和管片的变形。一般情况下,环间凹凸榫之间的配合允许有?4mm的滑动,当错台变形达到1cm时,螺栓基本已拉流,螺栓孔部位的管片也极有可能会产生微小的裂缝,凹凸榫发生剪切作用。同时,细小泥砂和水开始从隧道外部进入隧道,引起水流失,造成土层失稳,产生更大的环缝,水土流失加剧,最终导致隧道发生失稳破

21、坏。(3)纵向沉降变形曲线。一个典型隧道纵向沉降曲线见图5示,从纵向累计变形上可划分成三段:开始阶段,隧道环间错台是依次增加的,但此阶段的纵向变形累计量相对较小,累计曲线是向下弯曲;中间阶段,环间错台几乎呈直线增加,纵向累计量较大,没有明显弯曲;最后阶段,环缝间的错台快速变小,此阶段的纵向累计沉降量达到最大,曲线是向上弯曲的。无论如何,当错台变形达到1cm时,必须严密关注隧道的漏水和变形情况,及时控制漏水漏砂,通过)5)表1 隧道纵向沉降(或隆起)与环缝张开关系序号12346附加沉降(隆起)曲线半径R/m15000(按照隧道保护标准)10000622020731555环缝张开量$/mm0.41

22、50.6221.03.04.0(按设计标准)若依此计算,当纵缝张开量为6mm时,此时隧道的弹性防水已经失效。实际上,如此小的附加沉降半径在实际沉降中是存在的,防水体系并没有失效,这说明隧道只作刚体转动的假定与隧道实际变形有一定的出入,但因其计算简单而仍能得到广泛应用。3.4.2 将隧道纵向变形视为错台变形情况当某一A环隧道发生垂直沉降时,会向相邻环施加向下的压剪力,A环隧道凹槽面的上半圆(靠近外弧面)的内侧面会受到相邻环凸榫(靠外弧面)外侧向上的作用力;A环凸榫面一侧的下半圆(靠近外弧面)的外侧受到相邻环凹槽面(靠近外弧面)内侧向上的作用力(见图4)。当某一环隧道结构发生沉降(或隆起)时,因相

23、邻环面上存在不同的凹凸榫面,环面上的受力部位和受力方向是不同的。 均匀错台后形成的附加沉降曲线半径R可用下式计算:R=2D2(2)式中:L为沉降盆(或范围)半径;R为沉降附加曲线半径;D为沉降差。若以环宽B=1m、隧道外径D=6.2m计,要满足隧道变形保护标准,两环隧道之间的错台变形量应小于0.033mm,隧道纵向变形与附加沉降曲线之间的关系见表2。从隧道适应错台变形的构造设计来看,隧道纵向均匀错台变形在4mm范围内基本5图4 隧道错台变形纵向沉降及止水条的放大图沉降变形图。沉降量最大处的隧道横向变形较小,在最大沉降与最小沉降的中间存在一个反弯点,此处的沉降量不一定最大,但隧道的横向变形反而最

24、大。在一定范围内,隧道的纵横向变形存在着一定的相关性。图5 某线路区间下行线沉降曲线注浆并辅以相应内撑来保持隧道椭圆度,否则,后果不堪设想。图5是某下行线隧道发生漏砂漏水经抢险后的沉降曲线。因施工不慎引发隧道漏水漏砂,环间发生了较大错台沉降变形,导致纵向累计变形和差异沉降变形都很大,后经抢险隧道危情才得以控制。过大的错台变形势必引起隧道结构开裂和防水失效,最终导致隧道破坏,几处隧道施工过程中发生了大变形或产生了险情的工程都验证了这一点。通过对隧道管片间的构造关系和变形过程得知,在管片拼装良好的情况下,环间错台变形量非常小。理论分析和现场测量表明,隧道纵向沉降变形一般以错台变形为主,以刚体转动变

25、形为辅。3.5 横向变形与纵向沉降之间的关系因节能和排水需要,上海地铁线路采用/高站位低区间0的线路型式,隧道需要穿越不同的地层,加之隧道外部荷载变化,当隧道纵向发生沉降变形时,因隧道装配因素,在一定范围内,横向变形也会随之发生变化。图6是某区间隧道横向变形与纵向图6 隧道纵横向变形关系4 结语本文结合地铁监护对软土隧道变形现象、原因及变形特征进行了分析。实际变形和破坏以及所进行的分析都表明,隧道纵向变形以错台变形为主。一般来讲,只要隧道横向变形2%D、环缝错动变形在毫米级范围内,管片接头不发生渗漏水,隧道是安全可控的。在实际工程中,还需严密注意/竖鸭蛋0发生时纵缝的渗漏水。因此,隧道安全在很

26、大程度上取决于管片之间的变形协调和防水体系的可靠,隧道周围土层的稳定是防水可靠的前提。(收稿日期:2009-01-12)6)UNDERGROUNDENGINEERINGANDTUNNELS(Quarterly)No.1Mar.2009AbstractsofMainContents(1)FactorsInfluencingDeformationofShanghaiSoftSoilMetroTunnelandDeformationAnalysisWangRuluShieldtunnelisthemostcommontypeformetrotunnelinShanghaisoftsoilarea.T

27、heextralargedeformationintunnelslongitudinalorintransversedirectionsendangersthestructuralsafety.Accordingtothedatafromlong-termstructuralmonitoringpracticeuponshanghaimetrotunnelandmetrotunnelprotectionpractice,analysisismadetothemechanism,processandcharacteristicsofstructuraldeform-ation.Theresult

28、swillbebeneficialtoguidetheroutinemaintenanceanddeformationcontro.l(7)SubwayMinedTunnelFullProfileExcavationFreezingCurtainOptimizationDesignMethodbyLongDistanceHorizontalFreezingWangWenshengTurn-backlinetunnelandventilationductofTianheStationofGuangzhouRailTransitLine3wereminedbyfullprofilehorizont

29、alfreezing,drillandblastexcavation.TheoptmialdesignschemeoffreezingcurtainwascomeupwithbytheFEMcalculation,whichdeterminesthatthemostacceptableparametersofstressanddeformationoffreezingcurtain,.ie.whenthefreezingcurtainis2.0mthickandtheaver-agetemperatureis-10e,andthesafetyanalysisunderthestressandd

30、eformation.(11)ShieldConstructionRiskEvaluationofShanghaiQingcaoshaRawWaterRiverCrossingTunnel GuYun FangJunTakethefirstsingleliningwatertunne-lShanghaiQingcaoshaRawWaterTunnelasengineeringbackground,onthebasisofdeepunderstandingofengineeringcharacteristics,clientdemand,engineer-inggeotechnicalcondition,nearbyenvironmen,tmainrisksexistingintheshieldconstructionwereident-ifiedandmaderiskrating.Combinedwiththeriskmechanism,controlmeasuresfortheseri