浅析地铁隧道结构的沉降原因

2012-08-30 16:54:00 科学时代·下半月 2012年6期

闫淑芳

[摘 要] 随着经济的发展,越来越多的城市开始兴建地铁工程。地铁隧道建造在地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹市中心,其沉降问题不容忽视。本文阐述了地铁隧道沉降的严重性,着重分析了地铁产生隧道沉降的原因,对指导施工具有一定的现实意义。

[关键词] 地铁隧道沉降原因分析

1.引言

近年来,伴随着我国的城市化进程的加快,城市经济日益发展,城市区域也逐渐扩大。由于流动人口以及车辆的增加,城市交通量呈急骤增长的态势。城市道路的相对有限性给城市交通带来了一系列问题。发展地铁建设能极大地缓解城市交通拥堵状况,给广大市民出行提供安全、便捷、舒适、清洁的交通工具,对城市基础设施建设也起着极为重要的作用。

虽然地铁的建设促进了城市经济的发展和地下空间的利用,但是地铁隧道多建在软弱的土层中,周边地下管线密集、地质条件复杂。且上方地面道路狭窄、交通繁忙、建筑物林立,加之地铁沿线地区的城市建设等原因必将引起地铁隧道结构的纵向沉降。一旦沉降量超过规定的限度,尤其是不均匀沉降,将会引起地铁隧道结构的变形,给地铁的正常运行带来隐患。同时对周边环境产生影响。

2.原因分析

对长期营运中的地铁隧道沉降原因进行分析,总结出有以下七方面的原因:

(1)下卧土层的不均匀性。下卧土层的不均匀变形是地铁隧道下沉的基本原因。在实际工程中,沿隧道纵向分布的土层性质不同。这就决定了土层的扰动、回弹量、固结和次固结沉降量、沉降速率、沉降达到稳定时间等都有不同程度的差别,导致隧道发生沉降。通常情况下,隧道下卧土层类别变化处正是隧道发生较大沉降的地方。

(2)隧道上方地面承受较大荷载。上方地面承受较大荷载也将导致隧道产生较大沉降。特别是当加载面积较大、压缩土层较厚时,在附加应力的作用下,隧道沉降量会大幅增加。由于隧道下部土体的反力总小于未修建隧道前此处土的自重应力,隧道下卧土层压缩模量比修建隧道以前有所降低,而且受施工扰动的隧道下卧土层的长期次固结在地面加载时依然在继续。地铁隧道一般都要穿越城市闹市区,市中心建筑密度大,高楼林立。这样大面积的建筑物尤其是高层建筑沿地铁隧道沿线排列,其建筑载荷产生的附加应力对地层沉降的影响是相当大的。

(3)地铁隧道邻近周边的施工影响。地铁隧道周边的土体开挖将会对地铁隧道造成明显的影响。例如深基坑的开挖,其过程实际上是一卸载的过程。地铁隧道临近的深基坑开挖对隧道的影响主要是两个方面:其一由于基坑开挖引起围护的侧向位移和坑内隆起使得坑外地层沉降,导致隧道也随之沉降;其二基坑开挖引起围护向基坑内的侧向水平位移,导致隧道发生挠曲变形。临近基坑的隧道段和远离基坑的隧道段间将产生明显的纵向不均匀沉降。再如当不同地铁隧道形成空间近距离交叉穿越的时。后建隧道对周围土体的扰动,会在隧道横向的地层中形成一个近似正态分布的沉降槽,导致已建隧道产生纵向的不均匀沉降。

(4)城市底层沉降的综合影响。隧道处于地层中间,就不可避免地要受到城市地面沉降的综合影响。地层构造使得城市的地层沉降会产生沉降漏斗区。当隧道穿越沉降漏斗区时,位于漏斗区内的那段隧道的沉降明显比漏斗区外隧道的沉降大,长期积累下去,就会产生严重的纵向不均匀变形。

(5)地铁隧道于车站的沉降差异。地铁隧道和车站在结构构造、施工方法和承受荷载等多个方面存在很大差异,因此隧道和车站之间不可避免地存在差异沉降,有时这种差异沉降足使隧道环缝漏水和管片开裂。地铁车站的修建使其底部的土体应力处于严重的卸荷状态。并且软土地铁车站常采用支撑地下连续墙明挖施工或逆做法施工,车站主体结构和地下连续墙结合为一体,施工对土体的挠动比较小,车站整体稳定在于抗浮稳定。而地铁隧道的施工虽然也对底部土体形成卸荷,但在量值上要小得多,由于施工中对周围软土的挠动,隧道位移一般是向下沉降,这样即在车站和隧道之间形成不均匀沉降。

(6)地震的影响。由于隧道存在结构与土共同作用的关系,地震的作用机理及结构反应极其复杂。由于地质环境差异,隧道轴线弯曲,临近工程的影响和周边约束条件的不同等因素,区间隧道会对地震做出的不同反应,引起隧道的纵向不均匀变形,所出现的后果也比较严重。对处于软土地层的隧道来说,饱和粉土与粉细砂土在地震中的液化问题特别应该重视。地层液化对隧道纵向不均匀变形的影响主要表现在土层大量震陷或地层液化对隧道产生向上的浮力,这样均会导致隧道结构纵向的巨大不均匀变形,使隧道结构内力急剧增大,从而导致隧道结构破坏。因此在易于产生地层液化的地区,应该采取适当的措施加用注浆等手段改良地层条件,用以加强结构措施来增强隧道结构性能。

(7)列车运行的振动。地铁隧道在正常营运期间,要受到地铁列车振动荷载的长期循环作用。虽然单次列车通过所产生的荷载引起的结构振动位移很小,但在列车振动荷载长期循环持续的作用下,必须注意隧道下卧的饱和砂土层液化的可能性以及饱和粘土震陷的可能性。

3.结语

近年来,随着我国经济的迅速发展,交通运输事业也进入了一个快速发展的阶段。随着城市车辆交通规模的不断增加,城市拥堵现象越来越严重。在各大城市兴起修建地铁的大潮。地下铁道的建成极大地缓解了城市中心交通拥挤、阻塞状况,给广大市民出行提供安全、便捷、舒适、清洁的交通工具,对城市基础设施建设也起着极为重要的作用。但各类原因引起的地铁隧道沉降必须给予充分的重视。尤其是不均匀沉降,将会引起地铁隧道结构的变形,给地铁的正常运行带来隐患。因此,本文建议对地铁隧道结构进行沉降监测,这对隧道安全监控具有重要意义。