地表超載作用下軟土地區(qū)既有盾構(gòu)隧道與地層的相互作用分析

黃大維，周順華，馮青松，雷曉燕，劉 鋼

(1.華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039)

盾構(gòu)隧道施工完成后，不可避免地受到周邊環(huán)境的影響，如上部堆載或卸載[1-2]。從現(xiàn)有資料分析可知，軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道在地表超載(盾構(gòu)隧道施工完成后進(jìn)行地面堆土、堆放材料設(shè)備或其他工程活動(dòng)導(dǎo)致的荷載)作用下易發(fā)生橫橢圓變形超限，并引發(fā)隧道破損與滲漏水[3-6]。如某軟土地區(qū)的區(qū)間盾構(gòu)隧道頂部最大埋深約為16.6 m，區(qū)間按深埋隧道設(shè)計(jì)，若按現(xiàn)有計(jì)算理論分析，允許的最大堆土厚度為10.4 m。但是，在約7 m高的地表堆土荷載作用下，隧道頂部就已因縱縫張開過大出現(xiàn)螺栓露出明顯(圖1(a))、管片棱角破損(圖1(b))等問題，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)腰部縱縫處混凝土開裂破損，結(jié)構(gòu)滲漏水明顯(圖1(c))，隧道結(jié)構(gòu)的水平向直徑差最大可達(dá)194 mm，豎向直徑差最大可達(dá)147 mm，隧道變形明顯大于對盾構(gòu)隧道施工完成后橢圓度的要求5D‰(該工程案例隧道直徑D為6 200 mm)，即31 mm。

(a)管片接頭張開、螺栓外露

(b)管片棱角破損

(c)管片接頭滲漏水圖1 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害

考慮地表超載時(shí)，文獻(xiàn)[7](現(xiàn)有分析計(jì)算理論)建議將地表超載換算為隧道施工前相應(yīng)厚度的上覆土層或地表均布超載，對于軟土地層中的盾構(gòu)隧道，若不考慮地層的土拱效應(yīng)，則地表超載導(dǎo)致的隧道附加豎向土壓力直接取為上覆土重(按土柱理論進(jìn)行計(jì)算)。文獻(xiàn)[4]采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)和數(shù)值仿真，定性分析地表超載對既有盾構(gòu)隧道的影響。文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值仿真方法分析地表超載、側(cè)土壓力系數(shù)和土體抗力系數(shù)對既有盾構(gòu)隧道橫向變形的影響?，F(xiàn)有研究[1，6，8]一般只定性分析地表超載對既有盾構(gòu)隧道變形的影響，但盾構(gòu)隧道作為地下結(jié)構(gòu)，其變形與周圍土壓力變化有關(guān)，而土壓力的變化與隧道和地層的相互作用有關(guān)[9]。因此，若不分析隧道與地層的相互作用，則難以分析地表超載作用下隧道發(fā)生變形超限的機(jī)理。

本文分析并總結(jié)現(xiàn)有地表超載對既有盾構(gòu)隧道影響相關(guān)理論中的實(shí)質(zhì)性問題，依托1∶10室內(nèi)模型試驗(yàn)測試結(jié)果，闡明地表超載導(dǎo)致既有盾構(gòu)隧道變形超限的機(jī)理。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析地表超載作用下既有盾構(gòu)隧道與地層的相互作用，找出地表超載對盾構(gòu)隧道周圍土體附加土壓力的影響規(guī)律。

1 地表超載與上覆土對盾構(gòu)隧道的影響

關(guān)于盾構(gòu)隧道的土壓力問題，現(xiàn)有研究主要集中在完成掘進(jìn)施工后的盾構(gòu)隧道土壓力計(jì)算。當(dāng)盾構(gòu)施工引起地層損失時(shí)，地表發(fā)生沉降，此時(shí)隧道正上方的土體相對其兩側(cè)土體發(fā)生向下位移，受到其兩側(cè)土體的向上剪力(圖2(a))，導(dǎo)致盾構(gòu)隧道頂部的豎向土壓力小于土柱理論土壓力。從現(xiàn)有的相關(guān)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)測的研究成果[10-15]分析可知，盾構(gòu)隧道在施工過程中的地層損失受現(xiàn)場施工控制影響較大，如土艙壓力設(shè)置、同步注漿材料與注漿工藝等，同時(shí)隧道上覆土層之間的剪力還受到土體力學(xué)性能的影響，因此難以準(zhǔn)確計(jì)算盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工完成后的土壓力[16-17]。盾構(gòu)隧道在正常掘進(jìn)施工狀態(tài)下，現(xiàn)有的土壓力計(jì)算公式均屬于半經(jīng)驗(yàn)半理論公式[18-21]。

(a)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工狀態(tài)

(b)地表超載狀態(tài)圖2 不同狀態(tài)下的地表沉降比較

在地表超載作用下，當(dāng)既有盾構(gòu)隧道的豎向壓縮量小于隧道兩側(cè)穿越土層的豎向壓縮量時(shí)，將導(dǎo)致隧道上部土體承受其兩側(cè)土體傳遞的向下剪力，如圖2(b)所示。圖2(b)與圖2(a)相比，隧道正上方土體受到其兩側(cè)土體的剪力剛好相反。由此可知，地表超載與隧道原有上覆土層對盾構(gòu)隧道的影響方式不同，因此有必要對地表超載作用對盾構(gòu)隧道的影響問題進(jìn)行單獨(dú)考慮，不與施工前隧道上覆土產(chǎn)生的隧道周圍土壓力一起分析。圖2中的箭頭表示隧道正上方土體受到的剪應(yīng)力，對應(yīng)的剪切應(yīng)力面表示存在剪應(yīng)力傳遞趨勢。

分析地表超載對軟土地區(qū)既有盾構(gòu)隧道的影響時(shí)，通常將地表均布超載換算為相應(yīng)厚度的上覆土[22-23]或者按彈性理論計(jì)算地表超載傳遞到隧道頂部的荷載[24-25]，均是人為將地表荷載視為作用于完全土質(zhì)地層(不存在盾構(gòu)隧道的地層，盾構(gòu)存在時(shí)對應(yīng)的空間由其穿越土層的土體填充，如圖3(a)所示)。然而，區(qū)間盾構(gòu)隧道屬于細(xì)長結(jié)構(gòu)，從平面應(yīng)變角度來看，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)為以彎曲變形為主的曲梁結(jié)構(gòu)，地表超載作用下隧道的變形特性與土體的變形明顯不同。因此，地表荷載作用時(shí)，圖3(b)中的盾構(gòu)隧道外邊界周圍土體的位移與圖3(a)盾構(gòu)隧道外邊界對應(yīng)的土體位移明顯不同(圖3(a)中盾構(gòu)隧道外邊界對應(yīng)的土體是指將圖3(b)的盾構(gòu)隧道外邊界對應(yīng)到圖3(a)中，取對應(yīng)空間位置的土體)。由此可見，現(xiàn)有理論在分析地表超載作用下既有盾構(gòu)隧道的附加土壓力時(shí)，將存在盾構(gòu)隧道的地層視為完全土質(zhì)地層(圖3(a))，忽略了地表超載過程中隧道與地層相互作用對盾構(gòu)隧道周圍土壓力的影響，因此所得到的土壓力與實(shí)際不符。

(a)完全土質(zhì)地層

(b)存在盾構(gòu)隧道的地層

圖3 兩種地層比較

2 模型試驗(yàn)及實(shí)測結(jié)果分析

2.1 模型試驗(yàn)簡介

模型隧道對應(yīng)的原型隧道為上海通縫拼裝地鐵盾構(gòu)隧道，室內(nèi)模型試驗(yàn)以幾何相似常數(shù)Cl=10(對應(yīng)的幾何相似比為1∶10)和容重相似常數(shù)Cγ=1作為相似設(shè)計(jì)基本量。根據(jù)模型試驗(yàn)相似基本定理，按照彈性力學(xué)方法推導(dǎo)得到模型試驗(yàn)各物理量的相似常數(shù)。模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法在文獻(xiàn)[26]中有詳細(xì)說明。模型試驗(yàn)所用的模型土有3種，分別為細(xì)砂、橡膠粒及細(xì)砂與橡膠粒的混合土，壓縮模量分別為2.65、0.35、0.85 MPa，對應(yīng)原型土的壓縮模量為26.5、3.5、8.5 MPa[26]。

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)兩個(gè)模型試驗(yàn)，隧道穿越土層分別為橡膠粒、橡膠粒與細(xì)砂的混合土，編號依次為1、2。模型試驗(yàn)時(shí)，在隧道下臥土層中先鋪一層厚度約為0.5D的細(xì)砂，再將模型隧道吊入模型槽內(nèi)，隨后逐層填筑，每層厚度約為0.25D。試驗(yàn)時(shí)分別對土層沉降、土壓力及隧道的變形進(jìn)行測試。土層沉降通過土層中的沉降刻度板與模型槽壁上鋼尺間的關(guān)系讀出，土壓力盒布設(shè)位置如圖4所示，位移傳感器布設(shè)在模型隧道的中間管片環(huán)內(nèi)(模型隧道共有9個(gè)管片環(huán))。

圖4 土壓力盒布置示意圖(單位：mm)

2.2 土體沉降分析

圖5、圖6分別為隧道頂部位置與隧道底部位置(具體位置如圖4所示，沉降取負(fù)值)的土體沉降。從圖5可以看出，1、2號試驗(yàn)隧道頂部土層的沉降總體趨勢接近，即隧道正上方的土體沉降量小，兩側(cè)的土體沉降量大，且隨著上部堆載的逐漸增加，隧道正上方與其兩側(cè)土體的沉降差也在逐漸增大。對比圖5(a)與圖5(b)可知，上部堆載過程中，隧道穿越土層的壓縮模量越小，隧道上覆土層的土體沉降差越大。

(a)1號模型試驗(yàn)

(b)2號模型試驗(yàn)

(a)1號模型試驗(yàn)

(b)2號模型試驗(yàn)

圖5 隧道頂部位置的土體沉降

圖6 隧道底部位置的土體沉降

由圖6可知，1、2號試驗(yàn)隧道底部土層的沉降總體趨勢較接近。與圖5比較可知，隧道底部土層的沉降趨勢與隧道頂部土層的沉降趨勢剛好相反，即隧道正下方的土體沉降量大，兩側(cè)土體沉降量小。端部土體沉降時(shí)受到模型槽的豎向摩擦力，因此在圖5、圖6中其沉降量稍小。

2.3 土壓力分析

圖7為覆土厚度不同時(shí)隧道頂部(土壓力盒布設(shè)如圖4所示)的豎向土壓力。從圖7可以看出，地表均布超載導(dǎo)致的隧道頂部豎向土壓力不是均勻分布，隧道正上方的豎向土壓力比兩側(cè)的豎向土壓力大，且在上部堆載過程中，豎向土壓力差逐漸增大。隧道頂部覆土為2.75D時(shí)，按土柱理論計(jì)算，隧道頂部豎向土壓力約為34 kPa，但從圖7來看，隧道正上方的豎向土壓力明顯大于34 kPa，兩側(cè)一定范圍的土壓力稍小于34 kPa。對比圖7(a)與圖7(b)可以看出，隧道穿越土層越軟弱，隧道正上方的豎向土壓力越大，同時(shí)其側(cè)部的豎向土壓力越小。

(a)1號模型試驗(yàn)

(b)2號模型試驗(yàn)

圖7 不同上覆土厚度時(shí)隧道頂部位置的豎向土壓力

圖8為隧道側(cè)部的豎向土壓力(土壓力盒布設(shè)在與隧道中心同高度位置，如圖4所示)。因隧道穿越土層的重度不同，隧道上覆土厚度為2.75D時(shí)，按土柱理論計(jì)算隧道側(cè)部的豎向土壓力，1、2號試驗(yàn)隧道側(cè)部的豎向土壓力分別為35.7、37.3 kPa，圖8(a)和圖8(b)中與隧道中心水平距離為35 cm處的豎向土壓力分別比土柱理論計(jì)算值小了13.6、6.8 kPa。結(jié)合圖7分析可知，在隧道上覆土逐層填筑過程中，隧道正上方的豎向土壓力越大，隧道側(cè)部的豎向土壓力越小。

測點(diǎn)距離隧道越遠(yuǎn)，理論上受隧道的影響越小，其土壓力應(yīng)越接近土柱理論計(jì)算值。但從圖7和圖8可以看出，在與隧道中心水平距離115 cm處，隧道頂部和側(cè)部的豎向土壓力均小于土柱理論計(jì)算值。該現(xiàn)象產(chǎn)生主要與土層沉降時(shí)土體與模型槽邊界的豎向摩擦有關(guān)。

(a)1號模型試驗(yàn)

(b)2號模型試驗(yàn)

圖8 不同上覆土厚度時(shí)隧道側(cè)部位置的豎向土壓力

2.4 隧道結(jié)構(gòu)變形分析

圖9為土體逐層填筑過程中的隧道變形情況，其中隧道的水平變形為90°與270°測點(diǎn)的位移差，豎向變形為0°與180°測點(diǎn)的位移差(隧道頂部為0°，角度順時(shí)針方向增加)。因隧道發(fā)生橫橢圓變形，水平直徑增加，所以水平變形為正。圖9中的水平坐標(biāo)為隧道頂部的覆土厚度，水平坐標(biāo)為負(fù)值表示土體填筑完成后其表面位于隧道頂部以下，如隧道頂部覆土厚度為“-1D”表示剛完成隧道安裝，“-0.5D”表示土層填筑高度與隧道中心的高度相同，“0”表示土體填筑至隧道頂面。由圖9可知，逐層填筑時(shí)，隧道穿越土層的壓縮模量越小，隧道結(jié)構(gòu)的變形越大。

圖9 不同上覆土層厚度時(shí)隧道結(jié)構(gòu)變形

圖10為隧道90°位置實(shí)測水平土壓力與豎向土壓力(與隧道中心距離為35 cm處)。從圖10(a)可以看出，隧道90°位置的水平土壓力，1號試驗(yàn)要小于2號試驗(yàn)，即隧道穿越土層越軟弱，隧道側(cè)部的水平土壓力越小。

(a)水平土壓力

(b)豎向土壓力圖10 隧道90°位置的水平土壓力與豎向土壓力

由盾構(gòu)隧道的土壓力計(jì)算理論可知，隧道的水平土壓力可以分為兩部分：一部分是與豎向土壓力對應(yīng)的側(cè)向水平地層壓力(即：σh=λσv，σh為側(cè)向水平地層壓力；λ為側(cè)壓力系數(shù)；σv為豎向土壓力)，另一部分是隧道發(fā)生橫橢圓變形時(shí)對土體水平向擠壓導(dǎo)致的側(cè)向地層抗力(即：P=ky，P為側(cè)向地層抗力；k為水平抗力系數(shù)；y為隧道在相應(yīng)位置對側(cè)部土體的水平向擠壓量)。隧道的豎向土壓力大于水平土壓力，因此隧道通常發(fā)生橫橢圓變形。

由隧道變形及土壓力實(shí)測結(jié)果可知，隧道穿越土層越軟弱，地表超載時(shí)因隧道分擔(dān)上部堆載導(dǎo)致的豎向荷載越大，則隧道側(cè)部一定范圍內(nèi)的土體分擔(dān)上部堆載導(dǎo)致的豎向荷載越小，如圖10(b)所示，對應(yīng)的側(cè)向水平地層壓力也越小。此外，隧道穿越土層越軟弱，對應(yīng)水平抗力系數(shù)k也越小[27-28]，即在相同的水平收斂變形下產(chǎn)生的側(cè)向地層抗力也越小，因此，盡管1號試驗(yàn)的水平收斂變形最大(圖9)，但在90°位置的實(shí)測水平土壓力最小(圖10(a))，其原因既與90°位置的豎向土壓力較小有關(guān)(圖10(b))，同時(shí)還與隧道穿越土層的水平抗力系數(shù)k較小有關(guān)。由此可見，隧道穿越土層越軟弱，地表超載作用導(dǎo)致的隧道豎向土壓力越大，同時(shí)水平土壓力越小，豎向土壓力與水平土壓力差值越大，對隧道結(jié)構(gòu)抵抗橫橢圓變形越不利。

3 地表超載過程中既有盾構(gòu)隧道與地層的相互作用分析

3.1 地表超載過程中既有盾構(gòu)隧道的變形

(a)工況1

(b)工況2圖11 兩狀態(tài)對比分析示意

兩狀態(tài)對比分析法進(jìn)行以下兩方面的比較：

(1)將工況1中隧道外邊界的位移與工況2中隧道外邊界對應(yīng)土體的位移進(jìn)行比較，位移差為盾構(gòu)隧道對周圍土體的相對擠壓量。

(2)將工況1中隧道外邊界的附加土壓力與工況2中隧道外邊界對應(yīng)土體的附加土壓力進(jìn)行比較，土壓力差為盾構(gòu)隧道對周圍土體相對擠壓導(dǎo)致的土壓力。

因此，可認(rèn)為地表超載作用下盾構(gòu)隧道周圍土體附加土壓力可認(rèn)為由兩部分組成：工況2中隧道外邊界對應(yīng)土體的附加土壓力和工況1中隧道對周圍土體相對擠壓導(dǎo)致的土壓力。附加土壓力采用地表荷載作用于完全土質(zhì)地層時(shí)的應(yīng)力傳遞理論進(jìn)行計(jì)算，因此只需要求出盾構(gòu)隧道對周圍土體相對擠壓導(dǎo)致的土壓力(盾構(gòu)隧道與周圍地層的相互作用力)。

3.2 盾構(gòu)隧道對周圍土體的相對擠壓

將地表超載前的隧道中心作為局部坐標(biāo)原點(diǎn)，基于盾構(gòu)隧道的變形特性，將圖11(a)中地表超載前、后隧道外邊界的局部坐標(biāo)放在一起，如圖12(a)所示；同理，基于地層的變形特性，將圖11(b)中地表超載前、后隧道外邊界對應(yīng)土體的局部坐標(biāo)放在一起，如圖12(b)所示。將圖12(a)與圖12(b)進(jìn)行比較，如圖12(c)所示，從地表超載后的隧道外邊界與地表超載后隧道外邊界對應(yīng)土體的比較可知，地表超載過程中，盾構(gòu)隧道不僅對側(cè)部一定范圍內(nèi)的土體形成水平向相對擠壓，也對底部與頂部一定范圍內(nèi)的土體形成豎向相對擠壓。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況1與工況2圖12 盾構(gòu)隧道對周圍土體的相對擠壓分析示意

相對擠壓量與隧道結(jié)構(gòu)變形(隧道結(jié)構(gòu)剛度)有關(guān)，此外，相對擠壓量還與隧道穿越土層的壓縮量(壓縮模量)有關(guān)。相對擠壓量確定時(shí)，在地表超載作用下，相對擠壓導(dǎo)致的土壓力與被擠壓土體的物理力學(xué)性能有關(guān)。由以上分析可知，在地表超載作用下，不僅隧道穿越土層的物理力學(xué)性能對隧道附加土壓力有影響，隧道下臥土層、上覆土層的物理力學(xué)性能對隧道附加土壓力也有影響。此外，隧道結(jié)構(gòu)的橫向剛度直接影響隧道結(jié)構(gòu)的變形，進(jìn)而影響隧道對周圍土體的相對擠壓，因此，隧道結(jié)構(gòu)的橫向剛度對隧道附加土壓力也有影響。

在后續(xù)研究中，將開展地表超載作用下盾構(gòu)隧道與周圍地層相對擠壓量的計(jì)算分析，這也是地表超載導(dǎo)致隧道周圍附加土壓力解析計(jì)算的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

(1)在現(xiàn)有盾構(gòu)隧道土壓力的計(jì)算理論中，盾構(gòu)隧道施工前的上覆土層及盾構(gòu)施工完成后的地表超載對盾構(gòu)隧道的影響并未嚴(yán)格區(qū)分?，F(xiàn)有分析計(jì)算理論將存在盾構(gòu)隧道的地層視為完全土質(zhì)地層，忽略了地表超載過程中隧道與地層相互作用導(dǎo)致的土壓力，所得土壓力與工程實(shí)際不符。

(2)從盾構(gòu)隧道上覆土層的土體間沉降狀態(tài)來看，地表超載與隧道原有上覆土層對盾構(gòu)隧道的影響不同，有必要單獨(dú)考慮地表超載對既有盾構(gòu)隧道的影響。

(3)提出兩狀態(tài)對比法分析地表超載作用下盾構(gòu)隧道周圍的附加土壓力，且認(rèn)為附加土壓力由兩部分組成：工況2中隧道外邊界對應(yīng)土體的附加土壓力和工況1中隧道對周圍土體相對擠壓導(dǎo)致的土壓力(盾構(gòu)隧道與周圍地層的相互作用力)。

(4)地表超載作用下盾構(gòu)隧道與地層的相互作用分析表明，超載導(dǎo)致既有盾構(gòu)隧道周圍的附加土壓力與隧道穿越土層、上覆土層及下臥土層的物理力學(xué)性能有關(guān)，也與盾構(gòu)隧道的橫向剛度有關(guān)。