盾构法隧道衬砌荷载影响因素分析

隧道设计时, 只有在准确估计作用在衬砌上荷载的基础上才能正确地进行隧道衬砌设计, 然而由于地层条件的变化和不确定性、盾构推进前后的地层变形导致的应力重分布, 以及施工条件的差异, 很难做到准确地估计作用在衬砌上的荷载。本文结合上海盾构隧道具体情况, 讨论影响软土隧道衬砌荷载的影响因素。 1 衬砌荷载的分布 衬砌是直接支承地层、保持规定的隧道净空、防止渗漏, 同时又能承受施工荷载的结构。衬砌在施工阶段作为隧道施工的支护结构, 起保护开挖面、防止土体变形、土体坍塌及泥水渗入, 并承受盾构推进时的千斤顶顶力以及其他施工荷载的作用; 竣工后, 衬砌单独或与内衬一起作为隧道永久性支撑结构, 可以防止泥水渗入, 同时支承衬砌结构周围的水、土压力以及使用阶段和某些特殊需要的荷载, 以满足结构使用要求( 图1) 。 当隧道衬砌半径与其埋深比r/H≤1/5时, 可视衬砌受无限远的边界力, 如图1(a)所示。与此同时, 当衬砌在上述主动土压力作用下发生压扁变形时, 还引起介质的被动土压力kδA(k为介质基床系数), 它只分布在水平轴上下45°的范围。其全部荷载简化如图1(b)所示。从图中很容易得到衬砌上任意点的径向土压力[1]: 式中, pr为角θ1处的径向压力, pV、pH分别为垂直和水平压力。 衬砌设计时必须考虑的荷载包括[2]: 土层压力、地下水压力、结构自重、超载以及地层抗力。根据具体情况还要考虑内部荷载、施工荷载以及震动影响, 特殊情况还要考虑相邻隧道的影响和沉降的影响。 2 衬砌荷载的影响因素 由于土拱作用, 隧道衬砌上的荷载很少情况下等于上覆土重, 很多因素影响着衬砌上荷载的分布。为正确估计作用在衬砌上的荷载, 就必须深入理解这些影响因素。 2.1 地质条件 地质条件是影响隧道施工的最主要的因素, 要找到完全相同地质条件的隧道几乎是不可能的。沿隧道截面的水平方向和垂直方向, 地质条件经常在不断变化。通常在垂直方向, 随着深度的增加, 土的内聚力和强度不断增加, 所以作用在衬砌上的荷载也会减小。在不同的土层中作用在衬砌上的土压力不同, 在淤泥质地层中, 当覆盖层不是特别厚时, 垂直地层压力PV等于隧道埋置深度H和周围土层密度γ的乘积, 即PV=γH。但当地层为强度及刚性较大的硬粘土及有粘性的密实砂土, 而覆盖层又有一定厚度时, 土层会与岩层相仿, 顶部有起拱作用, 此时PV<γH。 2.2 衬砌和土层的相对刚度 隧道衬砌既受到周围地层的荷载, 又受到它的约束。主动荷载使衬砌形状改变, 产生地层给衬砌的被动抗力, 地层位移后会产生相应的剪力, 而把重力传到更远的地层中去, 这样就会减少传给衬砌的垂直荷载。图2表示土层中刚性和柔性衬砌的应力分布和变形情况,地层中的原始垂直应力为σ, 水平静止侧压力系数为K0, 则原始水平应力为K0σ。刚性衬砌几乎不变形, 故原始应力维持不变, 这样刚性衬砌受到较大的弯矩, 其数值的大小取决于垂直应力和水平应力之差。相反, 柔性衬砌大致变形呈椭圆, 垂直方向的向内变形会调动地层中的剪应力, 而使垂直应力减小; 水平方向的向外变形会产生被动抗力, 而使水平应力增加, 直至作用在柔性衬砌上的地层压力接近均匀, 故柔性衬砌的弯矩比刚性衬砌小得多[3]。 因此, 衬砌对于周围地层的相对刚度必然会影响衬砌上荷载的分布。相对刚度越大, 作用在衬砌上的荷载也就越大。衬砌的刚度大小主要取决于衬砌的厚度、管片的拼装方式、接头刚度。工程实践表明: 在保证接头放水要求的情况下, 尽可能减小衬砌厚度和降低接头刚度的作法可以增加结构的柔性, 大大减小结构所受的弯矩, 而轴力却会得到提高, 偏心矩进一步减小。在同等条件下, 错缝拼装衬砌比通缝拼装衬砌具有较高的整体刚度。 2.3 施工方法 尽量减少对土层的扰动是减少衬砌上荷载的有效方法。不同的施工方法对土层的扰动是不一样的, 例如在软土地区, 通常采用土压平衡式盾构(EPB) 和挤压盾构, 但两种方法对地层的扰动程度不同, 所以作用在衬砌上的荷载也是不一样的[4]。 EPB盾构正面为密闭状态, 能有效控制工作面的土压力和地表的沉降。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施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。 2.4 隧道直径和埋深 隧道埋深对于作用在隧道上的地层压力具有决定作用, 但要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。一般认为, 对于大开挖施工的大型地下管道以及埋深较浅的小直径顶管衬砌结构都属于浅埋隧道结构, 而对于矿山法暗挖或用盾构法暗挖的隧道常称为深埋隧道。深埋隧道与浅埋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摩擦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土压力数值与竖向土压力数值趋向一致。浅埋圆形隧道地层土压力的计算通常如图3所示。 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力理论计算, 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。在深埋的情况下, 由于考虑土体的成拱效应, 采用太沙基公式计算松弛压力, 使有效的土层高度减小, 结构受力降低。理论和实践都证明: 随着隧道的埋深不同, 地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。 在埋深不变的情况下, 衬砌内力基本随着隧道外径的变化呈向下凸的抛物线形变化, 在外径不断变化的过程中, 其内力的增加量急剧增大, 且内力较大的截面在直径加大后其内力加大的幅度也最大。 2.5 地下水位的变化 对处于含水层和不透水层等复杂地层中的隧道来说, 在长期使用过程中, 地下水位的变化将导致隧道荷载的变化。在隧道开挖阶段, 为增加工作面的稳定性,常需要采取一定的降水措施。衬砌施工后, 地下水位随之上升。显然, 这两种情况下作用在衬砌上的荷载是不相同的, 通常后者要大于前者[5]。 2.6 外界环境的变化 隧道邻近范围内的各种施工活动, 如基坑开挖、增加地面荷载、新建高层建筑物及相邻隧道施工, 都会不同程度地扰动隧道周围的土体, 对土层施加新的附加荷载, 导致作用在衬砌上的荷载变化。 3 结束语 由于地铁隧道工程跨越区域大, 涉及面广, 同一条隧道需要经过不同的土层, 影响因素众多。为了准确估计衬砌上的荷载, 就必须结合工程实际情况, 认真分析各种影响因素, 从中甄别出主要因素, 最终为衬砌的准确设计打下基础。 参考文献 [1] 孙钧.地下工程设计理论与实践(M).上海: 上海科学技术出版社,1996. [2] Working Group No.2, ITA. Guidelines for the design of shield tun-nel lining. Tunneling and Underground Space Technology, 2000, 15(3) : 303- 331. [3] 刘建航, 候学渊.盾构法隧道(M).北京: 中国铁道出版社, 1991. [4] 蒋洪胜, 候学渊.软土地层中的圆形隧道载荷模式研究(J).岩石力学与工程学报, 2003, 22(4) : 651- 658. [5] Hak Joon Kim. Estimation for tunnel lining loads(D). Universityof Alberta, 1997: 1- 15. 信息来源于：中国城市轨道交通网