上海地铁盾构隧道纵向变形分析

上海地铁盾构隧道纵向变形分析

【摘要】隧道若发生纵向变形将严重影响到隧道结构的安全。分析探讨了纵向变形的发生、变化情况以及隧道结构和防水体系所允许的纵向变形控制值。结合工程实践,对隧道发生的典型沉降曲线规律进行了深入的分析,其结论对有效控制隧道纵向变形具有指导意义。

【关键词】隧道;通缝拼装;纵向变形;环缝;错台;防水;失效

至2020年,上海将建成轨道交通运营线路达到20条、线路长度超过870 km以及540余座车站的网络规模。这其中,以盾构隧道结构为主的地下线路几乎占到一半。控制隧道纵向变形是确保隧道结构安全的重要因素之一。在研究隧道纵向变形时,我们首先要关注这种变形是以何种方式发生、又是如何发展变化以及隧道变形控制值是多少等问题,本文对这些问题进行了分析探讨。

1、盾构隧道结构和构造设计

盾构法隧道是由预制管片通过压紧装配连接而成的。与采用其它施工方法建成的隧道相比,盾构隧道明显的特点就是存在大量的接缝。1 km长的单圆地铁盾构隧道需要五~六千块管片拼装而成,接缝总长度约是隧道长度的20余倍。因此,盾构隧道的多缝特点已成为隧道发生渗漏水最直接或潜在的因素之一(见图1)。在盾构拼装结构中,接缝有通缝和错缝之分,现以单圆通缝盾构隧道为例进行隧道纵向变形分析。

1. 1 盾构隧道结构与构造设计

1. 1. 1 管片厚度、分块及宽度

单圆通缝隧道管片厚度350mm,管片为C55高强混凝土,抗渗等级为1 MPa。一环隧道由6块管片拼装而成(一块封顶块F、两块邻接块L、两块标准块B和一块拱底块D),圆心角分别对应16°、4×65°和84°(见图2a)。封顶块拼装方便,在拱底块上布置了两条对称的三角形纵肋。整个道床位于拱底块内,底部没有纵缝,对底部环缝渗漏水有一定程度的抑制作用,可大大降低处理底部渗漏水的难度。

1. 1. 2 纵缝和环缝构造

在管片环面中部设有较大的凸榫以承受施工过程中千斤顶的顶力,可有效防止环面压损,既利于装配施工,又易于整个环面凹凸榫槽的平整密贴,提高管片外周平整度;并可提高环间的抗剪能力,控制环与环之间

的剪动,同时也可减少对盾尾密封装置的磨损。靠近外弧面处设弹性密封垫槽,内弧面处设嵌缝槽。环与环之间以17根M30的纵向螺栓相连,在管片端肋纵缝内设较小的凹凸榫槽,环向管片块与块之间以2根M30的环向螺栓压密相连,能有效减少纵缝张开及结构变形,环、纵向螺栓均采用热浸锌或其它防腐蚀处理。

这种构造设计使得隧道在拼装完成后形成具有一定刚度的柔性结构,环向面之间以及纵向面之间可以

达到平整密贴装配,既能适应一定的纵向变形能力,又能将隧道纵向变形控制在满足列车运行及防水要求的范围内;同时,满足结构受力、防水及耐久性要求。

错缝拼装与通缝拼装略有不同,其拼装方式是隔环相同,拱底块不设三角肋,在道床底部有一条纵缝, 6

块管片所对应圆心角分别为20°、2×68. 75°、3×67. 5°(见图2b)。不论是通缝还是错缝拼装,隧道总体上呈“环刚纵柔”的特点。

1. 2 装配隧道对纵向变形的适应性分析

错台是指两环隧道之间发生的径向相对位移,隧道纵向变形的适应性是指在保障隧道结构安全前提下

各组成构件所允许的最大环间错台量。从以下几方面分析各自对环间错台量的适应情况。

1. 2. 1 环面构造对错台量的适应性

如图3a示,在管片环面中部设了较大的凹凸榫槽。因环面装配部位的凹槽比凸榫稍大,存在约8mm的极限装配余量,可允许凸榫在凹槽内沿着径向作微量移动或滑动。这种环面间的相对移动表现在隧道壁上就是错台现象(见图3)。无论环面凹凸榫槽的初始装配关系如何,当环间错台达到4~8mm时,凸榫的顶部边缘将与凹槽的底部边缘相接触,若继续发生错台,凹凸榫槽将发生剪切。应当说环面上设置的凹凸榫槽对提高环间的抗剪切能力是有益的。从环面构造可知,当环间错台量超过4~8mm时,环面缝隙将按线性张开。所以, 4~8 mm错台量应是环面装配和错台的控制值。

1. 2. 2 密封垫对错台量的适应性

在环面上靠近外壁约30 mm处设有密封垫(现多为三元乙丙橡胶材料),按照设计构想,理想装配条件下密封垫径向宽度的重叠达23 mm,并可抵御环面间张开4~6 mm而不会发生渗漏水。通过对密封垫试验和数值计算分析发现,当环面之间发生错台时,密封垫表现出复杂的形状,不同部位呈拉压剪等十分复杂的受力状态。从理论上讲,当环间错台量为4~8 mm(甚至更大一些)时两块压紧状态的密封垫是不会产生渗漏水的。由于环面上的密封垫不是完整的(分别粘贴在12块不同管片上),装配后单侧整环密封垫长达19. 415 m,且存在许多棱角组合,加之防水材料质量及施工技术条件等制约因素,多数渗漏水发生在错台量<8 mm(甚至

更小)的情况下(见图4)。

1. 2. 3 螺栓孔和螺栓对错台量的适应性

为便于管片拼装紧固,一般螺栓孔设计的要比螺栓稍大,螺栓孔径为35mm,螺栓直径为30 mm,在管片拼装或产生错台时可允许螺栓适当调整。当环间错台量较小时,螺栓会随管片发生移动,螺栓拉伸量相当有限。不论螺栓与螺栓孔的初始装配关系如何,在错台量达到6~12 mm后,螺栓孔与螺栓的对应位置关系都趋于极限,螺栓将发生拉弯,同时对手孔部位的混凝土产生压剪作用。因手孔部位增强了配筋,螺栓会在手孔部位的混凝土压坏之前先于拉坏。

通过以上分析可知,隧道环面构造、防水体系及螺栓等在隧道发生变形过程中所起的作用不尽相同,对错台量的适应性也并不完全一样。但将它们装配成一条完整的隧道后就必须要求管片间的变形要协调,即只有当错台量同时满足结构抗剪、螺栓受拉及防水有效等要求时,隧道安全才有保障。受管片制作、拼装施工、密封垫质量等因素的影响,通常在隧道投入运营之初,环缝、十字缝或管片接缝处就已发生了渗漏水,隧道在施工过程中已经用掉了大部分结构变形和防水预留量,而留给运营期间允许发生的变形余量非常少。因此,综合多方面因素,将环面间的错台量控制在4~8mm即可保障隧道的安全。

2、隧道纵向变形分析

在隧道防水设计中,一般取纵缝和环缝张开量来确定密封垫的性能,弹性密封垫在隧道张开量达到4~6 mm时还具有防水能力。但隧道纵向变形究竟是以隧道顶底部刚性张开方式还是以环面错台方式进行的?或是两者兼之?下面分别对两种情形进行讨论分析。

2. 1 假定隧道纵向变形是以刚体转动的方式进行的

将单环隧道假定为一个理想的刚体,允许环与环之间发生小角度θ的刚体转动,隧道顶(底)部张开量Δ,形成隧道纵向沉降变形(见图5)。当隧道发生沉降时,隧道顶部压紧,底部张开(或闭合)量Δ;反之,隧道顶部张开Δ,底部压紧。根据刚体转动几何条件,隧道环宽w、直径D、环间张开(或闭合)量Δ及隧道纵向沉降曲线半径R之间有如下几何关系:

当取环宽为1. 0 m、隧道外径为6. 2 m,隧道纵向沉降(或隆起)与环缝张开关系见表1。若依此计算,当环缝张开量为6 mm时,隧道防水已经失效。但在隧道实际变形中,如此小沉降半径(甚至更小)是存在的,但防水体系并没有发生失效现象。这说明将隧道纵向变形视作整环隧道刚体转动的假定与隧道实际发生的纵向变形有着较大出入。在已建隧道中,隧道长度与直径之比L/D>150,隧道纵向端点与车站锚固联结,车站刚度较大,而且隧道与周围土层之间存在一定的抗剪力,对隧道沿纵向移动有较大约束,加之管片之间螺栓紧固作用等,对隧道整环发生刚体转动或沿纵向产生较大的水平位移(缝隙)起到极大约束作用。一般情况下,沿隧道纵向难以产生较大的环间缝隙或刚体转动。

2. 2 假定隧道纵向变形是以环间错台方式进行的

从上述分析得知,隧道环与环之间可以发生小量级的错台而不破坏隧道的安全性,假定隧道纵向变形曲线视作是由环与环之间发生不同错台而形成的,现分析沉降曲线为等圆的错台情况。将最下部的一环定为第1环,称之为基准点,第1环隧道底部与沉降曲线最低点之间沉降差定义为初始错台变形δ1,第2环与第1环之间的错台变形量δ2,第i环隧道与i-1环之间的错台变形量δi。根据图6a示,第一环的初始错台量为δ1,则有:

根据表2和图6分析可知:①沉降曲线半径越大,沉降影响范围越大,环间错台发展速度越缓慢;反之,沉降曲线半径越小,沉降影响范围越小,环间错台发展就越快(即错台很快就超出安全控制值)。②沉降曲线半径越大,沉降范围内的累积沉降量越大。由式(3)可以看出,即使环间的错台量是一个较小的数据,但在一个较大范围的隧道累计变形量来说仍然很可观。③即使在等半径沉降曲线上,不同距离的环间错台量是不同的。由式(2)可知,距离基准点越远,环与环之间的错台变形量就越大。

隧道安全取决于隧道结构和防水体系的安全,通过对隧道的长期现场监护监测发现,隧道结构沉降变形和防水之间又是相互影响和相互促进的,隧道渗漏水会引起隧道变形加大,隧道变形加大又会加剧隧道渗漏水,形成恶性循环。

在隧道发生渗漏水的许多部位,沉降曲线半径超过15 000m,满足隧道纵缝张开的设计要求;在发生较大沉降变形区段,沉降曲线半径远小于15 000m,隧道没有发生渗漏水,也未发现隧道顶底部的转动张开;在几处发生过险情的隧道区间,隧道沉降半径远小于500 m,发生漏水的整环隧道多位于沉降曲线的直线段,个别环间错台量达数厘米,在隧道内壁上表现为明显错台形式。理论分析和隧道发生渗漏水的实际情况都证明了隧道纵向变形方式是以环间错台方式进行的,将隧道纵向沉降曲线视作是由一系列环间错台构成的这一假定是合理的。

2. 3 隧道纵向变形过程分析

在隧道发生沉降(隆起)后,隧道总长度增加,沉降变化越多,变化量越大,隧道总长度增加量就越大。当错台量较小时,隧道纵向增加量较小,可用下式来表达:

当错台量超过4~8 mm时,隧道纵向长度计算还应考虑纵向环面缝隙的增加量w0。下面根据不同程度的错台量对隧道结构安全和防水影响进行分析:

(1)当环间错台量为1~4 mm时,这个量级的错台可以通过隧道环面构造设计本身加以调整,但会对密封垫产生一定的拉压作用。从几何意义上讲,变形前密封垫径向重叠厚度至少可达约23 mm,发生错台后密封垫仍可保持约19 mm的重叠厚度。根据式(4)计算,若错台为1 mm,单环隧道增加长度0. 005 mm;若环间错台4 mm,单环隧道增加长度0. 008 mm。这个量级的小错台量引起隧道纵向长度的增加非常小,环间缝隙宽度不增加。

随着环间错台量的增大,密封垫不同部位表现为十分复杂的拉压剪等受力状态,密封垫一般不会发生渗漏水现象,但环面间的防水能力在一定程度上被大大削弱,隧道发生渗漏水的概率大为增加。纵向连接螺栓或将进一步发挥抗拉作用,对手孔部位的混凝土施加低水平的压剪作用。

(2)当环间错台量达4~8 mm时,即在前一阶段变形基础上继续发生错台4 mm(见图3b)。不论环面凹凸榫槽最初装配位置如何,此刻凹凸榫槽处在极端配合状态,凸榫顶边缘与凹槽底边缘相接触,凹凸榫槽直接发生剪切,螺栓也处在进一步拉紧状态,密封垫的变形和受力状态也随错台量的加大而加剧,但密封垫径向重叠厚度仍可达15 mm。根据式(4)计算,若错台达到4~8 mm,单环隧道长度增加将达0. 032 mm。这个级别的错台引起隧道总长度的增加量依然很小,环间缝隙宽度不增加,但密封垫之间、密封垫与管片之间都可能会直接发生渗漏水现象,环间防水能力被极大削弱,隧道发生渗漏水的几率成倍增加,必须引起警惕,采取措施控制错台的进一步发展。

(3)当环间错台量达8~13 mm时(见图3c),环面凹凸榫槽已发生直接剪切,凹凸榫槽局部会出现裂缝,而导致防水失效,这个错台量会引起环面凹凸榫槽出现“艰难爬坡”现象,环间缝隙呈线性扩大,螺栓被拉流。尽管密封垫径向重叠厚度仍有10~15 mm,但因管片局部发生破坏、环面间缝隙超过防水标准而失去防水作用。根据式(4)计算,若环间错台量达到13mm,隧道长度增加迅速,单环隧道增加量也达13.083mm,环缝张开量将迅速增加超过6 mm,环间防水体系基本失效,将会有大量水土流入隧道,环缝漏水严重。图7是整环隧道发生竖向错台示意图,当环间发生竖向错台时,依附于管片上的密封垫将随同管片一起发生错台。在隧道顶底部位错台最为显著,其它部位并不明显,但此时环面上凹凸榫槽还处在咬合状态,错台将呈直线方式发展。隧道处于此种状态十分危险,若变形继续发展,后果不堪设想。

(4)当环间错台量为13~23 mm时(见图3d),环面间持续剪切导致凹凸榫槽结构进一步破坏,防水体系完全失效,凹凸榫槽还处在咬合状态,错台将呈线性发展直至结构失稳,尤其当隧道下卧土层是砂性土层的状况时风险性更大。

分析表明:①若错台量在几毫米以内,隧道总长度增加量很少,环间缝隙宽度并不增加,隧道结构安全尚处在可控状态,但会大大削弱密封垫的防水效果;②若错台量超过环面凹凸榫槽配合极限之后,环间缝隙按线性发展,管片会发生破损、防水失效等现象,给隧道安全带来灾难性威胁。因此,径向错台的增加不仅会引起隧道环面发生剪切,还将导致隧道纵向水平位移(环面缝隙)的增加。

以上仅是对隧道竖向发生径向错台进行分析,实际上隧道发生纵向变形远比此复杂。隧道在装配完成受力后其环面并不是一个真圆,环面凹凸榫槽的装配关系随之发生变化,这些变形会沿着隧道纵向进行传递,隧道纵向和横向变形在一定范围内相互影响。

3、隧道纵向变形典型曲线及工程实例

3. 1 隧道纵向沉降典型曲线

图8是典型纵向沉降曲线,沉降曲线呈对称漏斗型。一半曲线是一条反S沉降曲线,曲线的上部向下弯曲,下部向上弯曲,中间呈直线段变化。可将曲线划分成三段,现逐一分析如下:

第一段为向下弯曲段(沉降加速段)。该段隧道受扰动影响较小,环间错台较小,纵向变形量小,环与环之间的错台迅速变大,环间缝隙基本上没有张开,也不发生渗漏水,此阶段的纵向变形累计量较小。

第二段为直线变形段(沉降均速段)。该阶段隧道受扰动影响较大,该段环与环之间的错台量较大,凹凸榫槽相扣处在剪切状态,错台基本上呈直线型发展,没有明显弯曲,纵向沉降累积量迅速变大,环间缝隙防水失效,有大量水土涌入隧道。

第三段为向上弯曲段(沉降减速段),也是最后一个阶段。该段环与环之间的错台变形由大变小,曲线呈向上弯曲状,此阶段的纵向累计沉降量达到最大。

近年来发生的几起隧道险情大沉降与上述隧道纵向变形曲线非常吻合。

3. 2 工程实例

(1)图9是上海轨道交通2号线某停车场出入库线下行线隧道泵站发生事故后形成的沉降曲线。因泵站施工引起隧道大量漏水漏砂,隧道发生了较大错台变形,个别环间错台量达到数厘米,最大累计沉降量达26 cm,后经及时抢险才得以控制隧道危情。

(2)4号线大连路区间隧道因结构存在固有缺陷导致隧道漏水漏砂,环间发生了较大错台沉降,纵向累计和差异沉降变形都很大,环间发生错台量达到3~5 mm,累计沉降达9 cm,影响范围超过100m,后经及时发现抢险并最终得到根治。

环间过大的错台变形势必会引起隧道结构开裂,导致隧道受损或破坏,防水体系失效,给隧道结构安全带来直接威胁,多处隧道发生的纵向大变形验证了这一变形过程。

4、结语

本文通过对地铁盾构隧道纵向变形进行分析,得到如下结论:

(1)地铁盾构隧道纵向变形基本上是以径向错台方式进行的。

(2)径向错台的增加不仅会引起隧道环面发生剪切,同时会引起环缝间隙按线性发展,导致隧道结构损坏、防水失效。必须严格控制各类因素引起的环间错台量。

(3)研究了不同沉降曲线半径的环间错台变化规律,等半径沉降曲线上不同位置的错台量是不同的。结合工程险情研究了典型的隧道沉降曲线。

(4)隧道安全与隧道结构变形和防水密切相关,防水的成败关系到其长久安全,“见水就堵”是十分重要的。这些分析结论进一步加深了对隧道发生沉降方式和变形控制值的认识,对指导地铁盾构隧道安全监控具有重要的意义。