高 永 孫 俊

(1.南京地鐵資源開發(fā)有限責(zé)任公司 南京210012;2.上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)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(jìn)快速、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，在城市軌道交通中得到廣泛運(yùn)用。但是，伴隨著長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，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(cuò)臺(tái)及開裂、管片間滲漏等病害越來(lái)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(chǔ)備，是決策者最為關(guān)心的問(wèn)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(píng)判出隧道的安全狀況。在地鐵運(yùn)營(yíng)階段，對(duì)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(duì)后期地鐵安全運(yùn)營(yíng)具有重要的指導(dǎo)意義和很好的科學(xué)研究及應(yīng)用價(jià)值。目前，很多學(xué)者涉及運(yùn)營(yíng)隧道安全評(píng)估的研究［4-7］，主要采用傳統(tǒng)的荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算［5-9］。由于在運(yùn)營(yíng)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(jì)算。筆者結(jié)合盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)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(chǔ)備。

1 項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)械性能等級(jí)為5.6級(jí))，錯(cuò)縫拼裝。管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為1.0 MPa。自2008年8月起，該隧道區(qū)間西側(cè)項(xiàng)目A、B相繼進(jìn)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(xiàng)目C進(jìn)行降水、土方開挖等工程施工。

1.1 周邊項(xiàng)目概況

項(xiàng)目A:基坑平面尺寸為236 m×182 m，基坑支護(hù)設(shè)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(duì)應(yīng)地鐵線路里程為K5+147～K5+387。

項(xiàng)目B:基坑平面尺寸為240 m×59 m，基坑支護(hù)設(shè)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(duì)應(yīng)地鐵線路里程為K4+847～K5+092。

項(xiàng)目C:基坑平面尺寸為220 m×420 m，基坑支護(hù)設(shè)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(duì)應(yīng)地鐵線路里程為K4+594～K4+817。

項(xiàng)目與地鐵平面和剖面位置關(guān)系見圖1及圖2。

圖1 項(xiàng)目與地鐵平面位置關(guān)系

圖2 項(xiàng)目與地鐵剖面位置關(guān)系(以項(xiàng)目B為例)

1.2 地質(zhì)概況

本勘察場(chǎng)地地貌單元屬長(zhǎng)江漫灘相?；鶐r面以上均為第四紀(jì)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(xué)指標(biāo)詳見表1。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］，該區(qū)間結(jié)構(gòu)中主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用年限為100年;主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級(jí)為一級(jí)，在進(jìn)行承載能力計(jì)算時(shí)，其重要性系數(shù)取γ0=1.1;結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)防烈度7度設(shè)計(jì)，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(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無(wú)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(diǎn)，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(wú)滲漏;局部拱頂部位存在細(xì)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(zhǎng)的剝離縫，并且伴有明顯的錯(cuò)臺(tái)高差。

表1 各土層平均物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

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(shè)置一個(gè)長(zhǎng)期沉降觀測(cè)點(diǎn)，項(xiàng)目基坑出正負(fù)零時(shí)，上行線最大附加沉降達(dá)99.5 mm，下行線最大附加沉降達(dá)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(xiàng)目A、B施工期間，對(duì)其影響區(qū)段進(jìn)行了專項(xiàng)地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)，下行線每20 m設(shè)置一隧道水平直徑收斂監(jiān)測(cè)斷面，項(xiàng)目基坑出正負(fù)零時(shí)，下行線所有收斂監(jiān)測(cè)斷面變形量均超出0.5%D［11］，最大水平直徑收斂變形達(dá)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(píng)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(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，縱向會(huì)出現(xiàn)不均勻的附加沉降，橫向斷面會(huì)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(jìn)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(dāng)附加變形超過(guò)一定范圍時(shí)，會(huì)造成管片錯(cuò)臺(tái)、管縫滲漏，嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)管片開裂、螺栓屈服等現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)隧道橫縱斷面的評(píng)估，可了解隧道結(jié)構(gòu)性能、連接螺栓的受力，對(duì)評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)與安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

2.1 縱斷面評(píng)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(píng)估的有效指標(biāo)。

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(diǎn)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(shè)計(jì)防水要求、螺栓位置與環(huán)縫張開量的關(guān)系，可求出設(shè)計(jì)防水極限及螺栓強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)與前、后點(diǎn)的距離，ΔS1、ΔS2為i點(diǎn)相鄰兩點(diǎn)的差異沉降量。

2.2 橫斷面評(píng)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(cè)隧道收斂，但由于人為影響因素較大，且無(wú)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(wú)合作目標(biāo)測(cè)距功能的全站儀進(jìn)行量測(cè)。

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(guān)系，以圖7為例說(shuō)明建立這一關(guān)系的方法。

圖7 隧道橫斷面變形示意及節(jié)點(diǎn)大樣

為簡(jiǎn)化計(jì)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(diǎn)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(diǎn)彎矩為零，按隧道橢圓變形規(guī)律，在正負(fù)彎矩下連接螺栓相對(duì)于各自內(nèi)外側(cè)彎轉(zhuǎn)點(diǎn)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(shè)l為單塊管片的弧長(zhǎng)，收斂ΔD1與θ1和θ2的關(guān)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(xiàn)［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(jì)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(gè)數(shù);［σ］為連接螺栓的屈服應(yīng)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(diǎn)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(shè)計(jì)防水極限及螺栓強(qiáng)度極限的收斂變形，如表3所示。

3 安全評(píng)估

由實(shí)測(cè)隧道縱向附加沉降曲線(見圖2)，根據(jù)式(3)的計(jì)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(qiáng)度極限，說(shuō)明隧道縱斷面能滿足防水及螺栓強(qiáng)度要求，且距離防水及螺栓強(qiáng)度極限尚有一定的富余量。

由實(shí)測(cè)隧道收斂值(見圖5)，根據(jù)對(duì)比表3所列防水極限值及螺栓強(qiáng)度極限值，對(duì)下行線項(xiàng)目段隧道收斂變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(上行線未觀測(cè))，如表4所示，項(xiàng)目段對(duì)應(yīng)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(jì)

鑒于隧道既有病害及后期即將施工的項(xiàng)目C，建議:抓緊完成對(duì)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(xiàng)目C后期施工過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，精心施工，盡量減小對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形;應(yīng)對(duì)地下連續(xù)墻密封性能做專項(xiàng)的檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，進(jìn)一步擴(kuò)大地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)范圍;加強(qiáng)對(duì)該區(qū)間地鐵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)南京地鐵某盾構(gòu)隧道縱橫斷面結(jié)構(gòu)安全性評(píng)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(duì)比現(xiàn)有縱向附加沉降及水平直徑收斂的實(shí)測(cè)值，該區(qū)段部分?jǐn)嗝娣浪呀?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(zhǎng)等值且管片與連接螺栓同時(shí)達(dá)到彈性極限狀態(tài)的假設(shè)，橫斷面收斂極限值尚需大量工程實(shí)踐證明。

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