发布时间 : 星期五 文章上海软土地铁隧道变形影响因素及变形特征分析概况 - 图文更新完毕开始阅读
纵缝间设置的弹性防水垫在一定程度上可以起到分散接头外弧面部位的压应力作用。在隧道呈/竖鸭蛋0变形的状况下,隧道顶、底部外弧面受拉,而侧向压力基本不变,接缝外弧面张开;而内弧面受压,管片接缝内弧面闭合。在此压紧状态下,隧道纵缝易发生渗漏水。假设管片拼装完成时接头的装配良好,接缝平整密贴,对隧道横向变形作如下分析。
(1)当隧道发生/横鸭蛋0变形时。隧道顶、底 ) 3)
图2 隧道横向变形
外弧面呈受压状态,而对应的内弧面呈受拉状态。根据封顶块和邻接块的对应关系,以及弹性防水垫和螺栓所在位置的几何关系,当接头处外弧面压紧而内弧面张开1mm,螺栓增量约为0.66mm,止水垫张开增量0.16mm;当接缝张开4mm,螺栓会拉长2.64mm,而止水垫仅张开增量0.63mm。由此可知:当隧道接缝外弧面压紧而内弧面张开过大时,螺栓易拉流,而止水垫张开量却很小,不易发生止水失效的问题。但需特别注意封顶块与邻接块接头部位的外弧面易发生压坏问题。
(2)当隧道接头内弧面压紧而外弧面张开1mm时,弹性止水垫张开0.84mm,螺栓仅拉长0.36mm;当接头外弧面张开4mm时,螺栓拉长1.43mm,弹性止水垫张开
3.37mm。根据防水要求,当外弧面张开6mm时,弹性止水垫张开5.06mm,螺栓拉长2.14mm,基本处在拉流状态。由此可知:当隧道呈/竖鸭蛋0变形时,一般封顶块和邻接块内弧面处于压紧状态,防水垫易产生止水失效,应特别注意纵缝的防水失效。 理论分析表明:隧道横向变形一般主要由接头部位的装配变形和管片的弹塑性变形两部分构成,装配变形所占的比例似乎更大一些。根据对几处已加固完成的工程进
行的监测,推断隧道发生横向变形接头部位的张开量,螺栓应变量超过1%,隧道的横向直径与正圆相比,横向变形增量($D)接近2%)
4)
D,如横向变形进一步发展,则极有可能会危及隧道
结构的安全。隧道横向极限变形情况的相关研究和试验正在开展之中。 3.3 隧道纵向变形特征
假定隧道在变形前处于拼装良好状态,纵向上没有发生附加变形,当某一环隧道因外部荷载改变或周围土层扰动发生变形时,会带动相邻环隧道发生纵向变形,由此影响到更大范围,从而沿隧道纵向形成一个较大的沉隆槽段。3.4 隧道纵向变形分析
3.4.1 将单环隧道理想化成刚体转动情况假定将纵向隧道单环简化成一个理想化的刚体,环间只发生很小角度的刚体转动,通过一系列刚体转动而形成隧道的纵向沉降变形。当发生均匀沉降时,隧道顶部压紧,而底部张开$;当隧道产生相对隆起时,隧道底部压紧,而隧道顶部张开$。现以隧道顶部受压、底部受拉为例来分析。假定环间发生刚体微小转动,转动角H(见图3)。根据刚体转动几何条件,隧道环宽(B)、直径(D)、环缝张开或闭合量($)及隧道纵向附加沉降曲线半径(R)之间存在如下对应关系: $$=或=DRBR
向附加沉降(或隆起)与环缝张开关系见表1。 (1)
若取环宽B为1.0m、隧道外径6.2m计算,隧道纵
表2 隧道纵向均匀变形与附加沉降半径关系序号1234 附加沉降(隆起)曲线半径R/m15000(按照隧道保护标准) 1000 500125
隧道纵向错台沉降D/mm
0.0330.51.04.0
图3 隧道纵向仅发生转动张开环缝
不会导致既有的防水体系的破坏,但往往因隧道施工质量等复杂因素,在隧道发生较小的错台变形时,隧道就已发生渗漏水。
当管片装配良好的状态下,可允许有4mm的沿环面相对滑动。在发生较小错台时,纵向连接螺栓发挥抗拉剪作用,随变形的持续发展,纵向连接螺栓开始处在屈服阶段,凹凸榫也发挥抗剪,环间充填物也随之发生错动,错台变形的进一步发展,凹凸榫将有可能发生剪切破坏。以下对发生1cm错台时隧道变形情况进行分析。 (1)弹性止水垫变形。如果仅从弹性密封垫的尺寸来考虑,两片密贴的止水垫径向重叠尺寸约2.3cm,在环间错台变形达到1cm时,两片密封垫重叠部分仍有1.3cm。在压紧状态下,密封垫之间应该不会发生渗漏水现象,但错台发生时将会对弹性密封垫产生剪切撕裂作用,从而导致密封垫之间、密封垫与管片之间产生较大的相对滑动,从而使水和细粒砂土沿滑动细小缝隙渗漏进入隧道。因此,弹性密封垫的质量对隧道长期安全至关重要。(2)螺栓和管片的变形。一般情况下,环间凹凸榫之间的配合允许有?4mm的滑动,当错台变形达到1cm时,螺栓基本已拉流,螺栓孔部位的管片也极有可能会产生微小的裂缝,凹凸榫发生剪切作用。同时,细小泥砂和水开始从隧道外部进入隧道,引起水流失,造成土层失稳,产生更大的环缝,水土流失加剧,最终导致隧道发生失稳破坏。
(3)纵向沉降变形曲线。一个典型隧道纵向沉降曲线见图5示,从纵向累计变形上可划分成三段:开始阶段,隧道环间错台是依次增加的,但此阶段的纵向变形累计量相对较小,累计曲线是向下弯曲;中间阶段,环间错台几乎呈直线增加,纵向累计量较大,没有明显弯曲;最后阶段,环缝间的错台快速变小,此阶段的纵向累计沉降量达到最大,曲线是向上弯曲的。
无论如何,当错台变形达到1cm时,必须严密关注隧道的漏水和变形情况,及时控制漏水漏砂,通过
) 5)
表1 隧道纵向沉降(或隆起)与环缝张开关系序号1 2346
附加沉降(隆起)曲线
半径R/m15000(按照隧道保护标准) 10000
622020731555 环缝张开量$
/mm
0.4150.6221.03.0 4.0(按设计标准)
若依此计算,当纵缝张开量为6mm时,此时隧道的弹性防水已经失效。实际上,如此小的附加沉降半径在实际沉降中是存在的,防水体系并没有失效,这说明隧道只作刚体转动的假定与隧道实际变形有一定的出入,但因其计算简单而仍能得到广泛应用。
3.4.2 将隧道纵向变形视为错台变形情况
当某一A环隧道发生垂直沉降时,会向相邻环施加向下的压剪力,A环隧道凹槽面的上半圆(靠近外弧面)的内侧面会受到相邻环凸榫(靠外弧面)外侧向上的作用力;A环凸榫面一侧的下半圆(靠近外弧面)的外侧受到相邻环凹槽面(靠近外弧面)内侧向上的作用力(见图4)。当某一环隧道结构发生沉降(或隆起)时,因相邻环面上存在不同的凹凸榫面,环面上的受力部位和受力方向是不同的。 均匀错台后形成的附加沉降曲线半径R可用下式计算:
R= 2D 2 (2)
式中:L为沉降盆(或范围)半径;R为沉降附加曲线半径;D为沉降差。
若以环宽B=1m、隧道外径D=6.2m计,要满足隧道变形保护标准,两环隧道之间的错台变形量应小于0.033mm,隧道纵向变形与附加沉降曲线之间的关系见表2。从隧道适应错台变形的构造设计来看,隧道纵向均匀错台变形在4mm范围内基本5
图4 隧道错台变形纵向沉降及止水条的放大图