地面堆載對地鐵隧道結構的影響

趙騰云,牛瑞鵬，王小鵬

（中冀建勘集團有限公司，河北 石家莊 050200）

1 概述

隨著社會經濟的迅速發展，城市交通擁堵現象嚴重，地鐵因其便利、快速、載客量大的特點，有效地緩解城市交通的壓力，逐漸成為城市公共交通的首選。由于城市土體資源有限，越來越多的高層建筑修建在地鐵旁，基坑施工出來的土體常常堆載在地鐵沿線上方，對地鐵結構產生不利的影響，甚至危害地鐵的安全。

針對上方地面堆載對地鐵隧道的影響問題，眾多學者開展了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。戴宏偉等[1]通過有限元軟件建立地面堆載下的隧道結構的三維模型，研究了地面新荷載對臨近地鐵隧道的變形影響。房營光等[2]利用數值手段，分析了地面堆載對淺埋隧道圍巖的影響，著重分析了圍巖粘彈性應力和變形規律。李春良等[3]ABAQUS軟件，建立盾構隧道上方堆載模型，研究了地面荷載作用盾構隧道縱向力學行為。陸文超[4]利用復變函數法，獲得了地面荷載下淺埋隧道圍巖響應的解析解，并重點分析了對圍巖應力的影響。王濤等[5]建立三維模型，研究了大面積加載對盾構隧道的影響，總結了盾構隧道的變形規律。吳慶[6]通過現場監測和數值模擬相結合的方法，研究了地面堆載對既有盾構隧道結構的影響，對敏感參數進行了系統分析。

本文以某地鐵工程為背景，利用有限元軟件，建立了上方堆載隧道模型，研究了地面堆載對地鐵隧道的影響，揭示了隧道整體和隧道管片的變形規律。通過數值結果與現成監測結果對比，驗證了所建立模型的合理性。

2 工程概況

某城市地鐵為主城區連接副城區的主要干線。監理單位在2011年發現臨近開發地塊將大量廢土堆積在地鐵某區間。地表土體堆載與既有隧道位置剖面圖如圖1所示。上方堆積土體高度約為6m，總面積達到了近2200mm2。該區間隧道外徑為6.2m，隧道中心線距地表為10.6m。區間隧道主要處于砂質粉土土層。隧道采用6塊管片環向錯縫拼裝而成。

圖1 橫斷面示意圖

因為擔心上方堆載對隧道結構的安全影響，工作人員到隧道內部對隧道管片進行檢測，發現部分管片產生了裂縫。為進一步保證安全，地鐵運營單位安排人員實時監測隧道沉降，監測區間長度150m，共布設30個監測斷面。

3 有限元模型的建立

依據實際工程背景和監測實況，建立三維模型尺寸為150m（長）×70m（寬）×40m（高），隧道外徑為6.2m，管片厚度為0.7m，管片長度1.2m，數值模型剖面圖如圖2所示。為簡化模擬過程提高運算效率，將拼接后的管片簡化為均質圓環，環向等效剛度系數設置為0.7。管片采用彈性模型。隧道結構參數分別見表1。將地面堆載的土體簡化為梯形荷載添加至地表，根據現場堆載土體實況，等效后的荷載q0為110kPa。根據現場勘探報告，土體本構選擇摩爾庫倫模型，土體物理力學參數見表2。

表1 隧道結構參數

表2 土層物理力學參數

4 數值計算結果分析

由于計算模型是對稱的，因此可取模型一半的計算結果進行分析。圖3(a)給出了隧道豎向變形的云圖。從圖3中可以看出，隧道整體變形可以分為兩段：區域Ⅰ和區域Ⅱ。區域Ⅰ為基本不受堆載影響的區域，區域Ⅱ為受堆載影響顯著的區域。進一步觀察區域Ⅱ可以發現，區域Ⅱ中地鐵隧道的不均勻變形近似高斯曲線，過大的變形造成了管片之間存在張開和錯臺的現象，接頭處的錯臺現象最為顯著。在距離模型端部約40m的地方出現了隧道變形曲線的反彎點。

圖3(b)給出了隧道變形的數值結果和監測結果對比曲線。如圖3(b)所示，數值模擬結果的隧道變形規律與監測結果的變形規律基本一致。從圖中還可以看出，地面堆載對隧道頂部的影響比隧道底部的影響更為顯著。這是因為隧道頂部離地表更近。隧道頂部沉降峰值接近25mm，遠大于規范規定的20mm限值。

圖3 隧道豎向變形結果

圖4給出了隧道每環管片橢圓度沿隧道進深的變化曲線。如圖4所示，在區域Ⅰ內，地面堆載對隧道管片橢圓度幾乎無影響。在區域Ⅱ內，隧道管片橢圓度沿著隧道縱向迅速增大，直至地面堆載中心處趨于穩定達到峰值，橢圓度曲線依舊近似高斯分布。進一步觀察可以看出，由于受地面堆載的影響，整個區間隧道的橢圓度從0.35‰增大至2.22‰，增大了近5.5倍。地面堆載正下方的隧道管片應力受影響最為顯著，因此對該部位的管片變形及受力監測和分析十分必要。

圖4 隧道豎向變形結果

通過分析隧道不均勻變形可以看出，由于受地面堆載的影響，區域Ⅱ內環縫接頭部分張開和錯開現象顯著，管片應力也很大，因此接下著重分析該區域的環縫接頭變形及管片受力。

通過上述對隧道變形分析中可以看出，區域Ⅱ內的環縫接頭出現較大的錯臺和張開現象，并且區域Ⅱ內錯臺現象比張開現象更為顯著，因此接下來著重分析錯臺影響。沿隧道進深方向的隧道錯臺曲線如圖5(a)所示。圖5(a)中可以看出，由于地面堆載對區域Ⅰ的影響很小，因此該區域內隧道錯臺幾乎為0。進一步觀察發現，隧道錯臺在區域Ⅱ內的曲線分布接近高斯分布，在距離隧道端部約41m處發生隧道最大錯臺，對比圖3(a)可以發現，錯臺峰值發生的位置與隧道變形曲線的反彎點位置基本一致。由于地面堆載的影響，隧道拱腰處會發生側向錯臺，圖5(b)隧道拱腰處側向錯臺分布曲線。對比圖5(a)和5(b)可以發現，隧道拱腰處側向錯臺分布規律與豎向錯臺分布規律一致，拱腰處側向錯臺峰值發生的位置同樣是在隧道變形曲線的反彎點位置，側向錯臺峰值約為0.79mm。相較于隧道拱頂處只有豎向錯臺，拱腰處即存在側向錯臺，也存在豎向錯臺，分別為0.76mm和0.79mm。因此，拱腰處的總錯臺值為1.09mm，與拱頂處的錯臺值一樣。可見，隧道變形曲線的反彎點位置處的隧道拱頂和拱腰處的變形最為顯著，是導致隧道防水失效的重要位置。

圖5 隧道錯臺分布曲線

5 結論

本文以某地鐵工程為背景，利用有限元軟件，建立了三維數值模型，研究了地面堆載對地鐵隧道的影響，揭示了隧道整體和隧道管片的變形規律。主要獲得以下幾個結論：

（1）通過數值結果與現成監測結果對比，驗證了所建立模型的合理性。隧道整體可分為基本不受堆載影響的區域Ⅰ和受堆載影響顯著的區域Ⅱ。區域Ⅱ內環縫接頭部分張開和錯開現象顯著，管片應力也很大；

（2）區域Ⅱ中地鐵隧道的不均勻變形近似高斯曲線，在距離模型端部約40m的地方出現了隧道變形曲線的反彎點；

（3）拱腰處側向錯臺峰值和拱頂處豎向錯臺峰值的發的位置相同，均在隧道變形曲線的反彎點位置。隧道變形曲線的反彎點位置處的隧道拱頂和拱腰處的變形最為顯著，是導致隧道防水失效的重要位置。