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对深厚软土地区地铁工程使用安全与寿命问题的思考 精选

已有 5440 次阅读 2010-3-14 01:25 |个人分类:防灾减灾|系统分类:科研笔记| 土动力学, 饱和软土, 地铁工程, 运营安全, 使用寿命

        处于沿海深厚饱和软土区域的大城市,随着人口和规模的急剧增大,地铁正逐渐成为市内交通的主力。在上海这座近2千万人口的国际都市,建成和规划待建的地铁线路已逼近20条。虽然在深厚饱和软土地基中建造地铁的技术已趋于成熟,也通过日本震害等国外经验和国内外科研成果对地震有所防护(2009年出台了上海市地铁抗震技术标准),但对地铁超负荷运行产生振动的影响程度仍缺乏必要的研究。

        记得我在浙大土木系任教时,曾参与对属于华东第一座沉箱式隧道-甬江隧道基础灌浆加固效果检测报告的技术审查。那座隧道由于基底是深厚的软土,建成投入使用后不久,或许是由于实际车流量和载重量严重超过当时的设计条件,便出现了较为严重的不均匀沉降并导致隧道结构有所开裂和渗漏而危及工程安全。

       对城市地铁隧道定性来说,在每次地铁通过时,轮轨系统将对地铁隧道产生频率300Hz以内的振动,此振动荷载将传播到隧道周围的饱和土体并引起超静孔隙水压力。对渗透性欠佳的土,在地铁隧道结构无渗漏通道的情况下,此超静孔压向更远处的土中消散需要较长的时间。因此,当行车间隔较短时,前后两次地铁通过时产生的超静孔压便会叠加,其累积孔压的更多部分虽然在每晚地铁停止运营后可以消散,但由于第二天地铁恢复运行时又会新增而不可能全部消散:定性来说,若地铁运行间隔和车辆运行参数(车辆型号与编组数、运行速度、轮轨性状等基本不变,则投入使用一段时间后,隧道周围土体累积超静孔压会基本趋于大致稳定。

        由于地铁交通运行振动产生的部分超静孔压消散会引起土体固结,地铁线路上方的地面和地铁隧道结构在地铁建成投入使用后,按理说是会产生附加沉降和差异沉降的。在上述隧道周围土体累积超静孔压会基本趋于大致稳定的条件下,此沉降也应将趋于收敛。

        然而,在城市地铁的实际管理中,为应对大的人流,地铁列车运行间隔会缩小,即每天经过隧道各断面的地铁车辆次数将增加。例如,原计划行车间隔8分钟,现在改为5分钟,则在一定的时间内通过的地铁车数就增加了60%。这可能会明显增加隧道周围饱和土体中的超静孔压,而它的消散继而会增大隧道结构和上方地面的总沉降和差异沉降的。

        值得关注的是,深厚饱和软土中的地铁隧道大多是由预制钢筋混凝土管片用高强螺栓拼装连接的。若其基底出现过大的差异沉降,则很容易出现接缝应力集中和损伤:其累积的结果便是地铁隧道将会出现渗水通道,这会大大缩短隧道周围土中上述超静孔压的消散途径而加快它的消散,继而又促进隧道出现更大的差异沉降,轨道平顺度乃至振动荷载又会因此而增大。可见,饱和软土中的地铁长时期超负荷运行的技术性后果,有可能形成 增大超静孔压-增大隧道沉降-隧道开裂渗漏-更大的隧道沉降-更大的隧道损伤-更大的超静孔压 的恶性循环,对地铁隧道结构使用寿命和车辆运行安全造成威胁

        以上只是本人定性的分析看法。上海地铁1号线投入使用至今已经10年多了,而且现在的运行负荷应该是超过了当时的设计运力的,其盾构隧道结构实际健康状况已值得全面检查和评估。这条线路地面沉降、这条地铁隧道结构的沉降、渗漏及其时变状况,其经营单位是否都有详细的监测、检测记录资料?这些宝贵的一手资料,若是能对相关专业机构和人员开放并加以分析研究,则对提高类似地区的地铁运营管理安全水平,尤其是研究确定地铁线路大修时间、剩余使用年限、运营限流(至少不能超负荷)评估方法和应急处置方案等重要问题,应该都是很有益的。

       然而,现在对这些问题,似乎还没列到政府主管部门和地铁经营单位的议事日程,而其中饱和土的高频振动特性是土动力学值得研究的一个基础性课题。



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