李 陽

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）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(yùn)營安全。故須對此問題進(jìn)行詳細(xì)地分析，以確保運(yùn)營結(jié)構(gòu)的安全。

一個(gè)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(dá)到等荷載置換的目的。本文基于工程實(shí)踐，研究在既有地鐵盾構(gòu)隧道上方填筑路基時(shí)，采用輕質(zhì)路基填料情況下，結(jié)合理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，分析填筑路基挖方時(shí)的卸載與填方時(shí)的加載對地鐵隧道的作用機(jī)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(xiàng)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(jìn)行改造。通過對W3上匝道縱斷面線形的調(diào)整實(shí)現(xiàn)匝道南移，根據(jù)改造方案，在道路落地點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)段埋深18.5m，見圖1、圖2。

圖1 本項(xiàng)目與地鐵4號線位置示意圖

圖2 本項(xiàng)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(jì)采用先超挖卸載再回填泡沫混凝土填方的設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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(jì)。附加荷載計(jì)算如下（每延米）：

為了活化學(xué)習(xí)形式，提升學(xué)習(xí)效果，集團(tuán)廣泛開展了社會宣傳。各地在主要公路沿線、交通要道路口通過擎天柱廣告牌進(jìn)行宣傳，在各辦公場所、學(xué)校、廣場、主要街道，利用條幅、標(biāo)語、電子屏、宣傳欄等媒介廣泛宣傳，實(shí)現(xiàn)了宣傳全面覆蓋。集團(tuán)（總局）黨委還舉辦了“學(xué)習(xí)總書記講話 推進(jìn)農(nóng)墾改革 打造農(nóng)業(yè)航母”知識競賽，9個(gè)管理局和20多個(gè)直屬企事業(yè)單位踴躍參賽，參賽隊(duì)員具有廣泛的代表性，涵蓋了管理局、農(nóng)場、管理區(qū)等不同層次和不同年齡。采取筆試、口試相結(jié)合的方式，并通過網(wǎng)絡(luò)和電視傳播，取得了很好的學(xué)習(xí)宣傳效果。

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(jì)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(jì)算軟件，采用平面應(yīng)變二維模型，為消除邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算模型平面尺寸取為70m（水平向）×50m（豎向）；模型深度按實(shí)際土層劃分，取到第7號土層，深度達(dá)到70m；隧道采用板單元模擬?？紤]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(jìn)行加密，并向遠(yuǎn)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(shí)際土層物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合研究目的，結(jié)合地勘單位給出的實(shí)際地層參數(shù)，得到土層彈性模量或回彈模量，其它地勘報(bào)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(xiàng)目的土層參數(shù)及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值。考慮堆載固結(jié)時(shí)，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(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 主梁渦振性能

表1 計(jì)算采用的地層參數(shù)

本次分析共分成如下幾個(gè)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(shí)間為30d；（4）填筑路基，路基施工時(shí)間為30d；（5）固結(jié)計(jì)算，考慮固結(jié)時(shí)間為10a（3650d）。

3 施工期地層及隧道位移分析

根據(jù)計(jì)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(dá)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(shí)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(shí)，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(shí)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(fù)孔隙水壓力，由于卸載出現(xiàn)在隧道左側(cè)地面，負(fù)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(fù)孔壓最大的位置位于B點(diǎn)（距開挖面較近處的隧道側(cè)面），達(dá)到7kPa，負(fù)孔壓最小的位置位于D點(diǎn)（距開挖面較遠(yuǎn)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(fù)孔隙水壓力急劇減小，到60d堆載結(jié)束時(shí)，負(fù)孔壓最大的B點(diǎn)剩余1.5kPa，減小約78.5%；A點(diǎn)負(fù)孔壓剩余值約1kPa，減小約83.6%；C、D兩點(diǎn)負(fù)孔壓消散約84.5%。

從圖中還可以看出，超靜負(fù)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(shí)，由于加載作用的影響下沉，但在完工后，隨著超靜負(fù)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(diǎn)為例，在地面挖方卸載時(shí)，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(fù)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(jìn)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(yùn)營的要求。

（2）路基填挖方施工在隧道周圍產(chǎn)生的超靜負(fù)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(yùn)營隧道上方進(jìn)行填筑路基等需要加荷施工時(shí)，首先挖方卸載再換填輕質(zhì)材料的方案是可行的，對運(yùn)營隧道的影響較小。