軟土地鐵運營隧道結構狀態評估

1軟土地鐵運營隧道病害治理如何預防和控制軟土隧道施工的惡化，以及采取適當的措施，確保設計和運營管理部門的安全。隧道不均勻沉降會使隧道產生彎曲變形,導致隧道接縫張開,滲漏加劇,甚至漏泥,長此以往,地鐵運營安全和乘客的舒適性將受到影響,維修費用隨之增加。文獻計算上海軟土地鐵隧道振陷沉降量約為3mm,文獻分別對運營隧道的沉降變形規律及引起隧道縱向沉降的主要因素進行了探討。運營管理部門每年都投入大量人力、物力對地鐵隧道病害進行治理,取得了一定成效,但隨著運營時間的增長,隧道病害將越來越多,全面系統地對隧道病害現狀及成因進行研究,制定適合軟土地鐵運營隧道的病害治理措施,適應目前上海軌道交通蓬勃發展的形勢已迫在眉睫。本文通過現場調查及監控量測數據,對目前地鐵運營隧道的病害現狀及成因進行系統分析,提出一些合理建議,以期拋磚引玉。2主要病害表現通過長期監測數據及外觀狀況檢查結果可以看出,目前上海地鐵運營隧道病害主要表現為滲漏水、結構裂縫及損壞、隧道縱向沉降及管徑環向收斂變形等。2.1各季節原理在運營線路中的普遍應用滲漏水部位主要發生在環縫、縱縫、注漿孔及旁通道位置,如圖1,呈現出冬季滲漏水現象較秋季等其它季節嚴重的規律。區間隧道中旁通道因其施工工藝特殊,滲漏水現象在上海地鐵一號線整條運營線路中較為普遍。依據盾構法隧道防水技術規程(DBJ08-50-96)規定的防水等級和技術標準,目前上海地鐵運營隧道滲漏水等級介于二、三級的地下工程防水標準之間。2.2段為主進一步明確在差異沉降大及轉彎半徑小的區域,有不同程度的整體道床與管片脫開現象,其中地鐵一號線黃陂南路以北部分區段較為明顯,如圖2(a)所示,據不完全統計,類似現象累計長度已達到300m。管片本身因隧道沉降等其他因素導致破壞的現象較少,但由于隧道縱向沉降而造成的管縫張開、嵌縫條脫落的現象在運營隧道中已經發現,管片角部出現碎裂或缺角現象大多數由于制作、養護、吊運、安裝和外力等諸因素的影響造成,如圖2(b)所示。2.3垂直沉降2.3.1道床沉降情況地鐵一號線自1995年通車運營至今,共完成長期沉降監測20次,從歷年沉降監測數據可以看出,徐家匯車站以南區域整體道床累計沉降相對較小,最大累計沉降為80mm左右,其中上體館站附近累計沉降量最小,僅10mm。但該站以北區域沉降較為明顯,最大值位于人民廣場站以北160m左右處,上、下行線的最大沉降量均超過200mm,如圖3。2.3.2衡山路站向園站縱觀圖3曲線,在整條一號線區間隧道中已經形成了兩個較為明顯的沉降槽,一處以衡山路站為中心,位于徐家匯站～常熟路站區間隧道范圍內;另一處位于黃陂南路站以北3Km區域,沉降量非常大,其中上、下行線沉降趨勢趨于一致。2.3.3沉降速率分析從圖4曲線中可以看出,1995～2000年期間線路的沉降速率較大,一般在20～40mm/年,大于整個運營期的年平均沉降速率,而2000年后隧道沉降速率一般為5～15mm/年,比整個運營期間的平均沉降速率小,說明沉降速率有一定程度的減小,但整條隧道沉降趨勢仍未最終穩定,個別區間受到外界各種因素共同作用下出現偏大現象,已引起運營管理部門的足夠重視。2.4橫向變形上海地鐵運營隧道徑向收斂變形通常采用①收斂尺;②全站儀;③Bassett收斂系統等儀器及時進行監測,至2004年底為止,共完成全線收斂變形監測4次。圖5為上行線某區段46環管片監測統計結果,橫向超過設計允許值5‰D(D為隧道外徑)占被測管片總數的85%,諸多因素綜合作用導致隧道的橫向變形增大,橫斷面呈現出“橫鴨蛋”形。調查發現,隧道的橫向變形導致封頂塊與鄰接塊接縫張開、勾縫脫落現象。目前該區段隧道采用內置鋼圈加固,鋼板與管片之間進行環氧注漿,隧道上方卸載及兩側土體加固增大側向抗力控制隧道橫向變形等措施對其進行集中整治,后期調查發現,滲漏水、徑向收斂變形現象均得到了有效控制。3病害發生的因素隧道病害存在于其使用的全過程,有些病害在隧道使用之前業已存在,對其使用壽命也存在較大差異。病害的形成往往不是單一因素作用的結果,而是由多種因素綜合作用產生,因此多數情況下很難準確推斷形成某種病害的真正原因。筆者結合近年來地鐵監護實踐,總結出以下原因,期待與地鐵監護人員共同探討:3.1地鐵沿線地質狀況分析上海瀕海臨江,地處長江三角洲前緣,75m以淺廣泛存在高含水量、高孔隙比、低強度、壓縮性、以灰色淤泥質粘性土為主的海相地層,屬于典型的軟土地基,工程地質特性不良。從地鐵沿線地質勘察資料可以看出,徐家匯站以北區域地質情況多屬于飽和含水的流塑或軟塑粘性土層,這類淤泥質軟粘土具有高壓縮性和大流變性,擾動后強度明顯降低,而且會在較長時間內發生固結沉降,長期監測結果表明,凡地質情況較差的區段隧道累計沉降量也較大。為此,控制施工期隧道周邊土體的擾動對減少后期沉降非常關鍵。3.2年生時期1979-1994年上海地表沉降由來已久,建國后至1965年上海的地面年均沉降量為65mm,1966-1971年間地面年均回彈3.2mm,1972-1989年的微量沉降階段年均沉降3.5mm。隨著上海城市建設的飛速發展,高層建筑層出不窮,九十年代以來,中心城區年均沉降11.9mm。圖6為自1999年設置地面沉降監測點以來,人民廣場范圍內地面監測點與地鐵道床沉降監測點的歷時沉降曲線,從曲線上可以明顯看出,地鐵隧道沉降很大程度上取決于地面沉降,而且趨勢一致。3.3地鐵和地鐵合理安排考慮軌道交通施工影響的項目與施工要求據不完全統計,自上海地鐵開通運營至今,在保護區內實施的工程項目近200個,其中直接建于隧道上方的工程項目18項,距地鐵結構邊線10m以內項目近50項,而且近年來隨著上海軌道交通的蓬勃發展,類似工程項目將越來越多,合理安排各種施工工序、選擇合適的施工參數、有效控制施工對地鐵隧道變形的影響將成為設計、施工單位在工程項目實施前必須深思熟慮的問題。3.4海軌道交通運營能力提出的挑戰上海作為長三角地區的領隊,正吸引著來自世界各個國家及全國各地的精英來此謀求發展,也給上海軌道交通的運營能力提出前所未有的挑戰。上海地鐵運營能力由最初設計的額定310人/節增大到運營高峰時的一列6節編組的列車乘客已達到甚至超過2000人,但仍不能滿足大眾的需求,超負荷的地鐵結構長期處于低頻連續振動的環境下,導致軟土下臥層地基產生較大的縱向沉降。4地鐵安全運營中常用的應對措施針對目前出現的病害情況,運營管理部門對滲漏水嚴重、差異沉降較大及有安全隱患的各種病害有針對性地實施了治理,取得了一定的成效,但由于病害產生原因復雜并具有多變性及隨機性,有必要采取多種切實可行的措施保證地鐵安全運營。根據多年在地鐵監護一線積累的經驗,筆者建議:4.1長期監測與專項巡檢相結合監控量測結果可以判斷地鐵結構是否滿足保護技術標準和運營安全要求,同時也是運營管理部門決定是否需要修復及治理的主要依據,為此,運營管理部門務必對地鐵結構進行長期監測,并作專項檢查和日常的隨機巡查,做到早發現、早報告、早治理,防患于未然。4.2工程活動影響地鐵結構近年來地鐵沿線逐漸成為房產投資熱點,由于工程規模不同、基坑深淺不一、距離隧道遠近各異,加之施工單位素質參差不齊,每一項建筑活動都對地鐵結構產生不同程度的影響,加速隧道結構變形,甚或影響列車安全運營。為確保保護區內工程項目施工期間地鐵安全運營不受影響,上海市制定的地鐵保護技術標準起到相當的作用,但眾多工程實踐表明,地鐵隧道保護區的施工技術措施及技術參數仍需根據實踐不斷修正。4.3同土層不同變形特征上海地面沉降現象非常復雜,不同土層具有不同的變形特征,同一土層在不同地點變形特征不盡相同,甚至時期不同變化差異也不一樣。為此,設置永久沉降監測點對研究地面沉降與隧道縱向關系意義重大。4.4監護理論及方法地鐵監護是伴隨地鐵運營而出現的