地面堆載誘發下盾構管片變形分析

張芳， 禹姿含， 王東升， 王露露， 梅洪嘉， 胡松松

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083; 2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 北京 100083)

隨著中國城鎮化的推進，城市內緊鄰地鐵線路施工的項目也越來越多，既有地鐵上方不可避免地會存在違規堆載現象。地面堆載會引起地層產生附加應力，原有的應力狀態將會發生改變，造成隧道橫向或者縱向發生變形，嚴重時甚至引發隧道管片接縫張開、錯臺、螺栓失效等現象，對地鐵運營安全造成嚴重影響[1-2]。因此，研究地面上方堆載對既有隧道的影響具有重要的現實意義。

圖1 隧道穿越圖層剖面圖Fig.1 Tunnel crossing layer profile

關于地面堆載對既有隧道影響的研究方法主要有理論解析法[3-5]、模型試驗法[6-7]、現場監測法[8-9]和數值分析法[10-15]。其中黃大維以某軟土地區地鐵盾構隧道為案例，提出了隧道周圍附加土壓力與隧道變形的解析計算方法。該解析計算方法考慮了隧道穿越土層、上覆土層、下臥土層的物理力學性能；梁發云采用室內模型試驗研究了地表局部堆載下軟、硬土層中地鐵隧道的橫向變形性能，對比分析了不同工況下隧道橢圓度、接頭外開量和外表面附加土壓力的變化情況，得出軟土層隧道的橢圓度比砂土層隧道更大。目前，研究較多的是數值分析法，在數值模擬方面，孫文波[10]采用MIDAS有限元軟件進行三維數值計算分析，研究了地面堆載(隧道埋深、堆載位置)對隧道襯砌拱頂和拱腰變形的影響。孫廉威等[11]采用ABAQUS有限元軟件進行了三維數值計算分析，研究了地面堆載對隧道管片和環縫的影響，將數值模擬結果與實測數值進行了比較，其結果吻合較好，說明數值模擬方法可以有效地揭示隧道管片和環縫在堆載作用下的變形和破壞規律。李若奇等[12]采用 FLAC 3D軟件建立了尾礦堆載下排水隧洞的三維數值模型，采用極限平衡原理分析了分級堆載時主隧洞襯砌和圍巖的應力變化規律以及襯砌的變形特征。賴浩然等[13]采用荷載-結構法，以蘇通氣體絕緣輸電線路(globalization internationalization localization，GIL)綜合管廊某區間為背景，研究了不同堆載形式下管片結構的變形與裂損特征，分析了斷面收斂變形、接縫張開、結構內力隨堆載的發展規律，并提出了地表超載控制標準。謝家沖等[14]以杭州地鐵1號線某區間發生堆載破壞為背景，在建模過程中土體采用小應變土體硬化模型，襯砌采用總應變開裂模型，建立了集巖土模塊、結構模塊于一體的平面應變有限元模型；其數值計算結果能夠與隧道沉降及實際裂紋開展特征相吻合，驗證了該數值分析模型的有效性。目前，有限元模擬主要是采用地層-結構模型法，這種方法可以較好地模擬荷載通過土體傳遞到隧道的過程。但是現有的地層-結構法三維數值模型往往不夠精細化，均假定隧道是連續、均勻，整環襯砌剛體轉動，沒有考慮錯縫拼裝，缺乏管片及接頭的精細化模擬，而且實際工程中往往是管片接頭處容易變形過大，發生破壞。堆載工況的分析中，當前的研究主要考慮堆載大小、堆載尺寸、堆載位置及隧道埋深等對隧道管片和管片接縫的影響；實際工程中，盾構隧道往往會穿越不同的土層，不同的區間土層分布不同，其對隧道結構的影響也不相同，這種情況在軟土地層中尤為明顯。

為此，采用地層-結構法建立盾構隧道三維精細化數值模型，細化盾構管片接觸關系與螺栓結構，考慮管片錯縫拼裝；基于蘇州市軌道交通某區間，系統地探究軟土分布(隧道上覆軟土地層、穿越軟土地層、下臥軟土層)對隧道結構受力變形的影響規律，以期對地鐵線路的安全運營提供指導。

1 工程概況與模擬工況分析

1.1 工程概況

蘇州地鐵某線是連接兩個城市的東西向骨干線路；其中，玉珠區間左右線總長2 333.718 m，區間覆土為9.5～18.6 m，穿越的地層主要有粉質黏土和淤泥質粉質黏土，如圖1所示。地層屬于含水量高、壓縮性強、抗剪強度低、靈敏度高的軟塑～流塑性地層，當受到外部荷載作用時，對盾構隧道結構的變形存在較大的影響。

整個區段采用盾構法施工，隧道內徑為5.9 m，隧道外徑為6.6 m，管片厚度為0.35 m。隧道襯砌采用預制鋼筋混凝土裝配式結構，錯縫拼裝；襯砌強度采用C50的混凝土，抗滲等級P10，環寬為1.2 m，每環由封頂塊(1塊：F)、鄰接塊(2塊：L1、L2)及標準塊(3塊：B1、B2、B3)構成，如圖2所示。

圖2 襯砌管片結構圖Fig.2 Structural drawing of lining segment

1.2 模擬工況分析

為探究軟土分布對隧道結構受力變形的影響規律，在蘇州市軌道交通某區間，選取了3種軟土分布類型，即隧道上覆軟土地層(斷面Ⅰ，上覆軟土厚度3.2 m)、下臥軟土層(斷面Ⅱ，下臥軟土厚度8.2 m)、穿越軟土地層(斷面Ⅲ，穿越軟土層厚度20.8 m)，各流塑性軟土地層下為粉土加粉砂及粉質黏土層，如圖1所示。根據《工程地質手冊》中規定：3～6層工業建筑基基礎總壓力為90～130 kPa，2～5層民用建筑和工業建筑的基礎壓力標準值為60～70 kPa。為研究隧道周邊新建建筑產生的堆載對隧道不均勻沉降以及管片結構變形的影響，數值模擬試驗中地面堆載大小設置為100 kPa，加載方式0～100 kPa分5次加載，每次加載20 kPa。參考堆載實例、文獻[7]，堆土寬度大多在20～30 m。因此，數值模擬實驗中堆載范圍為26 m×30 m，堆載位置位于隧道正上方，具體工況如表1所示。

表1 數值模擬工況Table 1 Numerical simulation conditions

1.3 模型參數選取

采用ABAQUS分別建立隧道上覆、穿越和下臥流塑性軟土地層的三維精細化有限元模型，模型計算域大小為110 m(長)×100 m(寬)×60 m(高) ，襯砌管片根據實際情況進行錯縫拼接模擬，接縫處采用螺栓進行連接，如圖3所示。

土體采用六面體實體單元模擬，使用摩爾-庫倫模型進行計算分析，各個土層的物理力學參數如表2所示。隧道管片同樣也采用六面體實體單元模擬，使用塑性損傷本構模型進行計算分析，ABAQUS中定義塑性損傷本構需定義參數受拉壓非彈性應變及損傷因子，損傷因子表征結構受損傷程度，在0～1變化：損傷因子為0表示結構無損傷，損傷因子為1表示結構完全失去強度。根據C50混凝土受拉壓的應力-應變曲線[16]，將應力-應變轉化為應力-非彈性應變，并利用經驗公式確定損傷因子[17]，具體參數如圖4所示；鋼筋和接頭螺栓采用梁單元模擬，使用彈塑性本構模型進行計算分析，具體物理力學參數如表3所示。管片之間及隧道與土體之間設置接觸界面，法向采用硬接觸，切向采用摩擦接觸，摩擦系數為0.3。整個模型共有單元59 841個，節點72 500個。隧道土體和管片選用八結點線性六面體單元C3D8網格，土體部分采用1 m網格尺寸，其他部分土體采用2～8 m網格尺寸、管片采用1 m網格尺寸；鋼筋、螺栓網格的單元類型選用兩結點空間線性梁單元B31，鋼筋采用1 m網格尺寸，螺栓采用0.5 m網格尺寸，模型前后及兩側限制法向位移，底部采用固定約束。整個模擬分析過程如表4所示。

表2 土層物理力學參數Table 2 Soil mechanics parameters

屈服應力單位：Pa圖4 C50混凝土受壓損傷參數Fig.4 Damage parameters of C50 concrete under compression

表3 隧道物理力學參數Table 3 Physical Mechanics Parameters of Tunnel

表4 具體施工階段的有限元模擬Table 4 Finite element simulation in construction stage

2 結果與分析

2.1 流塑性軟土層分布對隧道豎向收斂的影響

圖5為流塑性軟土不同分布時各級堆載下隧道豎向收斂的對比。隨著荷載增加，隧道豎向收斂顯著增大。與隧道上覆軟土層相比，隧道下臥軟土層及穿越軟土層時，隧道豎向收斂更加明顯；并且隧道下臥軟土層時隧道豎向收斂值最大，約為33.35 mm，其次是隧道穿越軟土層時,約為30.03 mm，隧道上覆軟土層時對隧道豎向變形影響最小，約為14.74 mm。 因此，隧道下臥軟土層的力學性質對隧道結構變形的影響最大。

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202—2013)中隧道徑向收斂預警值為10 mm，控制值為20 mm的規定，可以看出，堆載<60 kPa時，無論哪種工況，隧道豎向收斂均在可控范圍內；堆載>60 kPa時，隧道下臥、穿越軟土層時隧道豎向收斂值突破控制值，堆載100 kPa時影響范圍分別是從堆載正下方向隧道兩側±15、±10范圍內。

取堆載正下方的一環管片分析，表5、圖6為不同軟土分布位置下堆載量變化對隧道豎向變形的影響，分析可知豎向位移首先出現在拱頂，隨著堆載的增加，拱頂豎向位移越來越大，并逐漸發展至拱肩、拱腰到拱底。由圖5的曲線可知，拱頂豎向位移隨堆載大小增加呈線性增加，表明堆載量是豎向位移的重要影響因素，尤其是隧道下臥軟土層時，曲線斜率越來越大，表明當軟塑-流塑土層位于隧道下方時，堆載量是影響隧道豎向位移的敏感因素。

圖5 隧道豎向收斂對比分析Fig.5 Comparative analysis of tunnel vertical convergence

2.2 流塑性軟土層分布對隧道水平擴張的影響

圖7為流塑性軟土層在不同分布狀態時各級堆載下隧道水平擴張的對比。隨著荷載增加，隧道水平擴張顯著增大。隧道下臥軟土層及穿越軟土層時，隧道水平擴張更加明顯；并且隧道下臥軟土層時隧道水平擴張值最大，約為33.28 mm，其次是隧道穿越軟土層時,約為27.87 mm，隧道上覆軟土層時對隧道豎向變形影響最小，約為13.87 mm。在堆載作用下，隧道同時產生豎向收斂和水平擴張，并且豎向收斂和水平擴張基本相等；同時也證明了隧道下臥軟土層的力學性質對隧道結構變形的影響最大。

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202—2013)中隧道徑向收斂預警值為10 mm，控制值為20 mm的規定，水平擴張同豎向收斂存在相同規律。

表5 不同堆載量下隧道豎向收斂最大值Table 5 Maximum value of vertical convergence of tunnel under different surcharge

圖6 豎向收斂隨堆載大小變化曲線Fig.6 Variation curve of vertical convergence with surcharge

同樣選取堆載正下方的一環管片分析，表6、圖8為不同軟土分布位置下堆載量變化對隧道拱腰水平變形的影響，分析可知，水平位移首先出現在左右拱腰位置，數值上兩者同步，并逐漸向拱頂和拱底發展，且拱頂和拱底水平位移沒有明顯區別。隨著堆載的增加，隧道向兩側凸出程度逐漸增大，且隧道下臥軟土層時隧道變形最明顯，與豎向位移變化規律一樣，水平位移量級上隧道上覆軟土層時最小，這充分說明了流塑地層在隧道下方時對隧道結構變形的影響更大。

2.3 流塑性軟土層分布對隧道管片變形的影響

隧道差異沉降下接縫表現為張開和錯臺兩種變形模式，如圖9所示。隧道在地面堆載作用下產生差異沉降，并在荷載作用位置正下方形成凹槽。環縫錯臺主要出現在拱頂附近，拱腰處接縫張開明顯，同時向兩端遞減。

圖7 隧道水平擴張對比分析Fig.7 Comparative analysis of horizontal tunnel expansion

圖10、圖11為隧道在3種不同分布狀態下管片內部接縫張開量和錯臺量對比。可以看出，隧道下臥軟土層時接縫張開量和錯臺量最大，且呈線性增長；堆載<60 kPa時，隧道穿越軟土層和隧道上覆軟土層對管片內部接縫張開和錯臺量的影響較小，堆載>60 kPa后，流塑性軟土分布對管片內部接縫張開和錯臺量的影響出現明顯增長。

參照《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202—2013)規定，盾構管片接縫張開量預警值1 mm，控制值2 mm。可見隧道下臥軟土層時即使是少量的堆載，對隧道結構變形已經產生破壞性影響，需要采取措施，對隧道結構進行加固。

2.4 管片損傷程度與流塑性軟土層分布的關系

隧道結構整體損傷程度如圖12所示，隧道管片損傷主要分布特征為：拱頂兩環封頂快之間、隧道底部以及兩側拱腰處。拱頂、拱底及拱腰外側位置處的裂縫均為拉應力產生的損傷，同時隨著堆載的增加，損傷不斷發展，局部損傷深度貫穿整個裂縫。

表6 不同堆載量下隧道水平擴張最大值Table 6 Maximum horizontal expansion of tunnel under different surcharge/mm

圖8 水平擴張隨堆載大小變化曲線Fig.8 Variation curve of horizontal expansion with surcharge

由圖12可知，隧道下臥軟土層時管片損傷最嚴重，其次是隧道穿越軟土層時，隧道上覆軟土層時，管片損傷較小，且主要集中在拱頂。

圖9 管片縱向變形分布特征Fig.9 Distribution characteristics of longitudinal deformation of segment

圖10 管片接縫張開對比Fig.10 Comparison of segment seam opening

圖11 管片內部錯臺量對比Fig.11 Comparison of internal misalignment of segment

圖12 隧道管片損傷變形云圖Fig.12 Damage and deformation cloud map of tunnel segments

3 結論

(1)在地面堆載作用下，豎向變形最大處位于堆載位置正下方的拱頂處；隧道最大水平位移發生在荷載作用位置正下方管片的左右拱腰處，并且左右拱腰同時產生向外的水平位移。

(2)隧道豎向收斂、水平擴張、接縫張開、錯臺量以及隧道結構損傷最大值位于堆載正下方的隧道管片區域。當堆載中心在隧道正上方時，隧道下臥軟土層時隧道變形量最大(隧道豎向收斂最大值為33.35 mm，水平擴張最大值為33.28 mm，接縫張開最大值為3.83 mm，錯臺量最大值為6.17 mm，隧道結構損傷因子為0.97)，其次是隧道穿越軟土層時(隧道豎向收斂最大值為30.03 mm，水平擴張最大值為27.87 mm，接縫張開最大值為3.69 mm，錯臺量最大值為7.88 mm，隧道結構損傷因子為0.86)，隧道上覆軟土層時對隧道豎向變形影響最小(隧道豎向收斂最大值為14.74 mm,水平擴張最大值為13.87 mm，接縫張開最大值為1.70 mm，錯臺量最大值為3.36 mm，隧道結構損傷因子為0.82)。

(3)流塑性軟土具有含水量高、壓縮性高、抗剪強度低的特點，對比土層力學參數，流塑性軟土的彈性模量小于其他土體。因此可知彈性模量對隧道結構變形影響較大，且隧道下臥土層的彈性模量對隧道結構變形影響最大，且彈性模量越小，結構變形越明顯。