既有盾构隧道改建利用分析研究

既有盾构隧道改建利用分析研究

张晨光

上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司  上海  200125

摘  要为充分挖掘利用现有隧道设施能力，拟将某越江盾构隧道改建为调蓄隧道。本文以该隧道利用工程为例，介绍了隧道利用的设计思路，通过受力分析及安全论证等，提出合理的改造措施，保证工程实施的可行性。

关键词既有隧道；改建利用；安全论证；

Abstract  In order to fully exploit the capacity of existing tunnel facilities, it is proposed to reconstruct a river-crossing shield tunnel into a regulation and storage tunnel. Taking the tunnel utilization project as an example, this article introduces the design ideas for tunnel utilization, and proposes reasonable reconstruction measures through force analysis and safety demonstration to ensure the feasibility of project implementation.

Keywordsexisting tunnel8; reconstruction and utilization; safety demonstration

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0 引言

近年来，随着水环境治理力度不断加强，水环境质量得到改善，但受雨污混接和初期雨水污染影响，市政泵站放江造成的河道污染仍比较普遍。结合新一轮雨水规划，需在中心城区开展调蓄设施建设，以改善水环境，然而城市密集区选址难度较大。本文将针对某隧道改建利用项目进行分析研究，以对既有设施再利用，同时实现周边排水系统的提标和控污。

1 工程概况

某越江隧道工程是原上海机场快线的越江节点工程，位于徐汇区丰谷路，已实施的部分包括明挖段、工作井和圆隧道，可利用空间共12万m3。

为充分挖掘利用现有隧道的设施能力，拟对该隧道进行改建再利用，将其改造为调蓄隧道，收集地区内的初期雨水及提标雨水。

本工程拟利用的空间为明挖段1~3、工作井和圆隧道三个区域，明挖段尺寸约36*15*22m、24*15*18m、23*15*17m，工作井尺寸约21*19*25m，圆隧道外径为14.5m，内径为13.3m，长度共766m，坡度约4%。各部分尺寸及标高见表1。

表 1 已建隧道概况

2 工程地质及水文地质

根据勘察揭露，场地地基土主要由饱和粘性土、粉土和粉砂组成，自上而下分别①1填土、②1褐黄色粘土、③灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土层、⑤2-1灰色砂质粉土夹粉质粘土层、⑤2-2灰色粘质粉土夹粉质粘土、⑤3灰色粉质粘土层、⑧1灰色粉质粘土层。

隧道所在范围内土层为④、⑤2-1、⑤2-2、⑤3、⑧1层，其中⑤3、⑧1及⑧2层软粘性土为主，对隧道沉降控制不利，沿隧道轴线纵向的地层变异处一般是隧道差异沉降较大的地段。

浅部土层中的地下水类型为潜水，潜水稳定水位埋深为0.70～1.50m（绝对标高为2.50～4.03m），平均埋深为1.11m（平均标高为3.19m）。场地⑤2层分布有微承压水，勘探揭示其顶板标高为-11.14～-13.62m，⑤2层承压水水头埋深为1.75～2.55m。

3 隧道利用方案

3.1 工程总体设想

本工程主要聚焦隧道周边系统控污及提标，改善区域的水环境，提升区域的水安全，功能包括：1）收集龙华机场、龙水南路、新宛平、小木桥、龙华镇排水系统的初期雨水污染得到控制，有效削减初期雨水放江污染，改善周边河道水环境；2）收集龙华机场、龙水南路排水系统的提标雨水，设计标准从1年一遇提升至5年一遇。

3.2 利用整体布局

本工程控污截流初期雨水量约为6.15万m3，提标雨水调蓄量约为0.9万m3。

考虑到本项目利用隧道既有空间首要目的是周边系统控污，在有空间余量的条件下兼顾系统提标，经综合比选论证，对既有隧道空间具体利用方式为：1）圆隧道段改造为初期雨水截流调蓄区域；2）工作井段改造为初期雨水进水区；3）明挖段1和明挖段2改造为雨水提标调蓄区域，明挖段3改造为雨水提标泵房。

图1  隧道利用平面布局图

图2  隧道利用纵断面图

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隧道利用结构安全论证

4.1 工程难点

（1）隧道原设计通行磁浮交通，现将隧道利用为排水调蓄隧道，管片承受内水荷载，需对原隧道受力进行复核。

（2）隧道结构受力体系改变，改造方案需专项研究。

（3）调蓄隧道将存在满管、放空的工况，对周边环境产生一定影响。

4.2 结构受力复核

（1）隧道结构概况

耀华支路隧道外径14.5m，内径13.3m，衬砌厚0.6m，环宽2m，衬砌混凝土等级C55。

衬砌环共分为10块，由7块标准块（S1~S7）、2块邻接块（S8、S9）和1块封顶块（S10）组成，采用通用楔形环错缝拼装的形式。管片环、纵向均采用斜螺栓连接，环环间38个M27纵向螺栓，块块间20个M36环向螺栓。下穿构筑物处设剪力销环，每环共计38个剪力销孔。

图3  隧道圆环断面图

衬砌管片最大覆土约为43m，根据覆土的厚度变化，按浅埋、中埋、深埋分别进行配筋设计。根据隧道的实际位置，3种类型管片覆土深度的使用范围约为34~43m、25~34m、小于25m。

已实施隧道长度共766m，纵向坡度约4%，起始端底标高-19.9m，末端底标高-49.9m。从工作井起始穿越的地层分别为④灰色淤泥质粘土层、⑤2-1灰色砂质粉土夹粉质粘土层、⑤2-2灰色粉质粘土夹砂层、⑤3灰色粉质粘土层、⑧1灰色粉质粘土层。

（2）受力复核

图4  隧道横断图内力计算图

通过计算分析，我们可以得出以下结论：1）在设计工况下，原有隧道结构的强度和裂缝宽度均能满足规范要求；2）在考虑内水工况下，原隧道结构强度和裂缝宽度不满足规范要求；3）在考虑内水工况下，需对原隧道结构进行加固以满足使用要求，拟采用增大截面即施作内衬加固的形式。

（3）改造方案

在衬砌管片内施作内衬，因界面结构不同，可分为叠合式双层衬砌、复合式双层衬砌。初衬（盾构隧道管片）与内衬界面粘结方式分为2种：

①内衬施工前将管片内表面的螺栓手孔、注浆孔、起吊孔等凹槽抹平，管片内弧面凿毛，衬砌层间局部植筋，为叠合式。

②内衬施工前将外管片内表面的螺栓手孔、注浆孔、起吊孔等凹槽用水泥充填抹平，为复合式。

目前国内外学者[1~3]对双层衬砌结构的计算模型及受力机理进行了相关研究，内、外衬联合受力一方面可以让内、外层衬砌结构承受的荷载和应力发生再分布，降低内衬的拉应力及外衬的压应力；另一方面可以增加双层衬砌的抗渗性和抗裂性。

综合考虑受力性能、经济性及施工质量[4]，本工程拟选用叠合式双层衬砌的加固形式，即增设钢筋混凝土内衬，内外衬之间设插筋，提高结构体承载能力，满足结构受力及防水要求。

图5  隧道改造断面示意图

根据断面设计方案，隧道内干湿分仓，内衬加固采用叠合式双层衬砌，内侧增设450厚钢筋混凝土内衬，并设置横隔板，内外衬间加设插筋连接，联合受力。通过新增内衬，隧道可用于储存雨水。

4.3 隧道运行对周边影响分析

隧道沿线穿越情况复杂，主要关键节点为下穿地铁11号线。目前隧道竖向沉降变形已趋于稳定，如作为调蓄隧道使用，将存在满管、放空的工况，对周边环境产生一定影响。

耀华支路隧道与地铁11号线在丰谷路、云锦路路口交叉，地铁11号线后于耀华支路隧道施工，其上穿耀华支路隧道。交叉处11号线地铁隧道外底标高为-15.5m，耀华支路隧道外顶标高为-24m，两者竖向最小净距约8.5m。

采用有限元软件计算分析隧道调蓄对周边环境的影响情况，模拟隧道调蓄对地铁11号线产生的变形影响，并对计算结果进行评价分析。

图6  隧道调蓄引起的地铁变形情况

根据计算结果，空管至满管的过程中，调蓄隧道最大沉降7.04mm，引起上方11号线地铁隧道最大沉降2.87mm；满管至空管的过程中，调蓄隧道最大隆起6.79mm，引起上方11号线地铁隧道最大隆起2.34mm。

根据计算结果，隧道作为调蓄使用，在蓄水排水工况中，引起地铁隧道竖向最大位移约为2.87mm（≤3~10mm），地铁隧道竖向最大上浮2.34mm（≤5mm），满足《城市轨道交通工程监测技术规范》的要求。

4.4 周期性荷载下的隧道累计变形特性

根据相关试验研究[5]，当土体在动力循环荷载作用下，存在一个界限动应力比，当动应力荷载低于临界动应力比时，土体的应变会保持在较小水平，试样不会发生破坏。

基于相关试验，可判定上海原状④层淤泥质粉质黏土的临界动应力比在 0.15 到 0.2 之间，且加载频率不会改变黏土的临界动应力比[6]。

图7 不同动应力比下应变-循环次数关系[7]

本工程调蓄隧道底层土为⑤2-2粉质粘土夹砂层、⑤3粉质粘土层、⑧1粉质粘土层，其力学性质均优于④层土。调蓄隧道循环荷载的动应力比约为0.08~0.12，小于临界动应力比。因此可以得出结论，在调蓄放空循环荷载下，本工程隧道底部土体累积变形较小，不会发生塑性破坏。

5 结论

本文对既有盾构隧道改建利用的结构受力进行复核，提出了可靠的改造方案，并借助有限元软件对隧道调蓄对周边环境的影响进行分析，对隧道所在土层的变形特性进行类比论证，得到以下结论：

（1）隧道原设计通行磁浮交通，原隧道经过内衬加固后，可满足内水工况的使用要求，加固型式推荐选用叠合式双层衬砌模式。

（2）在蓄水排水工况中，隧道蓄排水对现状地铁有一定影响，但变形在规范允许的范围内。

（3）在调蓄放空循环荷载下，隧道底部土体累积变形较小，不会发生塑性破坏。

综上所述，现状既有隧道有较大的空间可供调蓄及其附属设施使用，通过加固措施结构是安全可靠的，且对周边环境影响可控，隧道功能调整是可行的。

参考文献

[1] 张弢, 王东黎, 王雷. 盾构管片钢筋混凝土内衬大型输水隧洞结构研究[J]. 水利水电技术, 2009(7):4.

[2] 杨钊, 潘晓明, 余俊. 盾构输水隧洞复合衬砌计算模型[J]. 中南大学学报：自然科学版, 2010, 41(5):8.

[3] 何川,郭瑞,肖明清,周济民,何应道.铁路盾构隧道单、双层衬砌纵向力学性能的模型试验研究[J].中国铁道科学,2013,34(03):40-46.

[4]钮新强,符志远,张传健.穿黄盾构隧洞新型复合衬砌结构特性研究[J].人民长江,2011,42(08):8-13..

[5] 周建,  龚晓南.  循环荷载作用下饱和软粘土应变软化研究[J].  土木工程学报, 2000, 33(5): 75-78.

[6] 冷建. 循环荷载下结构性上海黏土的力学特性研究[D].上海交通大学,2018.

[7] 刘明. 饱和软粘土动力本构模型研究与地铁隧道长期振陷分析[D].同济大学,2006.

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