浅论基于多因素的软土地铁隧道运营期沉降成因研究

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1、浅论基于多因素的软土地铁隧道运营期沉降成因研究一、引言　　软土地铁隧道下卧土层地质环境恶劣、工程特性复杂、分布差异显著等不利条件对隧道结构沉降构成了严重威胁。同时，外部环境因素的影响、荷载的变化以及其他的不可预见因素也增加了隧道结构沉降的复杂性。因此，明确软土地铁隧道结构沉降成因，准确地定性、定量分析各影响因素对沉降的影响程度，是进行软土地铁隧道沉降研究的关键。　　目前，运营期地铁隧道沉降监测机制尚未完善，距离沉降监控的实用性、可靠性和准确性要求相差甚远，难以满足运营期地铁隧道沉降监控的长远需求，亟待新的研究手段和方法补充。基于此，本文以

2、各类相关监测信息为基础，综合多因素影响，研究软土地铁隧道运营期沉降成因。　　二、软土地铁隧道沉降影响因素分析　　根据软土地铁隧道结构的特点和沉降特征，运营期地铁隧道结构沉降影响因素分为土体环境因素、隧道结构因素、列车运行荷载因素、外部环境荷载因素4大类。其中，土体环境因素包括地质因素和地下水位变化因素;隧道结构因素则主要为隧道裂缝引起的渗漏;列车运行荷载因素包括列车通行量和客运量;外部环境因素主要包括隧道上部地面区域的建筑荷载、交通荷载、区域地面沉降、区域大气降水等。　　1.土体环境因素的影响　　通常情况，软土地区土质极为软弱，土层厚度分

3、布不均，固结和蠕变特性复杂，纵向和横向渗透性存在较大差异。在此，根据土体环境因素的组成，将其分为地质因素和地下水位变化因素两类。其中，地质因素分为隧道底板下卧土层分布和土的固结与蠕变特性两个方面;地下水位因素主要为地下水位变化引起的土层沉降。　　(1)地质因素　　1)隧道底板下卧土层分布影响。隧道底板下卧土层厚度较大时，隧道沉降也较大，反之则较小。因此，软土层的厚度将直接影响地铁隧道结构纵向上的沉降稳定性。根据分层总和法基本原理，地基沉降量S的分层总和法单向压缩基本公式为　　S=∑ni=1ΔSi=∑ni=1&D

4、elta;piESiHi(1)　　式中，H为薄压缩土层的厚度;Δp为薄压缩土层的平均附加应力;ES为土层的压缩模量;i为第i层薄压缩土层。由式(1)可知，在薄压缩土层的平均附加应力与土层压缩模量一定的情况下，地基沉降量与土层厚度成正比关系。软土地铁隧道，对于同一断面，工后隧道底板下卧土层的附加应力与土层压缩模量相对稳定，在隧道各测点，下卧土层的压缩量与土层厚度符合上述关系;对于不同断面，因隧道纵向坡度变化较小，故工后隧道底板下卧土层的附加应力在纵向上差别较小，但由于隧道纵向上地质不均匀性，土层压缩模量可能存在一定差异，因而从纵

5、向对比的角度来看，不同断面下卧土层的压缩量S与H/ESi应呈近似线性关系。　　2)土层固结与蠕变影响。软土土体的变形过程实际是固结和蠕变同时发生作用的过程。根据土的单向固结理论，可知　　st=s1-8π2e-π24Tv()Tv=CvtH2(2)　　式中，地基最终沉降量S理论上为一确定值，与时间无关;固结系数Cv为常数;压缩层厚度H为常数。因此，某一时刻t，地基的固结沉降量是关于时间的函数。但是，式(2)中地基最终沉降量只能为一理论值，实际中较难确定，而且固结系数和压缩层厚度的量值获取存在着较大的复杂性和较多的不确定性。经简化并

6、推导，可得　　st=Clnt+δ(3)　　式中，C=2sCvH2e(对于同一点，为一常数)。式(3)说明，在t时刻，固结沉降量与lnt成线性关系。　　(2)地下水位变化因素　　根据太沙基有效应力原理，可求得在任意深度H处地下水位降低后的土体压缩量为　　S=∫HhΔe1+e0dy=∫HhavΔp1+e0dy=∫Hhav(y-h)γma;ma;ma;ma;1+qsqf()nNb(6)　　式中，Ep为累积塑性变形;N为循环加载次数;qd为交通荷载的动应力(kPa);qf为静

7、止破坏力(kPa);qs为始静偏应力;参数a、b、m、n为常数。该式表明，在同一地点，土层参数、始静偏应力和静止破坏力均为常数。而对于地铁区间隧道而言，特别对于非交通枢纽区段，客流量相对稳定，另外，通行频率稳定，所以，交通荷载动应力在一定情况下亦可认为一常数。因此，式(6)改写为　　Ep=ABqmdNb(7)　　式中，A=1qmf，B=a1+qsqf()n，均为常数。　　3.隧道渗漏的影响　　渗漏不但直接导致隧道周围因水土流失而至土质疏松，而且还会使得隧道所处土层出现泥沙流动通道，孔隙水压力降低，土中有效应力增加，从而土体被压密而引起沉降

8、，反过来导致了地铁隧道的沉降加剧，形成恶性循环，严重威胁隧道结构的安全运行。　　根据固结原理，土层固结量St由贮水率Ss与有效应力的关系可计算出　　St=mvΔσzH=