黃大維，周順華，馮青松，雷曉燕，劉 鋼

(1.華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.西華大學 土木建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610039)

盾構隧道施工完成后，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)盾構隧道在地表超載(盾構隧道施工完成后進行地面堆土、堆放材料設備或其他工程活動導致的荷載)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)間盾構隧道頂部最大埋深約為16.6 m，區(qū)間按深埋隧道設計，若按現(xiàn)有計算理論分析，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，隧道結構內側腰部縱縫處混凝土開裂破損，結構滲漏水明顯(圖1(c))，隧道結構的水平向直徑差最大可達194 mm，豎向直徑差最大可達147 mm，隧道變形明顯大于對盾構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 盾構隧道結構病害

考慮地表超載時，文獻[7](現(xiàn)有分析計算理論)建議將地表超載換算為隧道施工前相應厚度的上覆土層或地表均布超載，對于軟土地層中的盾構隧道，若不考慮地層的土拱效應，則地表超載導致的隧道附加豎向土壓力直接取為上覆土重(按土柱理論進行計算)。文獻[4]采用室內模擬試驗和數(shù)值仿真，定性分析地表超載對既有盾構隧道的影響。文獻[5]采用數(shù)值仿真方法分析地表超載、側土壓力系數(shù)和土體抗力系數(shù)對既有盾構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隧道變形的影響，但盾構隧道作為地下結構，其變形與周圍土壓力變化有關，而土壓力的變化與隧道和地層的相互作用有關[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)生變形超限的機理。

本文分析并總結現(xiàn)有地表超載對既有盾構隧道影響相關理論中的實質性問題，依托1∶10室內模型試驗測試結果，闡明地表超載導致既有盾構隧道變形超限的機理。在試驗的基礎上分析地表超載作用下既有盾構隧道與地層的相互作用，找出地表超載對盾構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隧道的影響

關于盾構隧道的土壓力問題，現(xiàn)有研究主要集中在完成掘進施工后的盾構隧道土壓力計算。當盾構施工引起地層損失時，地表發(fā)生沉降，此時隧道正上方的土體相對其兩側土體發(fā)生向下位移，受到其兩側土體的向上剪力(圖2(a))，導致盾構隧道頂部的豎向土壓力小于土柱理論土壓力。從現(xiàn)有的相關模型試驗與現(xiàn)場實測的研究成果[10-15]分析可知，盾構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，如土艙壓力設置、同步注漿材料與注漿工藝等，同時隧道上覆土層之間的剪力還受到土體力學性能的影響，因此難以準確計算盾構隧道掘進施工完成后的土壓力[16-17]。盾構隧道在正常掘進施工狀態(tài)下，現(xiàn)有的土壓力計算公式均屬于半經(jīng)驗半理論公式[18-21]。

(a)盾構隧道掘進施工狀態(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，當既有盾構隧道的豎向壓縮量小于隧道兩側穿越土層的豎向壓縮量時，將導致隧道上部土體承受其兩側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隧道的影響方式不同，因此有必要對地表超載作用對盾構隧道的影響問題進行單獨考慮，不與施工前隧道上覆土產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力，對應的剪切應力面表示存在剪應力傳遞趨勢。

分析地表超載對軟土地區(qū)既有盾構隧道的影響時，通常將地表均布超載換算為相應厚度的上覆土[22-23]或者按彈性理論計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地層(不存在盾構隧道的地層，盾構存在時對應的空間由其穿越土層的土體填充，如圖3(a)所示)。然而，區(qū)間盾構隧道屬于細長結構，從平面應變角度來看，盾構隧道結構為以彎曲變形為主的曲梁結構，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，圖3(b)中的盾構隧道外邊界周圍土體的位移與圖3(a)盾構隧道外邊界對應的土體位移明顯不同(圖3(a)中盾構隧道外邊界對應的土體是指將圖3(b)的盾構隧道外邊界對應到圖3(a)中，取對應空間位置的土體)。由此可見，現(xiàn)有理論在分析地表超載作用下既有盾構隧道的附加土壓力時，將存在盾構隧道的地層視為完全土質地層(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隧道周圍土壓力的影響，因此所得到的土壓力與實際不符。

(a)完全土質地層

(b)存在盾構隧道的地層

圖3 兩種地層比較

2 模型試驗及實測結果分析

2.1 模型試驗簡介

模型隧道對應的原型隧道為上海通縫拼裝地鐵盾構隧道，室內模型試驗以幾何相似常數(shù)Cl=10(對應的幾何相似比為1∶10)和容重相似常數(shù)Cγ=1作為相似設計基本量。根據(jù)模型試驗相似基本定理，按照彈性力學方法推導得到模型試驗各物理量的相似常數(shù)。模型試驗設計與試驗方法在文獻[26]中有詳細說明。模型試驗所用的模型土有3種，分別為細砂、橡膠粒及細砂與橡膠粒的混合土，壓縮模量分別為2.65、0.35、0.85 MPa，對應原型土的壓縮模量為26.5、3.5、8.5 MPa[26]。

結合試驗目的，設計兩個模型試驗，隧道穿越土層分別為橡膠粒、橡膠粒與細砂的混合土，編號依次為1、2。模型試驗時，在隧道下臥土層中先鋪一層厚度約為0.5D的細砂，再將模型隧道吊入模型槽內，隨后逐層填筑，每層厚度約為0.25D。試驗時分別對土層沉降、土壓力及隧道的變形進行測試。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系讀出，土壓力盒布設位置如圖4所示，位移傳感器布設在模型隧道的中間管片環(huán)內(模型隧道共有9個管片環(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，沉降取負值)的土體沉降。從圖5可以看出，1、2號試驗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

(b)2號模型試驗

(a)1號模型試驗

(b)2號模型試驗

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，兩側土體沉降量小。端部土體沉降時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為覆土厚度不同時隧道頂部(土壓力盒布設如圖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，按土柱理論計算，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，同時其側部的豎向土壓力越小。

(a)1號模型試驗

(b)2號模型試驗

圖7 不同上覆土厚度時隧道頂部位置的豎向土壓力

圖8為隧道側部的豎向土壓力(土壓力盒布設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，按土柱理論計算隧道側部的豎向土壓力，1、2號試驗隧道側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算值小了13.6、6.8 kPa。結合圖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，隧道側部的豎向土壓力越小。

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

(a)1號模型試驗

(b)2號模型試驗

圖8 不同上覆土厚度時隧道側部位置的豎向土壓力

2.4 隧道結構變形分析

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°測點的位移差，豎向變形為0°與180°測點的位移差(隧道頂部為0°，角度順時針方向增加)。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中的水平坐標為隧道頂部的覆土厚度，水平坐標為負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，隧道穿越土層的壓縮模量越小，隧道結構的變形越大。

圖9 不同上覆土層厚度時隧道結構變形

圖10為隧道90°位置實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號試驗要小于2號試驗，即隧道穿越土層越軟弱，隧道側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

由盾構隧道的土壓力計算理論可知，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的側向水平地層壓力(即：σh=λσv，σh為側向水平地層壓力；λ為側壓力系數(shù)；σv為豎向土壓力)，另一部分是隧道發(fā)生橫橢圓變形時對土體水平向擠壓導致的側向地層抗力(即：P=ky，P為側向地層抗力；k為水平抗力系數(shù)；y為隧道在相應位置對側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測結果可知，隧道穿越土層越軟弱，地表超載時因隧道分擔上部堆載導致的豎向荷載越大，則隧道側部一定范圍內的土體分擔上部堆載導致的豎向荷載越小，如圖10(b)所示，對應的側向水平地層壓力也越小。此外，隧道穿越土層越軟弱，對應水平抗力系數(shù)k也越小[27-28]，即在相同的水平收斂變形下產生的側向地層抗力也越小，因此，盡管1號試驗的水平收斂變形最大(圖9)，但在90°位置的實測水平土壓力最小(圖10(a))，其原因既與90°位置的豎向土壓力較小有關(圖10(b))，同時還與隧道穿越土層的水平抗力系數(shù)k較小有關。由此可見，隧道穿越土層越軟弱，地表超載作用導致的隧道豎向土壓力越大，同時水平土壓力越小，豎向土壓力與水平土壓力差值越大，對隧道結構抵抗橫橢圓變形越不利。

3 地表超載過程中既有盾構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中隧道外邊界對應土體的位移進行比較，位移差為盾構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中隧道外邊界對應土體的附加土壓力進行比較，土壓力差為盾構隧道對周圍土體相對擠壓導致的土壓力。

因此，可認為地表超載作用下盾構隧道周圍土體附加土壓力可認為由兩部分組成：工況2中隧道外邊界對應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致的土壓力。附加土壓力采用地表荷載作用于完全土質地層時的應力傳遞理論進行計算，因此只需要求出盾構隧道對周圍土體相對擠壓導致的土壓力(盾構隧道與周圍地層的相互作用力)。

3.2 盾構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原點，基于盾構隧道的變形特性，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、后隧道外邊界對應土體的局部坐標放在一起，如圖12(b)所示。將圖12(a)與圖12(b)進行比較，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土體的比較可知，地表超載過程中，盾構隧道不僅對側部一定范圍內的土體形成水平向相對擠壓，也對底部與頂部一定范圍內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構變形(隧道結構剛度)有關，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。相對擠壓量確定時，在地表超載作用下，相對擠壓導致的土壓力與被擠壓土體的物理力學性能有關。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性能對隧道附加土壓力也有影響。此外，隧道結構的橫向剛度直接影響隧道結構的變形，進而影響隧道對周圍土體的相對擠壓，因此，隧道結構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隧道與周圍地層相對擠壓量的計算分析，這也是地表超載導致隧道周圍附加土壓力解析計算的關鍵。

4 結論

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

(2)從盾構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隧道的影響不同，有必要單獨考慮地表超載對既有盾構隧道的影響。

(3)提出兩狀態(tài)對比法分析地表超載作用下盾構隧道周圍的附加土壓力，且認為附加土壓力由兩部分組成：工況2中隧道外邊界對應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致的土壓力(盾構隧道與周圍地層的相互作用力)。

(4)地表超載作用下盾構隧道與地層的相互作用分析表明，超載導致既有盾構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性能有關，也與盾構隧道的橫向剛度有關。