采用輕質(zhì)填料填筑路堤對其下方盾構(gòu)隧道的影響研究

李 陽

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

特別的，對于城市地鐵盾構(gòu)隧道而言，由于盾構(gòu)隧道對地層變形非常敏感，過大的變形會導(dǎo)致隧道管片病害，引起隧道出現(xiàn)開裂、滲漏水等問題[1]，危及地鐵隧道的運營安全。故須對此問題進行詳細地分析，以確保運營結(jié)構(gòu)的安全。

一個重要的思路是采用輕質(zhì)路基填料填筑路基，如采用泡沫混凝土、EPS板等[2]。為盡量減小地層附加應(yīng)力，需要部分開挖卸載，以輕質(zhì)填料置換土體，達到等荷載置換的目的。本文基于工程實踐，研究在既有地鐵盾構(gòu)隧道上方填筑路基時，采用輕質(zhì)路基填料情況下，結(jié)合理論計算和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析填筑路基挖方時的卸載與填方時的加載對地鐵隧道的作用機理。

1 工程概況

中山南路南浦大橋W3上匝道位于黃浦區(qū)外灘金融集聚帶的核心區(qū)域，西側(cè)為黃浦區(qū)目前在建規(guī)模最大的董家渡金融城開發(fā)項目，東側(cè)為待開發(fā)的南外灘濱水區(qū)和南浦地塊。

因地塊開發(fā)及現(xiàn)場交通需要，需對W3上匝道進行改造。通過對W3上匝道縱斷面線形的調(diào)整實現(xiàn)匝道南移，根據(jù)改造方案，在道路落地點須設(shè)置填方路基段，最高填土高度為2.36m。

W3匝道改造工程匝道落地點與地鐵四號線相毗鄰，平面投影距離約1.5～2m，盾構(gòu)隧道在改造終點段埋深18.5m，見圖1、圖2。

圖1 本項目與地鐵4號線位置示意圖

圖2 本項目與地鐵4號線橫斷面關(guān)系示意圖（單位：m）

為消除橋臺處新增匝道填土及擋墻荷載對地鐵四號線的影響，設(shè)計采用先超挖卸載再回填泡沫混凝土填方的設(shè)計思路，原則上在填方到路基完成面后，地基附加應(yīng)力不增加。

根據(jù)這個原則，填方最高處約為2.36m，泡沫混凝土容重約6kN/m3，路基開挖土方按18kN/m3，考慮需要在泡沫混凝土兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土擋墻作為泡沫混凝土澆筑的模板及安裝防撞墻的基礎(chǔ)，綜合計算，這段路基按開挖原狀3m深度土方換填泡沫混凝土設(shè)計。附加荷載計算如下（每延米）：

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泡沫混凝土重：6kN/m3×49m3=294kN；

混凝土擋墻重：26kN/m3×5.1m3=132.6kN；

土方卸荷：18kN/m3×31.7m3=570.6kN；

只計算恒載，附加荷載為294+132.6-570.6=-144kN。

考慮20kPa活載，路面寬度為7m，荷載為140kN，基本做到0附加應(yīng)力。

2 模型建立

本次分析采用Plaxis有限元計算軟件，采用平面應(yīng)變二維模型，為消除邊界條件對計算結(jié)果的影響，計算模型平面尺寸取為70m（水平向）×50m（豎向）；模型深度按實際土層劃分，取到第7號土層，深度達到70m；隧道采用板單元模擬。考慮到隧道附近會產(chǎn)生應(yīng)力集中等現(xiàn)象，在隧道區(qū)域?qū)W(wǎng)格進行加密，并向遠處逐漸增大；兼顧土層分布，模型網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 Plaxis有限元模型

土體模型采用適合上海地層的HS模型[3]，參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際土層物理力學性質(zhì)，結(jié)合研究目的，結(jié)合地勘單位給出的實際地層參數(shù)，得到土層彈性模量或回彈模量，其它地勘報告中沒有提供的地層參數(shù)則根據(jù)上海地區(qū)其它工程項目的土層參數(shù)及相關(guān)規(guī)范進行經(jīng)驗取值。考慮堆載固結(jié)時，回彈模量取為壓縮模量的3～4倍。

最終確定各土層的物理力學性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 主梁渦振性能

表1 計算采用的地層參數(shù)

本次分析共分成如下幾個荷載步，（1）地應(yīng)力平衡；（2）加入隧道結(jié)構(gòu)，并將位移歸零；（3）開挖基坑，開挖基坑的施工時間為30d；（4）填筑路基，路基施工時間為30d；（5）固結(jié)計算，考慮固結(jié)時間為10a（3650d）。

3 施工期地層及隧道位移分析

根據(jù)計算結(jié)果，基坑開挖后，位移云圖見圖4，在挖方區(qū)域引起較大的回彈，最大回彈量達到6mm。

圖4 基坑開挖后地層變形云圖

隧道結(jié)構(gòu)隨著地層的回彈同時產(chǎn)生了隆起，見圖5，隆起變形量約1mm，變形方向約斜向上45°，即向上及向開挖方向變形。

圖5 地鐵隧道變形示意圖

路基開挖回填后，考慮30d的施工期，則施工期內(nèi)的地層變形見圖6，隧道變形見圖7，此時，路基正下方開挖面處依舊存在部分回彈值，約為2.8mm。

圖6 施工期內(nèi)路基回填后地層變形云圖

圖7 施工期內(nèi)路基回填后隧道變形云圖

隧道在施工期內(nèi)依然存在隆起，但由于路基回填加載作用，隆起變形量有了很大的改善，隆起值僅約為0.5mm。

4 隧道及地層長期性態(tài)分析

為了了解開挖卸載及填方加載對地層及盾構(gòu)隧道的長期影響，首先應(yīng)該研究地層中超孔隙水壓力的消散情況，圖8給出了從路基基坑開始開挖卸載，一直到超孔隙水壓力消散完成之后隧道周圍的超孔隙水壓力隨時間的變化情況。從圖中可以看出，0～30d卸載期間，地層隆起出現(xiàn)超靜負孔隙水壓力，由于卸載出現(xiàn)在隧道左側(cè)地面，負孔壓分布規(guī)律為左側(cè)及上側(cè)較大，而右側(cè)及隧道下側(cè)較小，負孔壓最大的位置位于B點（距開挖面較近處的隧道側(cè)面），達到7kPa，負孔壓最小的位置位于D點（距開挖面較遠處的隧道側(cè)面），為4.5kPa。

圖8 地道周圍超孔隙水壓力消散示意圖

隨著30～60d開始回填加載，超靜負孔隙水壓力急劇減小，到60d堆載結(jié)束時，負孔壓最大的B點剩余1.5kPa，減小約78.5%；A點負孔壓剩余值約1kPa，減小約83.6%；C、D兩點負孔壓消散約84.5%。

從圖中還可以看出，超靜負孔壓完全消散大約在路基施工完成后620d左右完成，而95%消散完畢只需要約140d，故隨著超孔隙水水壓力的減小，其消散速度快速減緩。

從圖9中可以看出，盾構(gòu)隧道的位移主要發(fā)生在施工期，隧道在地面加載時，由于加載作用的影響下沉，但在完工后，隨著超靜負孔壓的消散，隧道上浮，即隧道的工后位移體現(xiàn)為上浮。

圖9 盾構(gòu)隧道的位移示意圖

以A點為例，在地面挖方卸載時，30d工期內(nèi)隧道上浮量為0.74mm，隨后填筑路堤加載，隧道沉降，沉降量為0.29mm，即上浮總量減小為0.45mm，之后隨著超靜負孔隙水壓力的消散，隧道上浮約0.023mm，工后位移占隧道總位移的3.1%。

5 結(jié) 語

（1）利用Plaxis建立路基-隧道-土耦合模型進行固結(jié)分析，分析表明，隧道隨著挖方卸載隆起，填方加載沉降，總體位移可以控制在1mm以內(nèi)，可以滿足隧道安全運營的要求。

（2）路基填挖方施工在隧道周圍產(chǎn)生的超靜負孔隙水壓力，超靜孔壓完全消散大約在路基施工完成后620d左右完成，而95%消散完畢只需要約140d，故隨著超孔隙水水壓力的減小，其消散速度快速減緩。

（3）隧道的變形主要發(fā)生在施工期，施工后的地層固結(jié)影響對隧道工后變形的影響較小。

（4）在運營隧道上方進行填筑路基等需要加荷施工時，首先挖方卸載再換填輕質(zhì)材料的方案是可行的，對運營隧道的影響較小。