偏壓填土對既有淺埋隧道穩(wěn)定性影響分析

張慶波，劉柯廷，梁宇航，胡贊濤

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

國內外關于隧道上部填土對隧道結構變形的影響研究比較多，而對受單側偏壓填土影響的隧道結構變形規(guī)律的研究相對較少.張勝等[1]依托向家壩水電站的姚家壩隧道，對淺埋偏壓隧道的進洞方案進行優(yōu)化，并分析了隧道洞口邊坡穩(wěn)定性.張明告等[2]結合模型試驗與有限元模擬對超載導致的隧道土壓力變化進行研究，分析了穿越土層的壓縮性能對隧道結構變形的影響；江杰等[3]運用Boussinesp法，計算隧道在地面堆載作用下，隧道豎向附加應力的變化趨勢；康成等[4]研究了地表臨時堆載對隧道結構的影響，發(fā)現(xiàn)提高隧道的抗彎剛度與隧道基床反應力系數(shù)可以有效減小隧道的沉降變形；呂荔炫[5]研究了地面堆載對軟土環(huán)境中隧道變形的影響規(guī)律，認為CFG樁與水泥土攪拌樁的結合能滿足隧道變形要求；王大發(fā)[6]在研究新建地下工程對跨越已建隧道的影響時，認為分段式開挖能減小隧道的豎向隆起變形；吳慶等[7]在研究隧道埋深與堆載位置對盾構隧道的影響時，結合室內模型試驗總結了盾構隧道在堆載作用下的變形規(guī)律；張強[8]對地鐵隧道的豎向變形規(guī)律進行研究，提出了明挖卸荷與暗挖卸荷2種條件下隧道豎向變形公式；陳軍等[9]在研究靜壓擠土樁對既有隧道結構的影響時，發(fā)現(xiàn)隧道結構位移隨著樁與隧道之間間距的增大而減小；盧裕杰[10]研究了填土對既有淺埋隧道襯砌結構的影響，發(fā)現(xiàn)填土將導致襯砌整體下沉，并提出容許填土厚度與原有覆蓋土厚度的關系.

本文依托梅林路鐵路隧道結構安全性評估項目，使用MIDAS/GTS分析單側偏壓填土對梅林路鐵路隧道所受土壓力與隧道結構位移變化趨勢的影響，了解隧道結構在偏壓填土作用下襯砌受力與位移的變化趨勢.

1 工程概況

既有梅林路鐵路隧道位于益陽市梅林路和石長線鐵路交叉處，為單線電氣化隧道.該鐵路線路為客貨兩用，設計速度為160 km/h，采用重型軌道，碎石道床，鋪設鋼筋混凝土軌枕.研究區(qū)位于益陽市城區(qū)南側邊緣，東北側距益陽市火車站直線距離約3.5 km，有梅林路通達，交通便利，位置詳見圖1.鐵路隧道呈東南-西北走向，隧道為鋼筋混凝土結構，寬13.9 m，高8.5 m，頂板厚0.8 m，側板厚0.6 m.隧道南側為人工填土區(qū)，填土最大高度達8.36 m，填土形成的邊坡坡度約為25°，為近期新填土.根據(jù)勘探結果，該區(qū)域原地層主要由種植土與板巖構成.種植土呈黃褐色-灰褐色，由粘性土夾植物根莖和少量碎石組成，處于軟塑-可塑狀態(tài)，具有較高的壓縮性.板巖呈黃褐色-紅褐色，其礦物成分主要為黏土質，巖體基本上風化為土狀，部分夾有石英和強風化板巖殘塊，風化裂隙極為發(fā)育，巖體極破碎，鉆探取樣巖芯為碎塊狀，用手可輕易將巖芯折斷，且?guī)r芯遇水易軟化崩解.

圖1 區(qū)域交通位置(谷歌衛(wèi)星圖)

研究區(qū)內地表水體較不發(fā)育，地表徑流主要通過城市排水系統(tǒng)排泄，地下水主要由大氣降水補給，地表無徑流、無常年流水沖溝，降雨形成的地表水大部分形成地表漫流、部分下滲到地下形成地下水，地下水總體上沿基巖風化裂隙、巖土接觸面和滑坡體裂隙發(fā)育帶由西向東徑流，局部上層滯水直接以滲水形式排泄至填土坡體前緣坡腳.

2 填土對既有隧道的影響分析

2.1 模型建立

為分析單側填土對既有隧道的影響，以石長鐵路梅林路隧道為例，簡化地形，并利用MIDAS/GTS軟件進行數(shù)值模擬，模型見圖2.

圖2 有限元模型及邊界條件

模型沿線路方向長70 m，寬度50 m，全部采用實體單元.參照《鐵路隧道設計規(guī)范》[11](TB10003-2016)，隧道混凝土材料參數(shù)采用C30混凝土標準，隧道寬13.9 m，高8.5 m，頂板厚0.8 m，側板厚0.6 m，新填土按2級放坡.

為滿足邊界效應要求，并充分考慮填土對既有隧道的影響范圍，邊界條件的設置為：對模型底面約束3個方向的位移，對垂直于線路方向的邊界面約束z方向的位移，對平行于線路方向的邊界面約束x方向的位移.

在模型中，填土的情況可以簡化為：先行計算填土前，隧道及其周邊的應力與位移變化情況；然后研究不同填土類型對隧道左側的變形影響，對比分析填土在暴雨環(huán)境與天然環(huán)境中，隧道的應力變化與位移變化.

為研究新填土性質和氣候環(huán)境對隧道結構的影響，選擇了4種工程性質由優(yōu)至劣的新填土進行計算，同時針對每種新填土的計算又分為天然環(huán)境和暴雨環(huán)境2個工況，共進行了8組工況的計算，隧道及原有土體材料參數(shù)如表1所示，不同種類新填土在不同工況條件下的土體材料參數(shù)見表2，其中工況1為一般工況的填土環(huán)境，其計算參數(shù)采用該區(qū)域填土力學參數(shù)推薦值.

表1 隧道及原有土體材料參數(shù)

表2 不同種類新填土在不同工況下土體材料參數(shù)

2.2 計算分析

2.2.1 土壓力分析

為分析隧道結構所受土壓力的分布情況，首先對隧道在無新填土時，隧道結構側壁土壓力進行模擬計算，其變化情況見圖3.而新填土對隧道結構所受土壓力的影響，以工況1的新填土為例進行模擬，隧道側壁土壓力變化情況見圖4.

圖3 無新填土時隧道側壁的土壓力分布情況

通過圖3和圖4對比分析無新填土與工況1的新填土垂直于線路的側向土壓力分布情況，在無新填土時，考慮土體固結的影響，但不考慮原有填土對隧道側壁土壓力的影響，由于隧道襯砌結構的反作用力，隧道臨空側的側壁土壓力數(shù)值出現(xiàn)負值，且隨原有覆蓋層厚度變化，最大值出現(xiàn)在隧道側邊墻下部1/3處.在填土后，隧道部分區(qū)域側壁土壓力轉變?yōu)檎担饕霈F(xiàn)在隧道襯砌的上部頂板處與無新填土側.隧道填土側土壓力明顯變大，變化區(qū)域與填土的范圍有關，填土區(qū)域的側壁土壓力表現(xiàn)為負值，但是與無新填土的側壁土壓力值相對比，土壓力增大約4倍.填土后，側壁土壓力分布變得不均勻，但側壁土壓力最大值仍在隧道側邊墻下部1/3處，隧道無填土側的土壓力也會隨著新填土而發(fā)生變化，但數(shù)值變化較小.由此可知，新填土后，隧道結構所受的土壓力會隨著填土而增大，但最大值一直位于隧道側邊墻下部1/3處，土壓力增大的程度在隧道側邊墻下部1/3處對稱分布.

圖4 有新填土后(工況1)隧道側壁的土壓力分布情況

對其他幾種填土工況進行數(shù)值模擬計算，結果見表3和圖5.由表3可知，在工況8時，新填土后隧道左壁土壓力峰值最大，為66.5 kPa.此工況同樣是新填土后隧道左壁土壓力峰值增量的最大值，為46.4 kPa.綜合圖3、圖4以及表3，可知隧道左壁土壓力明顯增長范圍的縱向(沿線路方向)長度大致與新填土縱向長度相同，高度大約距離地面2～4 m.在各工況下，結合圖5可知，填土可使隧道左壁土壓力峰值增加42.0～46.4 kPa，填料工程性質越差或降雨量越大，隧道左壁的土壓力峰值越高，但提升幅度不大.

表3 不同工況條件下隧道左壁土壓力峰值變化

圖5 不同工況條件下隧道左壁土壓力峰值增量

2.2.2 位移分析

為了解不同工況條件下，偏壓填土對既有隧道結構的影響規(guī)律，以工況1為例進行分析，填土的總體位移云圖見圖6，隧道位移平面矢圖見圖7，隧道側壁總位移云圖見圖8.

圖6 有新填土時填土的總體位移(工況1)

從圖6可知，工況1條件下的填土在重力作用下，新填土體的位移受自身固結因素的影響，越靠近新填土邊緣區(qū)域，填土的位移越大，且填土的位移方向與原始地面線方向平行.對土體的位移變化趨勢分析，有助于了解偏壓填土對隧道結構的位移影響.由圖7可知，偏壓填土一側的隧道結構位移遠大于其相對側面結構的位移.偏壓填土側面的隧道結構位移大小在7.05～6.05 mm之間，且越靠近隧道底部，位移趨勢越大，并向隧道內側方向變形；偏壓填土相對側面的隧道結構的位移量基本相同，位移大小在3.05～2.05 mm之間，且位移方向與隧道側壁基本呈垂直狀態(tài).

圖7 隧道結構位移平面矢量圖(變形放大)

由圖8可知，隧道結構的最大變形位置與偏壓填土位置有關，其最大位移變化區(qū)域位于偏壓填土側的隧道結構底部位置，且相對偏壓填土側面的隧道結構頂角處的位移變化最小.在新填土堆載作用下，偏壓填土側面隧道結構最大位移變化為8 mm，另一側隧道頂角位移變化為2 mm.

圖8 隧道側壁總位移云圖

既有線路的沉降控制標準與鐵路運營的速度和軌道平順性有關，同時也需要考慮結構的安全與耐久性.隧道結構過大的變形將導致混凝土襯砌結構裂縫的出現(xiàn)或擴展，產(chǎn)生漏水、漏沙等病害，導致隧道周邊土體被帶出，形成中空帶，從而導致隧道上覆土體出現(xiàn)病害，并威脅到隧道結構的安全.因此，為了解不同新填土及不同降雨強度對隧道結構安全性的影響，通過數(shù)值模擬分析隧道結構在8種不同工況條件下的位移變化趨勢，結果見表4和圖9.

表4 不同工況條件下隧道最大位移變化 mm

由圖9可以看出，隧道結構最大豎向位移基本不受新填土土體種類與降雨強度的影響.但隧道結構的最大水平位移與最大總位移受降雨強度的影響較大，降雨將使隧道結構的位移增大約1.5 mm，因此需要特別注意暴雨條件下時，隧道結構的變化趨勢.

圖9 隧道結構位移與工況類別關系曲線

3 現(xiàn)場監(jiān)控及分析

3.1 監(jiān)控量測內容及方法

為驗證偏壓填土對隧道支護結構的影響，對隧道結構進行收斂變形監(jiān)測，監(jiān)測工作不影響鐵路的運營，采用激光測距儀對隧道收斂變形進行監(jiān)測，激光測距儀布設從隧道口向隧道內進行，沿隧道2側邊墻的1/2高度處布設.隧道拱頂為激光反射板，布設位置為拱頂中心線，每隔10 m為1個測量斷面.激光測距儀通過反射片反射激光得到儀器之間的距離變化，進而計算出隧道結構各監(jiān)測點的收斂變化值，激光測距儀的測量精度為0.01 mm，遠高于隧道規(guī)范[12]要求的凈空變化測量儀器精度0.5～1.0 mm，數(shù)據(jù)采集使用線上自動采集，可長期對隧道的變形進行監(jiān)測.監(jiān)測儀器布置位置如圖10所示.

圖10 監(jiān)測儀器布置位置

3.2 監(jiān)測結果及分析

隧道偏壓填土區(qū)段為20～40 m，填土后隧道2側邊墻各實測點的累計位移與數(shù)值模擬計算的累計位移沿隧道縱向的變化曲線對比見圖11.

圖11 隧道側邊墻沿隧道縱向的累計位移變化曲線

由圖11可知，偏壓填土后，隧道襯砌結構將發(fā)生變形，且偏壓填土側的位移明顯大于無填土側.測量區(qū)段偏壓填土一側最大位移量為5.47 mm，無偏壓填土一側的最大位移量為2.67 mm，隧道變形范圍為10～50 m，略大于填土區(qū)間段.對比數(shù)值計算結果發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測數(shù)值的最大值小于數(shù)值計算值，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因為襯砌結構本身能夠抵抗部分變形，且原有填土能自承受部分壓力.數(shù)值模擬計算值雖大于實測值，但變形趨勢與實測值相同，故可使用數(shù)值模擬對類似工程進行變形趨勢判斷，指導現(xiàn)場監(jiān)測工作.

4 結論

1)新填土后，在隧道結構左壁出現(xiàn)土壓力明顯增長，長度大致與新填土縱向長度相同，高度距離地面2～4 m.2)無新填土時，左壁土壓力峰值約為20.1 kPa；填土后，隧道側壁土壓力峰值增加42.0～46.4 kPa，填土的工程性質變化對土壓力的影響較小.3)在新填土堆載作用下，隧道結構偏壓填土側有相對隧道側邊墻斜向下變形的趨勢，位移最大位于隧道結構偏壓填土側后方，縱向大致與最高填土位置平齊.4)對于同一種填料，暴雨工況下的位移相對天然工況會明顯增加，而且土的性質越差，增加幅度越大，增幅范圍為19.5%～22.0%.5)偏壓填土造成隧道的最大水平位移與最大總位移變化趨勢相同，但是對隧道最大豎向位移影響較小.6)淺埋隧道偏壓填土后，需要布置好填土區(qū)域的排水措施，減少雨水對淺埋隧道結構安全的影響.