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盾構(gòu)法隧道襯砌荷載影響因素分析論文
摘 要： 不同的地質(zhì)條件、施工方法、隧道埋深以及襯砌剛度等條件的差異， 會(huì)不同程度地影響隧道襯砌上荷載的分布。結(jié)合上海軟土盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)和施工的具體情況， 分析影響軟土隧道襯砌荷載的影響因素， 可為地鐵隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考。
關(guān)鍵詞： 隧道； 襯砌； 剛度
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(kāi)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)PV<γH。
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(kāi)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(kāi)有可開(kāi)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(guò)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(kāi)閉的千斤頂閘門形式， 以此調(diào)整開(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)程中， 地下水位的變化將導(dǎo)致隧道荷載的變化。在隧道開(kāi)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(kāi)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(guò)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] 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] 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] Hak Joon Kim。 Estimation for tunnel lining loads（D）。 Universityof Alberta， 1997： 1— 15。
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