隧道設計時,只有在準確估計作用在襯砌上荷載的基礎上才能正確地進行隧道襯砌設計,然而由于地層條件的變化和不確定性、盾構推進前后的地層變形導致的應力重分布,以及施工條件的差異,很難做到準確地估計作用在襯砌上的荷載。本文結合上海盾構隧道具體情況,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,同時又能承受施工荷載的結構。襯砌在施工階段作為隧道施工的支護結構,起保護開挖面、防止土體變形、土體坍塌及泥水滲入,并承受盾構推進時的千斤頂頂力以及其他施工荷載的作用;竣工后,襯砌單獨或與內襯一起作為隧道永久性支撐結構,可以防止泥水滲入,同時支承襯砌結構周圍的水、土壓力以及使用階段和某些特殊需要的荷載,以滿足結構使用要求(圖1)。

 

當隧道襯砌半徑與其埋深比r/H≤1/5時,可視襯砌受無限遠的邊界力,如圖1(a)所示。與此同時,當襯砌在上述主動土壓力作用下發(fā)生壓扁變形時,還引起介質的被動土壓力kδA(k為介質基床系數(shù)),它只分布在水平軸上下45°的范圍。其全部荷載簡化如圖1(b)所示。從圖中很容易得到襯砌上任意點的徑向土壓力[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。

 

襯砌設計時必須考慮的荷載包括[2]:土層壓力、地下水壓力、結構自重、超載以及地層抗力。根據(jù)具體情況還要考慮內部荷載、施工荷載以及震動影響,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地質條件

 

地質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,土的內聚力和強度不斷增加,所以作用在襯砌上的荷載也會減小。在不同的土層中作用在襯砌上的土壓力不同,在淤泥質地層中,當覆蓋層不是特別厚時,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?shù)貙訛閺姸燃皠傂暂^大的硬粘土及有粘性的密實砂土,而覆蓋層又有一定厚度時,土層會與巖層相仿,頂部有起拱作用,此時PVγH。

 

2.2襯砌和土層的相對剛度

 

隧道襯砌既受到周圍地層的荷載,又受到它的約束。主動荷載使襯砌形狀改變,產(chǎn)生地層給襯砌的被動抗力,地層位移后會產(chǎn)生相應的剪力,而把重力傳到更遠的地層中去,這樣就會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力分布和變形情況,地層中的原始垂直應力為σ,水平靜止側壓力系數(shù)為K0,則原始水平應力為K0σ。剛性襯砌幾乎不變形,故原始應力維持不變,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力和水平應力之差。相反,柔性襯砌大致變形呈橢圓,垂直方向的向內變形會調動地層中的剪應力,而使垂直應力減小;水平方向的向外變形會產(chǎn)生被動抗力,而使水平應力增加,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,襯砌對于周圍地層的相對剛度必然會影響襯砌上荷載的分布。相對剛度越大,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構的柔性,大大減小結構所受的彎矩,而軸力卻會得到提高,偏心矩進一步減小。在同等條件下,錯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

 

盡量減少對土層的擾動是減少襯砌上荷載的有效方法。不同的施工方法對土層的擾動是不一樣的,例如在軟土地區(qū),通常采用土壓平衡式盾構(EPB)和擠壓盾構,但兩種方法對地層的擾動程度不同,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,切削后的泥土與開挖面的土壓力取得平衡的同時,由隧道和土腔相通的螺旋輸送機輸出,裝于排土口的排土裝置在出土量和進土量取得平衡的條件下,盾構不斷推進。擠壓盾構的胸板上常開有可開啟的進土孔,在極軟弱的土層中,胸板前方還常設有網(wǎng)格板。盾構推進時,正面土體呈擠壓狀態(tài),被擠壓的土體通過進土孔,擠入盾構胸板內側。進土孔的數(shù)量和大小按地質條件而定。為適應各種條件的變化,常將胸板上的每個進土孔設計成可開閉的千斤頂閘門形式,以此調整開口率。

 

EPB盾構和擠壓盾構控制地層移動方式的不同,必然造成在隧道掘進的過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,目前尚無公認的理論依據(jù)。一般認為,對于大開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構都屬于淺埋隧道結構,而對于礦山法暗挖或用盾構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算上有兩個不同點:一是要考慮周圍土體對隧道頂面以上土柱的摩擦力以及土體卸載拱效應,從而減少了豎向土壓力;二是埋深的增加會使側向土壓力數(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算,拱背弧形部分的土體重量可近似簡化為均布荷載,側向土壓力一般也是按朗肯土壓力理論計算,地基反力也可由靜力平衡條件確定。在地層的相對剛度較大的情況下,側向彈性抗力的作用將會明顯地表現(xiàn)出來。在深埋的情況下,由于考慮土體的成拱效應,采用太沙基公式計算松弛壓力,使有效的土層高度減小,結構受力降低。理論和實踐都證明: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程中,其內力的增加量急劇增大,且內力較大的截面在直徑加大后其內力加大的幅度也最大。

 

2.5地下水位的變化

 

對處于含水層和不透水層等復雜地層中的隧道來說,在長期使用過程中,地下水位的變化將導致隧道荷載的變化。在隧道開挖階段,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

 

隧道鄰近范圍內的各種施工活動,如基坑開挖、增加地面荷載、新建高層建筑物及相鄰隧道施工,都會不同程度地擾動隧道周圍的土體,對土層施加新的附加荷載,導致作用在襯砌上的荷載變化。

 

3結束語

 

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)過不同的土層,影響因素眾多。為了準確估計襯砌上的荷載,就必須結合工程實際情況,認真分析各種影響因素,從中甄別出主要因素,最終為襯砌的準確設計打下基礎。

 

參考文獻

 

[1]孫鈞.地下工程設計理論與實踐(M).上海:上海科學技術出版社,1996.

 

[2]WorkingGroupNo.2,ITA.Guidelinesforthedesignofshieldtun-nellining.TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,2000,15(3):303-331.

 

[3]劉建航,候學淵.盾構法隧道(M).北京:中國鐵道出版社,1991.

 

[4]蔣洪勝,候學淵.軟土地層中的圓形隧道載荷模式研究(J).巖石力學與工程學報,2003,22(4):651-658.

 

[5]HakJoonKim.Estimationfortunnelliningloads(D).UniversityofAlberta,1997:1-15.