圆形隧道作用荷载的影响因素分析

圆形隧道作用荷载的影响因素分析

1衬砌结构计算理论的认识随着城市现代化的发展，地下工程挖掘深度变得越来越深，呈现出三维态势。在大断面、大埋深和高水压等新的工程环境条件下,城市软土地区进行盾构法施工势必有新的要求。有必要对现有的设计方法重新考虑与认识。随着国际技术合作与交流的增加,隧道衬砌结构设计模型趋于一致,尽管实际使用的设计模型趋于减少,但各国对衬砌结构计算理论的研究从来没有停止过,提出了越来越多的设计模型,这似乎形成一种矛盾现象。这种矛盾现象说明衬砌结构计算理论还存在许多问题,最根本的问题就在于模型本身能否真正反映工程实际情况。纵观衬砌结构计算理论的发展,作用在隧道上的外荷载如何确定,虽然是土木工程中一个古老的传统课题,但依然是岩土工程研究与设计领域一个备受关注的难题。2温度、混凝土结构压力隧道结构上所承受的主要荷载有结构自重、地层压力、弹性抗力、地下水静水压力、车辆和设备重量及其他使用荷载;另外,还可能受到一些附加荷载,如灌浆压力、温度变化或混凝土收缩引起的温度应力和收缩应力、施工荷载等,有时还要考虑偶然发生的特殊荷载如地震或爆炸荷载。上述这些荷载中地层压力对大多数地下工程而言,是至关重要的荷载:一是因为地层压力往往成为地下结构设计计算的控制因素;二是因为地层压力分析计算的复杂性和不确定性,在软土地区,地层压力即为土压力,作用于地下结构的土压力包括竖向土压力和水平土压力。影响圆形隧道上作用的计算荷载的因素归纳起来主要包括:隧道埋深、施工工艺、计算方法及土层参数取值等。2.1结构上竖向土压力在确定隧道上作用荷载时,首先应当分析隧道埋深。埋深对于作用于隧道上的地层压力具有决定作用。但明确划分隧道深埋与浅埋的界限,目前尚无公认的理论依据。大开挖施工的大型地下圆管道以及埋深较浅的小直径顶管衬砌结构等都属于浅埋圆形隧道结构。浅埋圆形隧道在正常使用期间的土压力计算,目前通常采用图1所示的地层压力的分布图形。圆形隧道顶部作用的竖向土压力由土柱理论计算。拱背弧形部分的土体重量可近似简化为均布荷载。侧向土压力一般也是按朗肯土压理论计算。地基反力也可由静力平衡条件确定。在地层的相对刚度较大的情况下,侧向弹性抗力的作用将会明显地表现出来,为简化计算,假定弹性抗力作用区为图1中圆心角α=90°的范围,弹性抗力图形为线性分布的三角形。当埋深相对于跨度增加到一定程度,且土层较硬时,工程经验和试验表明,结构上的竖向土压力比按土柱理论计算的结果要小,从而产生了考虑土柱两侧摩擦力和粘聚力的修正土柱理论。用矿山法暗挖或用盾构法暗挖施工的圆形隧道称为深埋圆形隧道。深埋圆形隧道与浅埋圆形隧道在土压力计算上有两个不同点:一是要考虑周围土体对隧道顶面以上土柱的夹制力以及土体卸载拱效应,从而减少了竖向土压力;二是埋深的增加会使侧向压力数值与竖向土压力数值趋向一致。在非饱和土层中,用矿山法暗挖的圆形隧道(也包括其他拱形衬砌结构),其竖向土压力的确定可用普氏理论计算,也可按泰沙基理论计算。注意到当地下结构埋置很深时,普氏理论和泰氏理论相似。从松散体理论分析浅埋和深埋的土层压力计算公式中,不难看出,产生土层压力的根本原因,在于两种不同的土体塌落:整体塌落和土柱底部局部塌落,从而建立浅埋、深埋两种土层压力的计算公式。理论和实践都证明:随着地下结构的埋置深度不同,土层压力的分布规律和数值大小也就不同。因此,确定划分浅埋和深埋的界限是十分必要的。援引文,根据地压测试和理论分析,结合工程实践经验,有些设计部门提出松散土层中浅埋和深埋的分界深度Hcr为:Hcr=(1.0～2.0)B,同时还规定Hcr>(2.0～2.5)h0,式中:B为洞室的跨度,h0为塌落拱的高度。在饱和土软弱地层中的深埋圆形隧道,虽然从理论上和实测资料数据均证明这样一个事实:圆形结构所受的地层压力要比用土柱理论和朗肯土压理论得到的地层压力对结构受力有利,但是,考虑到盾构在施工阶段的受力复杂性,出于安全的原因,衬砌结构上的水土压力仍然采用图1所示的计算图式。对于竖向土压力,一般仍按土柱理论计算,但当埋深h与隧道外径D的比值大于等于5时,可取不大于0.8rh。圆形隧道侧向土压力的确定也是从安全的目的出发,因为,过高估计侧向土压力的数值,往往对结构是不安全的,所以,工程上仍采用图1所示的计算图式。2.2考虑同步注浆压力的地层注浆方式作用于圆形隧道上的土压力值与隧道施工工艺之间具有密切关系。在软粘土地区,通常采用土压平衡式盾构(EPB)以及挤压盾构。EPB盾构正面为密闭状态,能有效控制工作面的土压和地表的沉降。其工作原理是:由大刀盘切削土层,切削后的泥土与开挖面的土压(水、土压力)取得平衡的同时,由隧道和土腔相通的螺旋输送机输出,装于排土口的排土控制装置在出土量和进土量取得平衡的条件下,盾构不断推进。挤压盾构的胸板上常开有可开启的进土孔,在极软弱的土层中,胸板前方还常设有网格板。盾构推进时,正面土体呈挤压状态,被挤压的土体通过进土孔,挤入盾构胸板内侧。进土孔的数量和大小按地质条件而定。为适应各种条件的变化,常将胸板上的每个进土孔设计成可开闭的千斤顶闸门形式,以此调整开口率。EPB盾构和挤压盾构控制地层移动方式的不同,必然造成在隧道掘进的过程中以及工后隧道周围土层的变化不同,从而使得作用在隧道上的地层压力不同。在隧道施工时,为防止由于地层损失而引起的地面沉陷,目前通常采用壁后同步注浆方式,而注浆压力、注浆量以及注浆管的分布都会在隧道施工阶段对作用在隧道上的地层压力产生影响,因此,应考虑注浆压力所引起的地层压力增加的情况。同步注浆是近些年来发展起来的注浆方式,即在盾尾壳板外表面,设有6根同步压浆管,盾构推进时可对管片外表面的环行空隙同步注浆。同步注浆的最大优点是对壁后建筑空隙的回填真正做到及时回填,使地表沉降有效地得到控制。同步注浆时要求在压入口的压力为该点的静止水压与土压之和的1.1～1.2倍,做到尽量填补而不是劈裂。注浆量一般为理论注浆量的120%～180%。2.3粘土为等土时采用合算还是限制其计算在给定土层、隧道埋深以及施工工艺的条件下,人们所采用的计算方法以及土层参数等对计算出的土压力值也具有显著影响。土压力分析计算的困难和复杂性在于土体本身构成的复杂性,多年来一直沿用Rankin经典土压力理论。对于给定的饱和水软土地层和隧道,应同时考虑土压力和水压力的作用,这里涉及到水土分算与水土合算的原则问题,不同的计算原则导致作用在隧道上的土压力的计算结果相差甚大。所谓水土分算即分别计算土压力和水压力,以两者之和为总的侧压力,这一原则适用于土孔隙中存在自由的重力水的情况或土的渗透性较好的情况,一般认为适用于砂土、粉性土和粉质粘土;所谓水土合算的原则,是认为土孔隙中的水是结合水,不是自由的重力水,因此,它不传递静水压力,以土粒与孔隙水共同组成的一个整体,直接用土的饱和重度计算侧压力,一般认为这一原则适用于不透水的粘土层。然而,完全理想的不透水层是不存在的,因此,在粘性土层中是采用水土分算还是水土合算原则,仍然是工程界的一个争论问题。在上海软粘土地区,目前较多采用水土合算的原则和Rankin理论。在计算中,强度指标c,φ值是采用直剪、固结快剪实验中的峰值强度来计算。本文表1中给出的地层参数中的c,φ值即是采用上述方法得出的。本文后面分析地层的压力以及载荷分布时,均是采用水土合算这一原则。而文认为,对于矩形隧道、沉井、具有多道支撑的挡土结构等地下建筑物,宜采用水土分算原则计算。这是因为这些类型的地下结构本身刚度大,防水性好,相邻土体中的孔隙水压容易达到静水压力。采用水土分算时,按照有效应力原理,土骨架压力和水压力应该分别考虑。强度指标c,φ值应当分别采用有效粘聚力和有效剪阻角。这种方法的概念比较明确,但在实际应用中参数的取值仍遇到一定的困难。3衬砌环土压力测量根据现有的一些资料,衬砌外荷载的数值和分布情况与隧道埋设地层的水文地质情况、施工方法、衬砌本身的刚度等有密切的关系。对于如此复杂的影响因素,简单采用某一计算理论很难真实反映工程实际,因此,人们把思路转向了现场实测。通过直接量测作用在隧道上的地层压力及衬砌变形,从而得到地层压力分布与数值。可以采用各种压力盒直接量测作用在衬砌上的压力,也可以用各种应变量测元件间接量测衬砌压力而推算地层压力值。在采用土压力盒直接量测时,作法是预先将土压力盒安放在衬砌环的几个不同位置上,如隧道拱顶、拱腰和拱底等处,在隧道管片拼装时一起安装就位。这样从衬砌环安装就位后,就可以连续地从土压力盒上采集到土压力数值。所测到的土压力是作用在衬砌环上的径向压力。由于盾构掘进引起的地层损失或隧道周围受扰动土体的重新固结以及注浆压力等原因导致初始量测的土压力值会处于一个不稳定阶段,本文将在此阶段量测的土压力称为隧道施工阶段土压力。随着盾构的继续向前推进,量测环渐渐远离盾构施工的影响区域,受扰动土体重新固结后渐渐趋于稳定,隧道在周围土体压力作用下随着时间推移也渐渐趋于稳定。这样测得的土压力值就会进入一个比较稳定的阶段。本文将此阶段的土压力值称为隧道正常使用阶段的土压力。人们为了探索土压力沿隧道周围的分布规律,早在20世纪70年代采用闭胸式挤压盾构施工的上海某海水取水隧道工程中,研究人员就进行了隧道土压力的现场量测。进入20世纪90年代后期,在采用土压平衡式盾构施工的上海地铁二号线工程中,工程与科研人员再一次现场量测了作用在隧道上的土压力分布。现场量测到的完整数据为研究圆形隧道的土压力分布规律及其影响因素提供了可靠的依据。下面笔者将分隧道的施工阶段和正常使用阶段两种情况加以分析。3.1量测环土层物理力学指标上海地铁二号线某区间隧道采用预制C60钢筋混凝土装配式直缝拼装螺栓连接管片,隧道外径6.2m,内径5.5m,它采用EPB盾构法施工。量测环置于上海第4层灰色淤泥质粘土和第51层灰色粘土中,隧道中心埋深为14m。根据上海市隧道工程设计院的“石门一路站一人民公园站区间工程地质勘察报告(详勘)”,量测环处土层及其物理力学指标如表1所列。由2.1节所述浅埋、深埋隧道的界限经验公式计算,可以认为该地铁隧道属于浅埋隧道范畴。根据上海京海工程技术公司“人民公园站一石门一路站的盾构推进监测报告”,量测环的土压力量测布点如图2所示。3.2盾构级为柔性衬砌法施工,隧道洞身理位置,长上海某海水取水隧道的衬砌结构为预制C30钢筋混凝土砌块结构,内径3.5m,外径4.14m,每环由6块砌块组成,砌块厚32cm,宽80cm,纵横向采用榫槽结合错缝拼装,属柔性衬砌,隧道用盾构施工,采用闭胸挤压盾构推进(不出土),量测段处于滨海地带淤泥质地层中,取水隧道西线量测段埋深12.8m,东线量测段埋深为13.7m,土容重18kN/m3。同样由2.1节所述浅埋、深埋隧道的界限经验公式计算,可以认为该取水隧道属于浅埋隧道范畴。4在隧道施工阶段分析负荷4.1挤压盾构施工阶段隧道顶部作用荷载的比对在隧道施工阶段,考虑到由于隧道管片外部注浆等因素的影响,隧道所受荷载往往是由注浆压力控制。在地铁隧道工程中,按隧道不同埋深采用同步注浆,其压入口处的压力一般为1.1～1.2倍的静止土压力。因此,隧道拱顶处的竖向荷载一般取静止土压力的1.1～1.2倍。在地铁隧道量测环上测出的隧道拱顶处(测点1)的土压力历时变化如图3所示。从图3量测结果可以看出,隧道拱顶处测得初始值为204.3kPa,测得最大值为254.23kPa,而计算土柱压力rH=199kPa,测定最大值与计算土柱压力之比值为1.28。由此,似乎可以说明在隧道施工阶段隧道拱顶处的竖向荷载一般取静止土压力的1.1～1.2倍是合理的。海水取水隧道西线计算土柱压力rH=230kPa,而量测值在开始挤压推进时为240kPa(最大值),其与土柱压力之比值为1.04;取水隧道东线量测段埋深为13.7m,则土柱压力rH=247kPa,脱出盾尾时量测值为258kPa,其与土柱压力之比值为1.04。由此,可以说明挤压盾构施工阶段隧道顶部作用荷载与所在点土柱压力之比值较EPB盾构施工的要小一些,前者可取1～1.1,后者可取1.1～1.3。之所以挤压盾构法施工的隧道中测定的拱顶土压力较小,似乎可以认为是挤压盾构不采取管片后注浆等施工措施所造成的。总之,在施工阶段,隧道拱顶处土压力的取值,对于挤压盾构来说可以采用土柱压力,而对于EPB盾构,考虑到管片背后注浆等因素,最大可以取土柱压力的1.3倍。4.2拱底反力值对比隧道拱底处的反力通常采用静力平衡法计算。但在施工阶段此法计算值往往不符合实际。地铁隧道量测环底部土体反力通过测点5测出,如图4所示。对于地铁隧道量测环,利用静力平衡原理计算隧道拱底反力值为189.3kPa,而从图4中可以看出,测得施工阶段初始值及最大值分别为252.79及279.3kPa。量测的初始值和最大值与静力计算拱底反力之比值分别为1.33和1.48。取水隧道西线静力平衡计算拱底反力为260kPa,出盾尾时测值为250kPa,后者与前者之比值为0.96。取水隧道东线静力平衡计算拱底反力为277kPa,出盾尾时测值为310kPa,后者与前者之比值为1.12。总之,对于挤压盾构,拱底反力测值与静力计算值之比值为0.95～1.1;对于EPB盾构加同步注浆时,拱底反力测值与静力计算值之比值为1.3～1.5。显然,对EPB盾构施工的隧道来说,利用静力平衡来计算拱底反力值也会产生很大误差。实际上从量测的数据来看,拱底反力与拱顶反力比较接近,二者之比值为1.1。4.3施工阶段土压力的变化规律在施工阶段,侧向水平主动土压力通常按Rankin主动土压力理论计算,但是笔者在工程实践中发现地层组成、施工方法、衬砌结构的刚度等对侧向主动土压力影响很大,甚至会出现很大差异。地铁隧道量测环侧向水平压力通过测点3,6测出,如图5所示。采用EPB盾构法施工的地铁隧道量测环在施工过程中,在盾构刚推出时,测得侧向水平压力为218.65kPa(取3,6两测点测值的平均值),经20h达到最大值233.8kPa(取3,6两测点测值的平均值)。如果取侧向水平压力与隧道拱顶处垂直压力之比为隧道的侧压力系数λ,则测得测点3,6处的侧压力系数分别为0.9和0.95,取二者之平均值,则λ=0.92。由于侧压力小于拱顶垂直压力,因此,隧道衬砌出现“横鸭蛋”受力变形状态。如果依惯例按成层土以Rankin理论计算主动土压力并将其作为隧道的水平侧压力,则其值为189.5kPa。该值与测值之间的差值幅度达19%。显然在EPB盾构法施工的隧道的施工阶段,应用Rankin主动土压力理论计算隧道的水平侧压力会带来很大的误差。当采用挤压盾构施工时,开始时侧向压力很大,顶部压力小于侧向压力,隧道衬砌出现“竖鸭蛋”受力变形状态,这种状态在上海用挤压盾构施工时的土压量测中及美国哈得逊河下的林肯隧道施工量测中均有反映。取水隧道西线开始挤压推进时,侧向水平土压力为250kPa,而拱顶量测垂直压力为240kPa,λ=1.04。取水隧道东线脱出盾尾时,量测侧向水平土压力为290kPa,而拱顶量测垂直压力为258kPa,λ=1.12。由此可以看出,在施工阶段隧道的变形形态与其施工方法有密切的联系。在软土地铁工程中,通常是采用土压力平衡式盾构,现在笔者对采用该种方法施工的地铁隧道在施工阶段土压力的分布形态作进一步的分析。在地铁隧道量测环中还测出了隧道拱腰以上45°(测点2)及隧道拱腰以下45°(测点4)处的土压力历时变化数据,如图6所示。根据前面的测值分析知道,对于EPB盾构,在施工阶段由于管片背后注浆等因素的影响,使得土柱理论、主动土压力理论和静力平衡理论分别计算得出的隧道拱顶、拱腰以及拱底处的压力值与实测值之间的偏差分别达到28%,18.9%和48%。因此,根据上述理论来计算在施工阶段作用在EPB盾构施工的软土隧道上的荷载,是会产生很大的误差的。根据对实测值的分析,现做如下假定:(1)隧道拱顶处,考虑注浆等因素,取作用在隧道上的垂直压力为土柱压力的1.3倍。(2)隧道拱底处地层反力取与隧道拱顶处相同值,而不计隧道管片本身的重量。(3)隧道拱腰处的水平侧压力系数取0.9。(4)隧道拱顶与拱腰之间任意点径向作用荷载Pr的变化规律为余弦变化,满足关系式:式中:θ为与拱腰处水平轴的夹角。根据上述假定将计算结果列于表2中。(2)隧道拱腰以上45°(测点2)及隧道拱腰以下45°(测点4)处的土压力历时变化数据参见图6.由表2的数据可以看出,根据本文提出的假设,理论计算值与量测值之间吻合得很好,计算偏差在1.76%～7.3%之间。因此,可以认为上述假设是合理的,能够很好地反映施工阶段EPB盾构施工的软土隧道上的荷载性状。5通常，隧道维护阶段的负荷分析5.1不同土柱压力对于采用EPB盾构施工的地铁隧道量测环,土压力量测结果(参见图3～6)表明,最终稳定值一般在衬砌脱出盾尾37d前后达到。此时,稳定土压力视为隧道在正常使用阶段所承受的荷载。其取值为最后4次测值的平均值。对于隧道拱顶处(测点1,参见图3),利用Terzaghi的土柱理论计算值为199kPa,非常接近于最终稳定值204.5kPa,稳定值与计算土柱压力二者之间的比值为1.04,而用Terzaghi的松动土压力理论计算值去比较,比值为1.148。由此可说明,在上海软粘土中利用土柱理论计算隧道在正常使用阶段拱顶处所经受的荷载似乎更合理。对于取水隧道西线,量测段土柱压力为rH=230kPa,挤压盾构推进两个月后基本稳定为222kPa,稳定值与土柱压力二者之间的比值为0.97,可以认为Pv=rh。对于取水隧道东线量测段土柱压力为rH=247kPa,脱出盾尾20d后基本稳定为240kPa,稳定值与土柱压力二者之间的比值为0.97,可以认为Pv=rh。因此,在正常使用阶段,对于处在软土中的圆形隧道,其拱顶处的荷载用Terzaghi的土柱理论计算结果与实际是相符的。5.2静力法计算载荷对于采用EPB盾构施工的隧道量测环拱底处(测点5,参见图4),利用静力平衡原理计算地基反力值为189.5kPa,而从图4中可看出,其最终稳定值为223kPa,测值与计算值之间的比值为1.18。取水隧道西线,量测段测值在两个月时为249kPa,趋于稳定;而利用静力平衡原理计算的拱底反力为260kPa,稳定测值与静力平衡计算值之比值为0.96。取水隧道东线,量测段测值在20d时为262kPa,趋于稳定;而利用静力平衡原理计算的拱底反力为277kPa,稳定测值与静力平衡计算值之比值为0.95。由此可以看出,对于挤压盾构施工的隧道底部载荷,静力法计算值比稳定值大4%～5%,比较符合实际。而对于EPB盾构施工的隧道,在载荷稳定阶段,其拱底荷载却是另外一种情形:即静力法计算值比稳定测值小20%,由此可说明采用EPB盾构施工的隧道,对于隧道底部,如果简单地以静力计算法计算,其结果与实际相差较大。5.3静力土压力对于采用挤压盾构施工的取水隧道西线,量测段管片侧向压力在2个月后基本稳定在222kPa,λ=222/222=1。而取水隧道东线,量测段管片侧向压力在20d后基本稳定为271kPa,λ=271/240=1.12。对于采用EPB盾构施工的地铁隧道量测环拱腰处,在正常使用阶段所经受的水平荷载(测点3,6,参见图5),从图5中可以看出,其最终稳定值为183.3kPa。在该点处由地质勘探报告给出的静止土压力系数K0为0.55～0.56,由此计算拱腰处的静止土压力K0rh=139.1kPa,计算值与实测值的偏差达24%。因此,在隧道使用阶段,如果以地质报告给出的K0值计算的静止土压力作为载荷施加在隧道上,将使作用在隧道上的荷载显著的不均匀,从而导致计算结果与实际偏差过大。因此,无论是挤压盾构还是EPB盾构施工的软土隧道,在正常使用阶段,其侧压力的确定如果根据静止土压力理论,则结果会产生很大的偏差。根据前面的测值分析知道,对于EPB盾构施工的地铁隧道,在正常使用阶段采用土柱理论计算隧道拱顶处荷载与实测值非常接近,而采用静止土压力理论和静力平衡理论分别计算得出的隧道拱腰以及拱底处的压力值与实测值之间的偏差分别达到24%和15%。因此,根据上述理论来计算在正常使用阶段作用在EPB盾构施工的软土隧道上的荷载是会产生很大的误差的。基于以上认识并经计算,现在假定作用在隧道上的载荷分布规律和施工阶段相同,所不同的是:(1)在使用阶段,隧道拱顶处的垂直荷载取土柱压力;(2)