隧道变性规律整理文档

隧道沉降受多方面因素影响。初步的分析研究表明，已建软土地铁区间隧道的沉降影响因素主要包括以下几个方面:1.下卧软土层在长期振动荷载作用下软化导致沉降;2.隧道邻近建筑施工活动的影响;3.隧道上方增加地面荷载;4.隧道所处地层的水位变化;5.隧道与工作井、车站连接处差异沉降;6.区间隧道下卧土层水土流失造成破坏性纵向变形。隧道纵向沉降的影响因素隧道的纵向沉降，尤其是差异沉降是隧道的外部地质环境、施工工艺、运营条件以及其它各种因素长期影响的结果。一般在隧道竣工时，往往会产生不同程度永久性的不均匀沉降。在软弱复杂地层中的隧道，经过长期运营，不均匀沉降会持续增加。隧道长期营运中的纵向变形有以下儿个影响因素1隧道下卧土层的不均匀性由于隧道下卧土层的固结特性不同，在下卧土层长期固结过程中，不同性质土层的固结速率差异量很大，达到沉降稳定的所需时问也各不相同，导致隧道因为沿纵向土性分布不均匀而产生差异沉降。2破坏性纵向变形破坏性纵向变形是指隧道的衬砌接头由于拼装或隧道后期纵向变形而出现的缝隙，泥水通过这些缝隙渗漏进入隧道内部，使得有裂缝的隧道段下卧层土体有效应力增大，产生固结沉降，从而导致此处隧道段沉降。如果裂缝过大，会使隧道周围的水土不断流失，从而加剧隧道的不均匀沉降，加剧隧道弯曲变形，裂缝逐渐变长、变宽。由此可见，渗漏与不均匀沉降相互影响、相互作用，形成恶性循环。3隧道上方地表加卸荷载在软弱土层中的隧道，当隧道上方地面荷载增加，会的增加隧道沉降和不均匀变化。特别是在较大面积地面堆载作用下，当隧道下部压缩土层很厚，隧道增加的沉降和不均匀变化会更大。4隧道与工作井、车站连接处差异沉降由于盾构隧道、工作井、车站施工方法存在很大差异，它们对周围土体的扰动程度、沉降特点也截然不同，因此很容易在隧道与工作井、车站的连接处产生差异沉降，发生接头开裂、漏水、漏泥等情况。5隧道邻近建筑施工活动的影响隧道邻近范围内的各种建筑施工活动扰动隧道周围土体，对土层施加新的附加荷载，造成隧道周围土层产生沉降、隆起或平移等运动，导致隧道发生纵向不均匀变形。沉降预测模型及表达式(1)首先开展动力数值模拟计算，通过隧道列车单次加载振动响应求得隧道底部基岩关键位置处沿竖向的动应力分布；(2)由上一步骤的计算结果求得基底岩层的竖向的动偏应力、静偏应力，根据静极限强度求得动应力比和静偏应力比；(3)根据隧道列车振动响应的影响深度，确定竖向变形计算厚度，进行竖向各层划分；(4)依据累积塑性变形计算模型，计算得到发生在各分层厚度范围内的竖向累积塑性变形；(5)采用分层叠加求各法求得整个隧道基底变形层内总的累积塑性变形。不同行进速度下隧道底部长期沉降(1)对于基底溶蚀风化砾岩情况，地铁运营周期为l00年后，当列车速度分别为60km/h，80km/h,100km/h，20km/h时，隧道底地基沉降预测值依次为78.240mm,98.333mm,104.578mm和198.353mm。当随底为全风化砾岩时，在列车长期运行作用下引起的隧道底部地基的累积变形很大，将对地铁行车运营造成不利影响。(2)对于基底为强风化砾岩情况，地铁运营周期为100年后，当列车速度分别为60km/h，80km/h,100km/h，20km/h时，隧道基底地基沉降预测值依次为3.000mm,3.755mm,3.970mm和7.704mm。基底沉降控制在允许的沉降范围内。(3)隧底沉降长期变形随着列乍运行次数的增加逐渐增大，以强风化砾岩为例，运营初期即前3a，沉降值分别2.280mm,2.818mm,2.980mm,5.704mm。说明运营初期是基底沉降的迅速发展阶段，运营初期发生的变形约占总运营期的75%以上;随着运营时间增加，基底围岩沉降变形趋于稳定状态。(4)隧底基岩强度特性对基底沉降变形的影响较大，基底为溶蚀风化砾岩和强风化砾岩时，长期变形分别为198.353~和7.704mm。沉降变形量增加了24.75倍。由此可见基底围岩强度不足时，沉降变形会急剧增大。(5)对于隧底为强风化砾岩情况，隧道地基的长期沉降变形约为7mm，满足地铁列车长期运营要求，不会对列车运营安全构成隐患。但隧底为溶蚀风化砾岩时，隧道地基的工后长期沉降约为198mm，必须经过加固处理提高基底强度后才能满足地铁列车长期运营要求。不同管片厚度隧道底部长期沉降(1)对于基底为溶蚀风化岩的情况，管片厚度从30cm增厚到45cm隧道基底地基的长期累积沉降值分别为98.33mm,78.22mm,61.67~和98.75mm。由此可见，单纯加大管片的厚度，不能有效地减小沉降变形。(2)对于基底为强风化砾岩的情况，管片厚度从30cm增厚到45cm隧道基底地基的长期累积沉降值分别为3.76mm,2.97mm,2.37~和3.82mm。总体不大，管片的厚度对影响基底沉降不明显。(3)从最优控制基底沉降的角度分析，管片的厚度不宜大于40cm。基底溶蚀风化岩不同加固厚度时隧底沉降(1)对于基底溶蚀风化砾的处理，以列车运行速度为80km/h为例，隧底处理厚度分别是0.5m,1.0m,2.0m时，隧底地基的长期沉降变形分别为41.51mm.28.81mm,12.95mm。与不处理时沉降值为98.33mm相比，沉降值减少56.82mm,69.52mm,85.40mm:与不处理时相比，分别减少58%,71%,87%，可见，提高基底加固厚度后，基底长期沉降变形明显得到控制。(2)基底处理厚度为2m时，基底长期沉降值为12.95mm,基木能满足地铁列车一长期运营要求；当基底处理厚度为1.0m时，基底长期沉降值为28.81mm,说明基底处理深度不足，不能满足沉降控制要求。(3)从本节的变形预测结果判断，建议设计一时一随底加固处理厚度不宜小于2.Om。运用建立的沉积沉降变形模型分别研究了隧道底部溶蚀风化岩在不同列车速度、不同厚度盾构管片及基底不同溶蚀风化层加固处理厚度下等因素对隧道底部基岩振动响应特性的影响程度。分析了不同列车运行速度、不同厚度盾构管片下及基底溶蚀风化层的不同加固处理深度后的盾构隧道地基长期沉降变形问题。主要结沦有:(1)随道地基累积变形随着列车运营年限的增加逐渐增大，但在运营初期变形发展增长速率较快，随着振动次数的增加明显减慢，并有趋于稳足的趋势。(2)隧道地基累积变形随着列车运行速度的增加而增大。单纯加大管片的厚度，不能有效地减小沉降变形;从最优控制基底长期沉降变形的角度，管片厚度宜为40cm。(3)对于基底为溶蚀风化岩的情况，隧道基底的长期沉降变形超出了允许的范围，对行车安全造成影响:通过加固处理提高基底围岩强度后，基底长期沉降变形明显得到控制。建议设计时隧底加固处理溶蚀风化岩的加固处理厚度不宜小于2.0m。对比施工中采取的加固措施，初步认定加固范围满足变形稳定要求。《NATM公路隧道围岩时间效应统计分析与变形稳定性评价指标》《山区大路度偏压隧道软弱围岩移动变形力学效应分析》《软土地区基坑对下卧隧道变形的影响与控制研究》《软土中盾构隧道的长期非线性固结变形研究》《考虑时空效应的隧道工程黏弹性位移反分析》《NATM公路隧道围岩时间效应的统计分析》《土变形的时间效应及在工程分析中的应用》《邵家台软岩隧道变形的时间效应研究》《上官隧道围岩变形监测与时空效应分析》《考虑围岩蠕变效应的隧道开挖变形分析》研究背景伴随着我国经济的快速发展和城市化进程的不断加速，大量的人口、物流日益向区域中心城市集中，这在加速城市发展的同时，也造成了中心城市建成区规模的不断扩大以及地面交通拥堵的持续恶化。结合发达国家城市建设的经验和下空间开发技术的发展，将地下轨道交通一即地铁，作为城市公共交通的发展方向，已经成为我国诸多大型特大型城市发展轨道交通时的共同选择。截至2013年，我国城市轨道交通已建成、已开工以及规划已获国家发改委审批的城市有37个，其中开工建设地铁的城市有28个，正在施工的地铁线路超过70条，到2020年规划总里程接近6100公里。而粗略统计，在长江三角洲、长江中下游冲击平原、珠江三角洲、海相沉积等软土地带进行地铁建设的城市有将近10个，开工线路的占比则更高。自170年前泰晤士河底隧道工程建设中，Brunnel首次将盾构施工方法投入实际工程应用以来，地铁隧道的盾构施工方法得到了长足发展。相对其他地铁施工方法，如明挖法、钻爆法(矿山法)等，盾构方法因其作为仅有的可以有效控制开挖掘进对周围环境影响的施工方法，且开挖掘进速度快、隧道埋设深度很深且不受地面建筑物和交通的限制等诸多优势，成为在软土地区修建地铁隧道的首选方法。长期以来，对软土盾构隧道的研究主要集中于开挖造成的短期地表及隧道沉降、施工扰动，及盾构开挖对隧道支护内力的影响。然而对已建成地铁盾构隧道的现场监测表明:软土地铁盾构隧道的长期沉降量很大，达到沉降稳定所需的时间亦十分漫长，且沉降在隧道纵向呈现出很大的不均匀性。地铁隧道长期沉降的影响因素十分复杂，其中盾构施工造成的地层损失和超孔隙水压力、隧道周边土体的性质、隧道衬砌和周边土体的相对渗透性、地铁运营期的列车荷载等对地铁长期沉降造成的影响尤为显著。按照地铁长期沉降的发展机理和规律，可以将其分为:隧道周边土体中超孔压消散造成的固结沉降、土体长期蠕变造成的次固结沉降，以及运营期地铁列车运行造成的列车荷载及其动力效应所造成的累积沉降等。由于盾构隧道施工方法本身的特点，隧道的衬砌管片环缝、螺孔、压桨孔和管片碎裂处不可避免地会造成局部渗漏水的现象。这些管片环缝、通缝或者孔洞，为隧道周边的地下水提供了局部渗流通道，影响了周边土体的长期固结。同时长期不均匀沉降将导致隧道的弯曲变形，衬砌管片接缝的张开等，进一步恶化局部渗漏，甚至导致漏泥。盾构隧道的渗漏特性影响了施工造成的超孔压消散以及列车荷载造成的循环累积孔压消散，隧道局部渗流也会对稳定渗流状态下土体中的孔压分布造成影响，从而影响隧道周边土体固结过程中的总孔压消散量。此外隧道的渗漏特性也会对孔压消散的速度产生影响，也会对列车荷载造成的循环累积孔压消散有较大影响。自1925年Terzaghi提出土体固结理论这一近代土力学标志性理论以来，土体固结理论得到了极大发展。由于Terzaghi理论假定土体的渗透性和压缩性在土体固结过程中保持不变，与软土中实际工程情况有较大差别。土体固结过程中的非线性，指在土体固结过程中随着有效应力的增大，土体的渗透性和压缩性随之非线性地减小。在Davis等(1965)首先提出土体一位非线性固结理论以来，土体非线性固结的研究获得了迅速发展(Barden&Berry,1965;Poskitt,1969;Mesri等，1974;Duncan,1993;谢康和，1999,2002,2003;Zhuang,2005等)。在考虑土体非线性的情况下，更能贴近实际地反映土体的固结特性。在现有研究当中未见考虑地铁周边土体固结过程中的非线性，将非线性固结理论引入盾构隧道周边土体长期固结性状的研究，能更好的预测土体变形特性。地铁隧道长期沉降将导致地铁运营维护费用的增加，影响列车轨道的平整，行车安全性和乘坐舒适性(张冬梅，2005;郑永来，2005;刘峰;2013)。由于地铁在大型特大型城市大众交通当中的重要地位，确保地铁运营安全的重要性不言而喻。同时过大的地表沉降及土体变形将对隧道轴线周边的建筑物、地下管线造成不良影响。目前对于隧道开挖造成的短期沉降的影响已有众多学者采用解析方法、数值模拟和经验公式进行研究，但是对于构成地铁长期沉降主要部分的土体固结的研究，则并未考虑固结过程中土体压缩性和渗透性的非线性变化。有鉴于此，在我国地铁大量建设与投入运行的今天，有必要对影响盾构地铁隧道周边土体长期固结的各种因素:衬砌的局部渗漏特性、土体固结过程中渗透性与压缩性的非线性性质、列车荷载、蠕变等展开研究，了解其影响规律。软土盾构隧道长期固结与沉降的研究现状盾构隧道衬砌渗透特性在软土盾构隧道衬砌内外存在较大的水头差，由于混凝土衬砌管片的连接问题，容易发生长期漏水。对隧道周边土体的孔压监测结果表明，在低渗透性土体中将盾构隧道视为一个透水边界是