地铁隧道纵向变形影响因素的探讨

摘要：地铁的建设促进了城市经济的发展和地下空间的利用,但沿线地区的城市建设引起了地铁隧道的纵向不均匀变形,给地铁的安全带来了威胁,本文结合城市建设的发展,简述了影响地铁隧道纵向变形的因素,以期为地铁隧道的设计者和相关管理人员参考。

关键词：隧道；纵向变形；保护

中图分类号：U45 文献标识码：A

随着不断提高的我国城市现代化水平,城市公共交通建设的必然选择为发展快速轨道系统,除了已投入运营上海、北京、天津和广州等四个城市的多条地铁线路,并正在建设中另有数条线路之外,西安、青岛、深圳和南京等其他城市的地铁建设也快速地在建造实施中。在其他特定条件或城市环境下,在市政设施的建设方面盾构法隧道具有其独特的经济性和优越性, 被广泛地采用在诸如越江公路隧道、地下铁道及城市输水管道等城市公共设施的建设中。

地铁的建设极大改善了城市公共交通和促进了区域经济的发展,特别是迅速成为城市建设的热点在地铁沿线地区,于房地产形成了持续的开发热潮,推动了开发利用城市地下空间,地铁建设运营带来的巨大社会效益和经济效益突出地显现。然而,沿线地区的开发建设也构成了一定的威胁对地铁隧道的安全,并且,由于隧道衬砌自身和软土地下结构的特点,在投入运营后使得地铁隧道结构上固有的缺点也逐渐暴露。

一、隧道纵向变形性能

在宏观上地铁隧道主要是细长结构横向受荷,在管片间衬砌完成后存在径向接缝,存在联结接头在隧道衬砌各环之间,采用接缝螺栓联结。隧道是复杂的三维地下结构,其纵轴线根据功能的需要和地下环境的条件不断地发生变化,横向常采用承载性能优良的圆形结构,为充分调动土层自身的承载和稳定能力,隧道衬砌常被设计成半柔性的地下结构,隧道和土体之间存在着复杂的共同作用。

隧道纵向变形引起的因素众多,既有地铁运行期的,又有隧道施工期的,有周边环境变化的,也有系统本身引起的。施工期的隧道纵向变形,已基本完成在二次预紧联结螺栓前,影响隧道长期结构性能不明显；对于纵向变形的地铁隧道运行期,除了扰动土体施工期的次固结变形外,会引起隧道不均匀的纵向变形尚有多种因素,会对地铁隧道直接影响安全。

二、隧道纵向沉降影响因素

（一）、施工期影响

隧道变形施工期的原因,主要是对周围土层盾构推进的扰动所引起,其中包括①盾尾后压浆不充分不及时；②土体扰动在开挖面底下；③盾壳的剪切和摩察对隧道周围土体造成的扰动；④在纠偏推进或曲线推进过程中盾构造成超挖；⑤盾构挤压推进的扰动。

（二）、底层土体的不均匀沉降

在盾构施工扰动和相同埋深条件下,所发生的回弹量、扰动、总沉降时间和沉降速率在各种不同性质的下卧土层,有不同程度的差异。因此当隧道沿线的分层不均匀及下卧层土体特性时,将导致不均匀的隧道沉降。灵敏度较高、压缩模量较低的饱和粘土下卧层,沉降量在经过盾构施工扰动后较大,而且沉降延续时间较长。灵敏度较低、压缩模量较高的砂性土下卧层,沉降量较小在经过盾构施工扰动后,且沉降稳定快。

（三）、隧道上方地表加卸荷载

导致隧道不均匀纵向沉降的重要因素之一是地表加卸载,为此上海地铁保护技术标准作出了建筑垂直荷载、降水等施工因素引起的地铁隧道外壁附加荷载不得大于20kPa的规定。

隧道在饱和软弱粘土中,由于未修建隧道前该处土层自重应力总是大于隧道底部土体反力,比修建隧道前隧道下土层压缩模量有所降低,加之隧道下受扰动土层的长期次固结在地表加载时仍在缓慢继续,因此,比一般基础沉降有效压缩厚度土层加载时的范围大,沉降稳定周期久,可引起隧道下卧土层敏感的沉降由于较小的地面荷载增量。

促使隧道上升或下沉由于水位的变化。当处在相对不透水土层中隧道,水位的下降或上升如同对隧道的卸载或加载。水位上升对含水砂性土,使土体膨胀,从而上抬隧道；土体有效应力由于水位下降增加,隧道导致下沉,对含水砂性土的复杂地层和穿越不透水粘性土的河床下的隧道,在地层分界的变化面处,沿隧道纵向受到相应的纵向变形和非均匀分布的压力,隧道的纵向变形在河道变化水位幅度较大时会更大。

（四）、隧道附近基坑开挖

沿线地区房地产开发的高潮由地铁的建设带动,形成了寸土寸金的建设局面在隧道附近,随之而来的深基坑开挖和地下空间利用对临近地铁隧道的直接导致了纵向变形,有些基坑更是紧邻隧道施工或直接骑跨隧道之上,严重威胁隧道安全由此可能带来的隧道不均匀变形。

对开挖面以下基坑开挖土体的垂直向卸荷作用具体显著,引起坑底土体的回弹不可避免,并且在背后土体压力作用下基坑围护结构迫使基坑开挖面以下结构挤压坑内土体,向坑内移动,坑底土体的水平向应力加大,也使得向上隆起坑底土体,此外,基坑内外不断增大的土面高差,随着开挖基坑深度的增加,该高差所形成的地表的各种超载和加载作用,会向基坑内移动的围护结构的外侧土体产生,在基坑底产生向上塑性隆起。当有地铁隧道通过在基坑下方土层中时,必然带动基坑下方的隧道由于坑底土体的隆起产生纵向局部变形,随着坑底土体的隆起量增加该变形值增大。

（五）、地铁隧道和车站的差异沉降

在地质环境、结构性能、运行条件和施工方法等多个方面地铁隧道和车站存在很大差异,类似的情况也存在于通风竖井和软土公路隧道间,因此,不可避免地在车站和隧道(通风竖井)之间存在差异沉降,有时这种差异沉降足以达到使管片开裂的程度和隧道环缝漏水。地铁车站是一种长条状箱形钢筋混凝土结构,由于功能的需要,经常为车站地下二至三层结构,使其底部的土体应力在车站的修建时处于严重的卸荷状态。

（六）、桩基的长期沉降

地铁的建设推动了沿线地区房地产的开发,在地铁隧道附近,高楼大厦毗邻而起,一些建筑物与隧道相距很近,有的仅有5～6m,个别建筑更是直接骑跨于隧道上方。由于对地基的加载作用,建筑物必然产生沉降,并在周围土层中形成沉盆,不可避免地带动邻近地铁隧道的位移,由于这些建筑物的基础大多为桩基础,这些穿越软弱地层的群桩基础的沉降影响邻近地铁隧道成为一个普遍关注的问题。

主要由桩端以下地基土压缩变形和桩间土压缩变形组成桩基础沉降,由于土体的剪切模量存在,周围土体向下运动由桩基沉降必然带动以沉降为主在其周围形成一个位移场,鉴于桩的深基础特性,较一般浅基础位移场的作用范围要广得多。

即使相对于非常软弱的淤泥质土,单桩沉降也在一倍桩长以上剪切变形的影响范围,而群桩沉降在相近荷载条件下影响桩基之外土体必然大于单桩。上海的中高层建筑桩基础的桩长多在20～60m之间,因此,桩基沉降的土体剪切影响范围大约为30～100m,在此范围内的构筑物必然要受到桩基沉降的影响。

（七）、地铁列车振动

在建成投入运营地铁隧道后,将承受周期性的间歇性列车振动荷载的作用,除了固有振动周期于隧道结构和荷载振动周期应远离隧道的共振之外，引起的隧道不均匀沉降问题尚需考虑地铁列车振动,表明列车振动引起的隧道沉降值经过上海地铁一号线的长期观测是不容忽视的,相当大的程度再量值上可以达到,在某些地段甚至是最主要的沉降影响因素。

总之，从城市建设过程中本文可能对地铁造成的不利影响出发,论述了引起地铁隧道纵向变形的各种因素。根据工程的实际需要加以判断,采取相应的综合治理措施,甄别出主要的影响因素,确保地铁隧道的安全,以使工程顺利实施。由于地铁工程规模大,跨越区域广,涉及面多,与一般单体建筑相比,对城市的政治经济生活影响要大得多,因此,做好地铁隧道的保护工作具有特殊的意义。

参考文献

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