软土盾构隧道纵向设计综述

软土盾构隧道纵向设计综述

软土盾构隧道发生过量的纵向沉降或不均匀沉降,引起隧道渗水、漏泥或结构局部破坏,有时甚至会影响到隧道的正常运营[20][21]。

因此,深入研究软土盾构隧道纵向变形对隧道结构影响及考虑纵向变形的衬砌结构纵向

设计理论是解决软土盾构隧道现存问题的关键,尤其是衬砌结构纵向设计方法。

2衬砌结构纵向设计现状

目前,国内外对盾构法隧道衬砌结构设计主要采用横向设计。在国内,我国地下铁道及铁

路隧道设计规X[6]中推荐使用荷载结构模型,而未考虑纵向变形的影响。《XX市地基基础设计规X》1999版中对盾构隧道纵向变形进行了一定的考虑[7],提出盾构隧道纵向不均匀沉降的影响是不可忽视的。尤其是盾构工作井和区间隧道的连接处;隧道底部下卧土层特性及分层突变处;覆土厚度急剧改变处等,都会有较明显的不均匀沉降。提出在设计中应按照预估的沉降差,设置适量的变形缝。规X还提到在施工阶段和使用阶段,进行隧道结构的横向内力和变形计算时,在必要的时候宜考虑隧道纵向变形对横向内力和变形值的影响。

目前,国内针对软土盾构法隧道采用的设计模型主要为匀质圆环和弹性铰法[13～17],皆

可用弹性方程解。前者主要用于使用阶段的设计验算,后者主要用于施工阶段的设计验算。在国外,国际隧道协会(ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｕｎｎｅｌＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ)在1978年成立了隧道结构模型研究组,收集各会员XX用的地下结构设计模型。并于200 0年编写出了《盾构隧道衬砌设计指南》[8],为各国盾构隧道结构的设计指明了基本原则。其中将结构模型分为四类:连续体或不连续体模型、作用与反作用模型、收敛-约束模型和工程类比法。这与我国学者XXX、侯学渊[5]的分类(经验类比模型;荷载结构模型;地层结构模型;收敛限制模型)基本相同。同时在《盾构法隧道设计指导》中提出在必要时将隧道纵向沉降的影响列入荷载类别的特殊荷载项予以考虑。美国交通运输研究协会在2000年度报告[9]中就提到,很多处于软土中的隧道、管道的破坏或出现问题就是由于纵向不均匀沉降而产生的。最多的一种情况就是由于下卧土层土性沿纵向分布不均匀而产生的纵向不均匀沉降。因此美国交通运输研究协会在2000年提出了隧道“纵向设计”的概念,并计划开始进行这方

面的研究工作。由此可见,在现行的设计规X中还没有纵向设计的相关内容,但是,结构的纵向问题对结构的影响已经引起广大学者关注。因此,开展纵向设计相关研究具有重大现实意义。

免费论文下载中心.hi138. 由于隧道纵向问题属于三维问题,其结构复杂,纵向结构计算

模型尚不成熟。但也已经取得了一定的科研成果。在工程实测和室内试验基础上,已建立了一些隧道纵向结构计算模型。目前对软土隧道纵向结构的理论研究主要分为:试验或实测分析法、数值分析法和理论解析法。在理论解析法中根据隧道接缝和螺栓简化方法的不同,日本学者提出了两种隧道纵向结构理论,一种是以村上博智及小泉淳[22]为代表的以轴向、剪切和弯曲弹簧模拟接缝和螺栓、以梁单元模拟衬砌环的梁一弹簧模型,它是将横向梁一弹簧模型移植到了隧道结构纵向(见图3);纵向粱一弹簧模型中每一衬砌环均由一直线粱模拟,各衬砌环间的接缝以弹簧模拟,因而在作纵向分析计算时单元较多,它可以模拟衬砌环和接缝性能有变化的隧道段,但其缺点也是明显的,即一般适合于线性分析,并且由于以单元作为基础,分析过程为矩阵形式,需要通过数值方法实现,所得结果需要进行再一次分析才能得到管片、螺栓应力和接缝X开度等关键数据。另一种模型是以志波由纪夫及川岛一彦[23～25]为代表的等效轴向刚度模型,该方法认为隧道在横向为一均质圆环、在纵向以刚度等效的方法将有环向接缝非连续的结构等效为连续均质圆筒。由于是直接从分析衬砌环向接缝和螺栓的受力变形性能出发得到等效模型,因此计算结果可直接给出管片和螺栓应力,并且在很多情况下可推导得到显式理论解,应用方便,但该方法也有未考虑预应力、只简单被认为是弹性地基上的直梁等缺点,然而,根据目前国内外的研究现状来看,轴向等效刚度方法是当前隧道结构的纵向理论研究中提出的最好的方法。该法为研究盾构隧道纵向问题奠定了坚实的理论基础。

3盾构隧道结构拼装型式

盾构隧道结构是由管片在环向和纵向通过螺栓连接而成的非连续结构。由于预制钢筋混

凝土管片经济、耐久及强度高,所以成为目前国内外的盾构法隧道管片的主要形式。盾构隧道衬砌结构拼装型式有两种:错缝拼装衬砌与通缝拼装衬砌[10][11][12][19]。这两种拼装型式的不同之处在于;错缝拼装衬砌由于相邻环管片间结构刚度沿环向分布的不同,虽然受到的初始荷载基本相同,但结构变形却不同、引起的地层反力不同,地层反力的不同又加剧了结构变形的不同。由于相邻环之间存在联系,如连接螺栓、环面凹凸榫槽和环面间的摩擦又阻碍了结构变形的不同,使结构变形与荷载及地层反力分布的不同限于一定的X围之内。而通缝拼装衬砌由于相邻环管片间结构刚度沿环向分布相同,受到的初始荷载也基本相同。因此,结构变形基本相同、引起的地层反力也基本相同。虽然,通缝拼装衬砌每一环横向变形也受到相邻环的嵌固和约束,但这种约束和影响的效应错缝比通缝更显著。衬砌环间的这种相互作用非常复杂,因此错缝衬砌内力与变形的计算也比较复杂,其计算模型与计算方法还在深入研究之中。

在我国,XX先期施工的盾构法隧道基本采用通缝拼装形式,而XX近期建设的隧道及XX

和XX地铁盾构法隧道则全部采用错缝拼装形式,从而说明错缝拼装形式在抵抗纵向变形上优于通缝拼装形式。既然不同的拼装形式有不同力学效果,能够改变衬砌的纵向刚度及控制纵向裂缝和不均匀变形,那么采用更多不同力学效果的拼装形式就成为解决当前软土盾构隧道结构纵向问题的另一关键问题。

4软土盾构隧道结构存在问题

从当前工程设计的实际应用和理论研究进展分析可得出软土盾构隧道衬砌结构在考虑

纵向问题时的不足之处:缺乏与纵向理论要求接近的衬砌形式;现有的纵向理论缺乏与工程实际的结合;衬砌拼装形式单一(不能协调纵向不均匀变形);衬砌管片材料在同一工程中单一;衬砌管片宽度在同一工程中单一;纵向线形不合理。

5软土盾构隧道纵向设计展望