南京地铁盾构隧道纵横断面结构安全评估研究

高 永 孙 俊

(1.南京地铁资源开发有限责任公司 南京210012;2.上海岩土工程勘察设计研究院有限公司 上海200438)

盾构隧道以其质量好、施工安全、掘进快速、对环境影响小等优点，在城市轨道交通中得到广泛运用。但是，伴随着长期运营，盾构隧道结构发生的纵向不均匀沉降、横向变形、管片错台及开裂、管片间渗漏等病害越来越普遍。因此，隧道是否处于安全可控状态，是否需要加固，剩余多少安全储备，是决策者最为关心的问题。

隧道纵向曲率半径、横向水平直径收敛能够直观地反映出隧道纵环向接头处的渗漏水状况，也能够评判出隧道的安全状况。在地铁运营阶段，对隧道纵向曲率半径和横向收敛变形方面的研究显得尤为重要［1-3］，它对后期地铁安全运营具有重要的指导意义和很好的科学研究及应用价值。目前，很多学者涉及运营隧道安全评估的研究［4-7］，主要采用传统的荷载-结构模型进行隧道结构的变形计算［5-9］。由于在运营阶段影响盾构隧道结构变形的因素很多，因此，外部荷载很难确定并用于结构分析计算。笔者结合盾构隧道衬砌设计的收敛限制法求解极限横向收敛值、根据变形协调条件求解纵向曲率半径，综合判断盾构隧道纵横向断面结构安全性能，并掌握隧道结构剩余安全储备。

1 项目背景

南京地铁某建成盾构法隧道，全环由1块封顶块(F)、2块邻接块(L1、L2)、3块标准块(B1、B2、B3)共6块管片组成。管片厚度为35 cm，环宽为1.2 m，管片的环与环，块与块间均以M30弯螺栓连接(机械性能等级为5.6级)，错缝拼装。管片混凝土强度等级为C50，抗渗等级为1.0 MPa。自2008年8月起，该隧道区间西侧项目A、B相继进行工程施工，截至2012年1月，地铁盾构区间隧道结构附加沉降超出10 cm，盾构隧道横向断面直径收敛变形超出6 cm，多环管片接缝存在渗漏水、漏泥漏砂以及道床与管片脱开等现象。2012年10月至2014年期间，该区间西侧仍将有另一重大项目C进行降水、土方开挖等工程施工。

1.1 周边项目概况

项目A:基坑平面尺寸为236 m×182 m，基坑支护设置钻孔灌注桩 1100@1300、三轴深搅桩 850@1200、2层砼支撑，临近地铁侧钻孔灌注桩深34.5 m，止水桩深25.8 m，基坑开挖深度13.3 m，与地铁隧道结构外边线最近52.9 m，基坑底比隧道顶高0.48～2.93 m，对应地铁线路里程为K5+147～K5+387。

项目B:基坑平面尺寸为240 m×59 m，基坑支护设置钻孔灌注桩 1200@1400、三轴深搅桩 650@1100、3层砼支撑加1层钢管支撑，临近地铁侧钻孔灌注桩深40.2 m，止水桩深27.0 m，基坑开挖深度为18.7 m，与地铁隧道结构外边线最近52.9 m，基坑底比隧道顶低2.7～3.6 m，对应地铁线路里程为K4+847～K5+092。

项目C:基坑平面尺寸为220 m×420 m，基坑支护设置1.2 m厚地下连续墙，地墙深65 m(入岩不低于1.5 m)，基坑开挖深度为18.3 m，与地铁隧道结构外边线最近距离为57.4 m，基坑底比隧道底高4.36～8.41 m，对应地铁线路里程为K4+594～K4+817。

项目与地铁平面和剖面位置关系见图1及图2。

图1 项目与地铁平面位置关系

图2 项目与地铁剖面位置关系(以项目B为例)

1.2 地质概况

本勘察场地地貌单元属长江漫滩相。基岩面以上均为第四纪松散层，层厚约为60 m。本次勘探深度内地基土层呈二元结构，上层以淤泥质粉质黏土为主，下层以砂性土为主。本区间隧道底板埋深处地层主要为②2b4、②3b3－4层淤泥质粉质黏土，局部为②3d2－3层粉砂。该区间各土层平均物理力学指标详见表1。

1.3 结构设计概况

根据《地铁设计规范》［10］，该区间结构中主要构件的设计使用年限为100年;主体结构构件的安全等级为一级，在进行承载能力计算时，其重要性系数取γ0=1.1;结构按抗震设防烈度7度设计，并采取必要的抗震构造措施;隧道收敛变形不大于0.2%D(D为隧道外径);管片最大裂缝宽度不大于0.2 mm;盾构管片的防水等级为一级，结构不允许渗水，结构表面无湿渍。该区间盾构隧道管片参数见表2。

1.4 病害概况

隧道表观:上下行共有百余处渗漏点，部位均在隧道腰部管片以下的环缝内部，典型渗漏见图3，未发现成股流淌现象，拱顶无渗漏;局部拱顶部位存在细纵向裂缝，裂缝宽度不足0.2 mm;区间道床与盾构管片内表面存在较长的剥离缝，并且伴有明显的错台高差。

表1 各土层平均物理力学性质指标

表2 盾构隧道管片参数

图3 隧道典型渗漏

隧道纵向附加沉降:上下行线沿隧道里程每20 m设置一个长期沉降观测点，项目基坑出正负零时，上行线最大附加沉降达99.5 mm，下行线最大附加沉降达65.9 mm，上下行线纵向附加沉降见图4。

图4 隧道纵向附加沉降曲线

隧道横向附加变形:项目A、B施工期间，对其影响区段进行了专项地铁保护区监测，下行线每20 m设置一隧道水平直径收敛监测断面，项目基坑出正负零时，下行线所有收敛监测断面变形量均超出0.5%D［11］，最大水平直径收敛变形达6.95 cm(1.12%D)，圆形隧道不同程度地变形为扁椭圆形，下行线水平直径收敛变形见图5。

2 安全评估方法

图5 下行线水平直径收敛变形曲线

该区间地铁盾构隧道建在饱和软黏土地层内，在自重及地下水持续交替的影响下，隧道自身在竣工后相当长的时间内，纵向会出现不均匀的附加沉降，横向断面会出现诸如“横鸭蛋”、“竖鸭蛋”、“斜鸭蛋”等变形，加之周边密集的房地产开发，也进一步加剧了隧道纵、横向断面的变形。纵横向断面的附加变形，将形成管片内力变化及连接螺栓的附加受力，当附加变形超过一定范围时，会造成管片错台、管缝渗漏，严重时将出现管片开裂、螺栓屈服等现象。通过对隧道横纵断面的评估，可了解隧道结构性能、连接螺栓的受力，对评估隧道结构状态与安全运营具有重要意义。

2.1 纵断面评估

隧道纵向附加沉降变形是各种因素共同作用下结构受力状态的直接反映，沉降曲线的曲率半径是纵断面评估的有效指标。

隧道纵向变形如图6所示，根据变形协调条件有

图6 隧道纵向变形示意及节点大样

式中，δ为环缝张开量，D为隧道外径，ls为单环管片宽度，r为纵向变形曲率半径，得到纵向变形曲率半径

根据隧道纵向设计防水要求、螺栓位置与环缝张开量的关系，可求出设计防水极限及螺栓强度极限的纵向变形曲率半径，详见表3。

表3 隧道纵横断面极限变形

根据三点定圆法，可求解出任意里程处的纵向曲率半径

式中，L1、L2为i点与前、后点的距离，ΔS1、ΔS2为i点相邻两点的差异沉降量。

2.2 横断面评估

在管片拼装完成后，隧道横向附加变形是管片与螺栓协调变形的直接反映，收敛是横断面变形的直接体现，其包含管片接缝张开角产生的变形及管片拉伸产生的变形。南京地铁最初选用人工拉收敛尺法量测隧道收敛，但由于人为影响因素较大，且无法直接得到直径收敛，现已很少采用，目前主要采用具有无合作目标测距功能的全站仪进行量测。

2.2.1 管片接缝张开角产生的收敛

［6］，在不考虑管片自身变形的前提下，接缝张角和隧道收敛变形之间存在一定的几何关系，以图7为例说明建立这一关系的方法。

图7 隧道横断面变形示意及节点大样

为简化计算，假定:隧道各管片等质均匀;管片横断面垂直半径变形与水平直径变形相等;连接螺栓变形呈弹性。

由环向螺栓手孔大样图，根据变形协调条件有

式中，θ1、θ2分别为管片外侧与内侧张开角，h为管片厚度，d为螺栓中心至管片内侧的距离，c1、c2分别为管片内外两侧弯转点至管壁的距离，δg、δg'分别为螺栓拉伸量。

由于内外两侧弯转点弯矩为零，按隧道椭圆变形规律，在正负弯矩下连接螺栓相对于各自内外侧弯转点的弯矩相等，结合同一材质的连接螺栓受力变形的虎克定律，可得到

联合式(4)、(5)，可得到

设l为单块管片的弧长，收敛ΔD1与θ1和θ2的关系为

将式(4)～(6)代入(7)，得

2.2.2 管片自身变形产生的直径收敛

据参考文献［3］，管片自身变形产生的收敛为

式中，R1为管片弹性极限变形的中性轴曲率半径，R0为初始中性轴半径，R0=h/ln(r2/r1)，h为管片厚度，r2为隧道外径，r1为隧道内径，R1计算有

式中，ξ为管片弯矩传递系数，一般取0.3～0.5［12］;n为截面螺栓个数;［σ］为连接螺栓的屈服应力;As为受拉螺栓截面积;h0为接头处混凝土受压区合力作用点至螺栓中心的距离，h0=2b/3+a－d(其中，a为中性轴到管片内缘的距离，b为中性轴到管片外缘的距离，d为螺栓孔中心至管片内缘的距离);E为管片弹性模量;R为形心轴半径;B为管片宽度;h为管片厚度。

联合式(8)、(9)，可得收敛变形

由式(11)可求出横断面设计防水极限及螺栓强度极限的收敛变形，如表3所示。

3 安全评估

由实测隧道纵向附加沉降曲线(见图2)，根据式(3)的计算，上行线纵向断面曲率半径最小值为13 724 m，下行线最小值为19 701 m，均大于防水极限及螺栓强度极限，说明隧道纵断面能满足防水及螺栓强度要求，且距离防水及螺栓强度极限尚有一定的富余量。

由实测隧道收敛值(见图5)，根据对比表3所列防水极限值及螺栓强度极限值，对下行线项目段隧道收敛变形进行统计(上行线未观测)，如表4所示，项目段对应的下行线已经有53.33%的断面不能满足防水要求，此数值与隧道表观检查的情况较为吻合，螺栓尚处于弹性状态。

表4 下行线隧道水平直径收敛统计

鉴于隧道既有病害及后期即将施工的项目C，建议:抓紧完成对隧道渗漏、道床脱空等病害的综合治理，防止因持续渗漏造成隧道周边土颗粒的流失;在项目C后期施工过程中，应进一步优化设计，精心施工，尽量减小对既有地铁结构的变形;应对地下连续墙密封性能做专项的检查，发现问题，及时采取补救措施，进一步扩大地铁保护监测范围;加强对该区间地铁结构的监测及既有隧道病害的跟踪巡查，确保地铁结构安全。

4 结论

通过对南京地铁某盾构隧道纵横断面结构安全性评估分析，得出以下结论:

1)基于纵断面曲率半径、横断面直径收敛的极限值，对比现有纵向附加沉降及水平直径收敛的实测值，该区段部分断面防水已经不能满足要求，连接螺栓尚处于弹性状态。

2)由于将各管片做了弧长等值且管片与连接螺栓同时达到弹性极限状态的假设，横断面收敛极限值尚需大量工程实践证明。

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