南京地鐵盾構(gòu)隧道縱橫斷面結(jié)構(gòu)安全評估研究

高 永 孫 俊

(1.南京地鐵資源開發(fā)有限責任公司 南京210012;2.上海巖土工程勘察設計研究院有限公司 上海200438)

盾構(gòu)隧道以其質(zhì)量好、施工安全、掘進快速、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，在城市軌道交通中得到廣泛運用。但是，伴隨著長期運營，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的縱向不均勻沉降、橫向變形、管片錯臺及開裂、管片間滲漏等病害越來越普遍。因此，隧道是否處于安全可控狀態(tài)，是否需要加固，剩余多少安全儲備，是決策者最為關心的問題。

隧道縱向曲率半徑、橫向水平直徑收斂能夠直觀地反映出隧道縱環(huán)向接頭處的滲漏水狀況，也能夠評判出隧道的安全狀況。在地鐵運營階段，對隧道縱向曲率半徑和橫向收斂變形方面的研究顯得尤為重要［1-3］，它對后期地鐵安全運營具有重要的指導意義和很好的科學研究及應用價值。目前，很多學者涉及運營隧道安全評估的研究［4-7］，主要采用傳統(tǒng)的荷載-結(jié)構(gòu)模型進行隧道結(jié)構(gòu)的變形計算［5-9］。由于在運營階段影響盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形的因素很多，因此，外部荷載很難確定并用于結(jié)構(gòu)分析計算。筆者結(jié)合盾構(gòu)隧道襯砌設計的收斂限制法求解極限橫向收斂值、根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件求解縱向曲率半徑，綜合判斷盾構(gòu)隧道縱橫向斷面結(jié)構(gòu)安全性能，并掌握隧道結(jié)構(gòu)剩余安全儲備。

1 項目背景

南京地鐵某建成盾構(gòu)法隧道，全環(huán)由1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)、3塊標準塊(B1、B2、B3)共6塊管片組成。管片厚度為35 cm，環(huán)寬為1.2 m，管片的環(huán)與環(huán)，塊與塊間均以M30彎螺栓連接(機械性能等級為5.6級)，錯縫拼裝。管片混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為1.0 MPa。自2008年8月起，該隧道區(qū)間西側(cè)項目A、B相繼進行工程施工，截至2012年1月，地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)附加沉降超出10 cm，盾構(gòu)隧道橫向斷面直徑收斂變形超出6 cm，多環(huán)管片接縫存在滲漏水、漏泥漏砂以及道床與管片脫開等現(xiàn)象。2012年10月至2014年期間，該區(qū)間西側(cè)仍將有另一重大項目C進行降水、土方開挖等工程施工。

1.1 周邊項目概況

項目A:基坑平面尺寸為236 m×182 m，基坑支護設置鉆孔灌注樁 1100@1300、三軸深攪樁 850@1200、2層砼支撐，臨近地鐵側(cè)鉆孔灌注樁深34.5 m，止水樁深25.8 m，基坑開挖深度13.3 m，與地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線最近52.9 m，基坑底比隧道頂高0.48～2.93 m，對應地鐵線路里程為K5+147～K5+387。

項目B:基坑平面尺寸為240 m×59 m，基坑支護設置鉆孔灌注樁 1200@1400、三軸深攪樁 650@1100、3層砼支撐加1層鋼管支撐，臨近地鐵側(cè)鉆孔灌注樁深40.2 m，止水樁深27.0 m，基坑開挖深度為18.7 m，與地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線最近52.9 m，基坑底比隧道頂?shù)?.7～3.6 m，對應地鐵線路里程為K4+847～K5+092。

項目C:基坑平面尺寸為220 m×420 m，基坑支護設置1.2 m厚地下連續(xù)墻，地墻深65 m(入巖不低于1.5 m)，基坑開挖深度為18.3 m，與地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線最近距離為57.4 m，基坑底比隧道底高4.36～8.41 m，對應地鐵線路里程為K4+594～K4+817。

項目與地鐵平面和剖面位置關系見圖1及圖2。

圖1 項目與地鐵平面位置關系

圖2 項目與地鐵剖面位置關系(以項目B為例)

1.2 地質(zhì)概況

本勘察場地地貌單元屬長江漫灘相?；鶐r面以上均為第四紀松散層，層厚約為60 m。本次勘探深度內(nèi)地基土層呈二元結(jié)構(gòu)，上層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，下層以砂性土為主。本區(qū)間隧道底板埋深處地層主要為②2b4、②3b3－4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，局部為②3d2－3層粉砂。該區(qū)間各土層平均物理力學指標詳見表1。

1.3 結(jié)構(gòu)設計概況

根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》［10］，該區(qū)間結(jié)構(gòu)中主要構(gòu)件的設計使用年限為100年;主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級為一級，在進行承載能力計算時，其重要性系數(shù)取γ0=1.1;結(jié)構(gòu)按抗震設防烈度7度設計，并采取必要的抗震構(gòu)造措施;隧道收斂變形不大于0.2%D(D為隧道外徑);管片最大裂縫寬度不大于0.2 mm;盾構(gòu)管片的防水等級為一級，結(jié)構(gòu)不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無濕漬。該區(qū)間盾構(gòu)隧道管片參數(shù)見表2。

1.4 病害概況

隧道表觀:上下行共有百余處滲漏點，部位均在隧道腰部管片以下的環(huán)縫內(nèi)部，典型滲漏見圖3，未發(fā)現(xiàn)成股流淌現(xiàn)象，拱頂無滲漏;局部拱頂部位存在細縱向裂縫，裂縫寬度不足0.2 mm;區(qū)間道床與盾構(gòu)管片內(nèi)表面存在較長的剝離縫，并且伴有明顯的錯臺高差。

表1 各土層平均物理力學性質(zhì)指標

表2 盾構(gòu)隧道管片參數(shù)

圖3 隧道典型滲漏

隧道縱向附加沉降:上下行線沿隧道里程每20 m設置一個長期沉降觀測點，項目基坑出正負零時，上行線最大附加沉降達99.5 mm，下行線最大附加沉降達65.9 mm，上下行線縱向附加沉降見圖4。

圖4 隧道縱向附加沉降曲線

隧道橫向附加變形:項目A、B施工期間，對其影響區(qū)段進行了專項地鐵保護區(qū)監(jiān)測，下行線每20 m設置一隧道水平直徑收斂監(jiān)測斷面，項目基坑出正負零時，下行線所有收斂監(jiān)測斷面變形量均超出0.5%D［11］，最大水平直徑收斂變形達6.95 cm(1.12%D)，圓形隧道不同程度地變形為扁橢圓形，下行線水平直徑收斂變形見圖5。

2 安全評估方法

圖5 下行線水平直徑收斂變形曲線

該區(qū)間地鐵盾構(gòu)隧道建在飽和軟黏土地層內(nèi)，在自重及地下水持續(xù)交替的影響下，隧道自身在竣工后相當長的時間內(nèi)，縱向會出現(xiàn)不均勻的附加沉降，橫向斷面會出現(xiàn)諸如“橫鴨蛋”、“豎鴨蛋”、“斜鴨蛋”等變形，加之周邊密集的房地產(chǎn)開發(fā)，也進一步加劇了隧道縱、橫向斷面的變形?？v橫向斷面的附加變形，將形成管片內(nèi)力變化及連接螺栓的附加受力，當附加變形超過一定范圍時，會造成管片錯臺、管縫滲漏，嚴重時將出現(xiàn)管片開裂、螺栓屈服等現(xiàn)象。通過對隧道橫縱斷面的評估，可了解隧道結(jié)構(gòu)性能、連接螺栓的受力，對評估隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)與安全運營具有重要意義。

2.1 縱斷面評估

隧道縱向附加沉降變形是各種因素共同作用下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的直接反映，沉降曲線的曲率半徑是縱斷面評估的有效指標。

隧道縱向變形如圖6所示，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件有

圖6 隧道縱向變形示意及節(jié)點大樣

式中，δ為環(huán)縫張開量，D為隧道外徑，ls為單環(huán)管片寬度，r為縱向變形曲率半徑，得到縱向變形曲率半徑

根據(jù)隧道縱向設計防水要求、螺栓位置與環(huán)縫張開量的關系，可求出設計防水極限及螺栓強度極限的縱向變形曲率半徑，詳見表3。

表3 隧道縱橫斷面極限變形

根據(jù)三點定圓法，可求解出任意里程處的縱向曲率半徑

式中，L1、L2為i點與前、后點的距離，ΔS1、ΔS2為i點相鄰兩點的差異沉降量。

2.2 橫斷面評估

在管片拼裝完成后，隧道橫向附加變形是管片與螺栓協(xié)調(diào)變形的直接反映，收斂是橫斷面變形的直接體現(xiàn)，其包含管片接縫張開角產(chǎn)生的變形及管片拉伸產(chǎn)生的變形。南京地鐵最初選用人工拉收斂尺法量測隧道收斂，但由于人為影響因素較大，且無法直接得到直徑收斂，現(xiàn)已很少采用，目前主要采用具有無合作目標測距功能的全站儀進行量測。

2.2.1 管片接縫張開角產(chǎn)生的收斂

［6］，在不考慮管片自身變形的前提下，接縫張角和隧道收斂變形之間存在一定的幾何關系，以圖7為例說明建立這一關系的方法。

圖7 隧道橫斷面變形示意及節(jié)點大樣

為簡化計算，假定:隧道各管片等質(zhì)均勻;管片橫斷面垂直半徑變形與水平直徑變形相等;連接螺栓變形呈彈性。

由環(huán)向螺栓手孔大樣圖，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件有

式中，θ1、θ2分別為管片外側(cè)與內(nèi)側(cè)張開角，h為管片厚度，d為螺栓中心至管片內(nèi)側(cè)的距離，c1、c2分別為管片內(nèi)外兩側(cè)彎轉(zhuǎn)點至管壁的距離，δg、δg'分別為螺栓拉伸量。

由于內(nèi)外兩側(cè)彎轉(zhuǎn)點彎矩為零，按隧道橢圓變形規(guī)律，在正負彎矩下連接螺栓相對于各自內(nèi)外側(cè)彎轉(zhuǎn)點的彎矩相等，結(jié)合同一材質(zhì)的連接螺栓受力變形的虎克定律，可得到

聯(lián)合式(4)、(5)，可得到

設l為單塊管片的弧長，收斂ΔD1與θ1和θ2的關系為

將式(4)～(6)代入(7)，得

2.2.2 管片自身變形產(chǎn)生的直徑收斂

據(jù)參考文獻［3］，管片自身變形產(chǎn)生的收斂為

式中，R1為管片彈性極限變形的中性軸曲率半徑，R0為初始中性軸半徑，R0=h/ln(r2/r1)，h為管片厚度，r2為隧道外徑，r1為隧道內(nèi)徑，R1計算有

式中，ξ為管片彎矩傳遞系數(shù)，一般取0.3～0.5［12］;n為截面螺栓個數(shù);［σ］為連接螺栓的屈服應力;As為受拉螺栓截面積;h0為接頭處混凝土受壓區(qū)合力作用點至螺栓中心的距離，h0=2b/3+a－d(其中，a為中性軸到管片內(nèi)緣的距離，b為中性軸到管片外緣的距離，d為螺栓孔中心至管片內(nèi)緣的距離);E為管片彈性模量;R為形心軸半徑;B為管片寬度;h為管片厚度。

聯(lián)合式(8)、(9)，可得收斂變形

由式(11)可求出橫斷面設計防水極限及螺栓強度極限的收斂變形，如表3所示。

3 安全評估

由實測隧道縱向附加沉降曲線(見圖2)，根據(jù)式(3)的計算，上行線縱向斷面曲率半徑最小值為13 724 m，下行線最小值為19 701 m，均大于防水極限及螺栓強度極限，說明隧道縱斷面能滿足防水及螺栓強度要求，且距離防水及螺栓強度極限尚有一定的富余量。

由實測隧道收斂值(見圖5)，根據(jù)對比表3所列防水極限值及螺栓強度極限值，對下行線項目段隧道收斂變形進行統(tǒng)計(上行線未觀測)，如表4所示，項目段對應的下行線已經(jīng)有53.33%的斷面不能滿足防水要求，此數(shù)值與隧道表觀檢查的情況較為吻合，螺栓尚處于彈性狀態(tài)。

表4 下行線隧道水平直徑收斂統(tǒng)計

鑒于隧道既有病害及后期即將施工的項目C，建議:抓緊完成對隧道滲漏、道床脫空等病害的綜合治理，防止因持續(xù)滲漏造成隧道周邊土顆粒的流失;在項目C后期施工過程中，應進一步優(yōu)化設計，精心施工，盡量減小對既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形;應對地下連續(xù)墻密封性能做專項的檢查，發(fā)現(xiàn)問題，及時采取補救措施，進一步擴大地鐵保護監(jiān)測范圍;加強對該區(qū)間地鐵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測及既有隧道病害的跟蹤巡查，確保地鐵結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

通過對南京地鐵某盾構(gòu)隧道縱橫斷面結(jié)構(gòu)安全性評估分析，得出以下結(jié)論:

1)基于縱斷面曲率半徑、橫斷面直徑收斂的極限值，對比現(xiàn)有縱向附加沉降及水平直徑收斂的實測值，該區(qū)段部分斷面防水已經(jīng)不能滿足要求，連接螺栓尚處于彈性狀態(tài)。

2)由于將各管片做了弧長等值且管片與連接螺栓同時達到彈性極限狀態(tài)的假設，橫斷面收斂極限值尚需大量工程實踐證明。

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