軟、硬地層中局部堆載對隧道橫向變形影響的試驗研究

梁發云，方衍其，袁 強，李家平

（1.同濟大學土木工程學院，上海200092；2.上海申通地鐵集團有限公司，上海200070）

隨著城市地鐵建設規模的不斷擴大，各類鄰近軌道交通的工程活動愈加常見，地鐵隧道臨近區域內發生的突發堆載工況也愈加頻繁。僅2014年，上海地鐵沿線突發堆土便多達16次［1］。因地表超載而導致的地鐵隧道安全事故也頻頻見諸報道。2008年，上海某地鐵盾構隧道因突發地面堆土而發生嚴重滲漏水及結構損傷，部分襯砌環甚至出現混凝土塊狀脫落及螺栓斷裂等現象［1］；2010年，因地表施工傾土而導致上海某地鐵隧道在比設計值高6倍的超載下持續運營，并最終導致其水平收斂外徑比ΔD/Dt（Dt為隧道外徑）高達35.7‰，出現大范圍螺栓屈服和漏水現象［2］；2018年，因地表突發6 m超量堆土，某盾構隧道發生最高達27.98 mm的異常沉降，以及累計102處濕漬與14處明顯錯臺［3］。地表堆載作用下，土體應力場發生改變，破壞了盾構隧道原有的平衡狀態，致其出現橫向變形，嚴重時會引發接縫超張、管片開裂和螺栓失效等病害，繼而導致大面積滲漏水，威脅隧道的正常運營［4-5］。

文獻［6-7］對超載工況下不同結構類型的盾構隧道開展了承載能力足尺模型試驗，其結果可為隧道結構設計提供一定參考，但試驗中用千斤頂等效代替隧道周圍土體的荷載效應，沒有反映土-結構相互作用。隧道周圍土層性質對隧道的受力性能有較大影響，Cui等［8］考慮土與隧道結構相互作用，采用室內平面應變試驗研究了水土壓力對隧道的橫向變形的影響。Atkison等［9］采用模型試驗研究無粘性土中隧道的穩定性，獲取了地表大面積均布堆載下隧道襯砌結構的內力分布形式。Yang等［10］研究了土體黏聚力、內摩擦角等因素對大面積堆載作用下隧道穩定性的影響。黃大維等［11］借助幾何相似比為1：10的縮尺模型，通過開槽法模擬管片接頭處剛度折減，研究了軟、硬地層中既有隧道在大面積堆載作用下的變形及外表面土壓力變化特征。張明告等［12］基于有限元法研究了大面積超載作用下隧道穿越與上覆土層性質對隧道周圍土壓力與結構變形的影響。Huang等［13］研究了地表超載工況下隧道襯砌結構的彈性變形模式。Yamamoto等［14］研究了地表超載時黏性土層中雙方形隧道的穩定性。以上研究主要基于大面積超載情況，然而實際工程中突發堆土的面積較為有限，主要呈局部堆載作用。Huang等［15］研究了軟土隧道在不同堆載條件下的變形響應，并指出應盡可能避免偏心局部堆載，但未進行深入研究。吳慶等［16］通過室內縮尺模型試驗總結了堆載位置和隧道埋深對盾構隧道橫向變形性能影響的規律。孫華圣等［17］在此基礎上用有限元進一步定量研究了堆載大小、位置和隧道埋深隧道變形的影響。

局部堆載更能反映工程突發堆土狀況，同時周圍地層特性對隧道受力與變形的影響也不可忽視。然而目前綜合考慮軟、硬地層條件和局部堆載對隧道影響的研究較少。本文基于室內縮尺模型試驗，研究了不同堆載位置和隧道穿越土層性質下堆載對淺埋地鐵盾構隧道的影響。試驗過程中測量了隧道的橢圓度、接頭張開量及隧道外表面附加土壓力的變化情況，揭示了局部堆載作用下隧道的變形機理，從而為后續研究和工程實踐提供依據。

1 試驗方案

1.1 模型隧道設計

本試驗所用模型盾構隧道以幾何相似常數Cl=10、重力加速度相似常數Cg=1以及彈性模量相似常數CE=10進行設計［11］。原型盾構隧道為圖1所示的某地鐵隧道，隧道用通縫拼裝，外徑為8 000 mm，管片厚度為300 mm，共分5塊，管片幅寬為2 000 mm，以C50混凝土澆筑，彈性模量為30 GPa；管片相接處共設6個縱向接頭，每個接頭均由2根彈性模量為206 GPa的M48環向螺栓連接。

根據幾何相似比，計算得模型盾構隧道的外徑為800 mm，厚度為30 mm，內徑為740 mm，寬度為200 mm。管片單元的分塊數量以及位置與原型一致，共由1個封頂管片（圓心角為22.5°）和5個標準管片（圓心角為67.5°）組成，管片用彈性模量3 GPa的有機玻璃加工而成。管片塊與塊之間設置橡膠件以模擬縱向接縫，并通過模型螺栓將6塊管片拼裝連成整環，在管片和橡膠件上均預先設置有螺栓孔。

橡膠件等效設計方面：文獻［18］的研究表明，原型隧道管片接頭抗彎試驗測得原型接頭抗彎剛度為16.63 kN·m·rad-1，根據抗彎剛度相似條件，試驗采用幾何尺寸為200 mm×30 mm×5 mm，硬度為邵氏硬度55度的橡膠片模擬接頭，其抗彎剛度為1.6 N·m·rad-1。螺栓等效設計方面：原型螺栓彈性模量為206 000 MPa，直徑為48 mm，試驗中模型螺栓采用304合金剛制作，其彈性模量為194 000 MPa，根據抗拉剛度相似原則［18-19］可計算得所需螺栓斷面直徑為4.9 mm，因此試驗采用兩根M5螺栓進行管片拼裝。

1.2 模型土配制

黃大維等［20］通過研究指出，在彈性范圍內設計模型試驗時，模型土的壓縮模量需要盡可能滿足相似關系，而粘聚力與內摩擦角可不滿足相似條件。此外，由于本試驗主要研究地表局部堆載下隧道的變形特性，因此土體重度可不必滿足嚴格的相似原則［20］。據此，試驗共配制兩種模型土，分別為砂土（細砂）和鋸末土（細砂+鋸末），用于模擬不同土層條件，兩者密度分別為1 400和860 kg·m-3，內摩擦角分別為35°和30°。土體壓縮模量以壓力為10～20 kPa時對應的壓縮模量為準，模型中細砂和鋸末土分別為2.65和0.85 MPa，相應的原型土壓縮模量為26.5和8.5 MPa，分別對應于砂土層和軟土層（下同）。

1.3 試驗工況設計

本次試驗是在同濟大學嘉定校區土木工程防災國家重點實驗室的大型土箱中完成，土箱尺寸為4 m長、3 m寬、2 m高。試驗模型如圖2所示，外部土箱用型鋼加工而成，內壁貼橡膠膜。試驗中先鋪設厚度為0.5Dt（Dt為隧道外徑）的細砂作為隧道下臥層，再將隧道模型吊裝入模型槽內，隨后采用質量控制法［11］逐層填筑厚為0.25Dt的土層，并按要求壓實［11］，每加完一層土后靜置24 h，以使變形穩定。填土至預設高度后，在預定位置放置鐵塊，用于模擬地表局部堆載。每次試驗分兩級加載，每級堆載為2 t重的鐵塊，鐵塊底邊尺寸為1.2 m×1.2 m，每級加載量為p=14 kPa，總堆載量值為p=28 kPa，可模擬常見的2 m高左右突發堆土。第一級堆載結束后靜置0.5 h，進行第二級堆載，再次靜置0.5 h后卸載。

為探究隧道所處地層條件對的影響，設計了圖3所示兩種不同土層分布條件的模型試驗，分別模擬隧道穿越砂土和穿越軟土，兩者分別記為地層1和地層2。為探究地表局部堆載位置對盾構隧道的影響，按荷載與隧道中軸線偏心距e的不同，共設置e=0，200和1 000 mm三種堆載形式，如圖4所示。試驗詳細工況見表1。

圖3 隧道穿越土層條件（單位：mm）Fig.3 Situation of tunnel passing through different soil layer(unit:mm)

1.4 傳感器設計

試驗過程中分別對管片收斂變形、管片接頭張開量及隧道外表面附加土壓力加以監測。通過測量管徑收斂變形可計算得隧道橢圓度，其監測方案如圖5a所示，分別在0°、45°、90°以及135°截面布置4個POM-HDQ20-50A電感式位移計，量程為50 mm，精度為0.5%；接頭張開量監測方案如圖5b所示，管片各接頭內、外表面均布置一個應變片，通過測量接頭內、外表面變形量可計算接頭張開角度；附加土壓力監測方案如圖5c所示，在管片外表面沿不同角度布置了7個BWM型（微型）土壓力傳感器，量程為0.02～20 MPa，準確度級別為0.2級。

為驗證試驗的可靠性，上述傳感器分別布置在荷載下方相鄰的A、B兩個管片上。圖6為隧道穿越砂土時，e為0、200和1 000 mm三組工況下A和B截面管徑收斂變化情況，由圖可知，兩管片環相同截面變形量的平均差值僅0.08 mm，說明本試驗制模和測試方法較為可靠。處理數據時，取兩管片環對應位置數據的平均值作為試驗代表值。此外，本試驗最終測得的隧道各項變形與力的數據均扣除回填土變形穩定后測得的初始值。

圖4 堆載偏心距條件（單位：mm）Fig.4 Eccentric distance of surcharge(unit:mm)

表1 試驗工況Tab.1 Test condition

圖5 傳感器布置Fig.5 Arrangement of sensors

圖6 A、B管片環變形對比Fig.6 Comparison of deformation of segment ring A and B

2 試驗結果分析

2.1 隧道橢圓度

表2所示為p=28 kPa時隧道管片各截面變形情況，正變形量表示監測截面向外部擴張，負變形量表示監測截面向內部收縮。由表可知，e=0時，隧道豎直截面向內收縮、水平截面向外擴張，收縮量與擴張量大致相當，斜截面的變形量較小，管片呈橫橢圓變形。此時砂土層隧道和軟土層隧道的水平收斂外徑比（ΔD/Dt）分別為6.76‰和15.98‰，大于Huang等［2］調查報道的正常值5.1‰。

表2 p=28 k Pa時隧道管徑收斂變形值Tab.2 Convergent deformation value of tunnel diameter at p=28 k Pa mm

通過橢圓度可以定量描述隧道管片變形程度，橢圓度T的計算方法為

式中：T為隧道橢圓度；a為隧道管片變形后長半軸長度；b為隧道管片變形后短半軸長度；Dt為隧道外徑。

試驗中，通過將加卸載后0°、45°、90°和135°的管徑收斂變形值與管片原始外徑相加，可計算得管片變形后各方向軸長，取其中最大值為長軸，最小值為短軸，可算得不同堆載位置和地層條件下隧道管片橢圓度的變化情況，如圖7所示。根據表2中數據可以計算得到不同堆載位置和地層條件下隧道管片橢圓度的變化情況，如圖7所示。砂土層和軟土層隧道最大橢圓度分別為12.5‰和31.8‰，大于《盾構法隧道施工與驗收規范》［21］規定的限值6‰。隨著堆載偏心距的增加，隧道橢圓度先迅速降低然后趨于平緩，p=28 kPa時，當e從0增加到200 mm，砂土層和軟土層隧道的橢圓度分別下降了7.4‰和23‰；當e從200 mm增加到1 000 mm，兩者的橢圓度又分別下降了3.2‰和5.4‰。此外，e=0、200和1 000 mm時，隧道變形后的長軸方向分別為90°（水平方向）、90°和45°（斜方向），說明堆載偏心距的增加還會導致隧道管片從橫橢圓變形逐漸發展為斜橢圓變形，實際工程中應注意調整監測與加固措施。

圖7 隧道橢圓度Fig.7 Ellipticity of tunnel

對比不同土層特性可發現，軟土層隧道的橢圓度普遍大于砂土層，其最大橢圓度為后者的2.5倍，原因是軟土可提供的抗力較小，地面堆載作用下隧道結構更容易變形［11］。此外，p=28 kPa時，當e從0依次增加到200和1 000 mm，砂土層隧道橢圓度相對于e=0時依次減小了59%和84%，而軟土層隧道橢圓度則依次減小了72%和89%，說明隧道周圍土層越軟，增大堆載偏心距能起到的保護效果越明顯。

分析加-卸載過程發現，卸載后隧道管片仍然有較大的殘余變形，此時管片橢圓度甚至大于p=14 kPa堆載下的橢圓度，說明局部堆載對隧道的不良影響難以在卸載后消除。通常來講，隧道截面的變形主要來自于兩個部分：①是管片結構自身的變形；②是管片接頭的錯臺變形［22］。堆載作用產生的附加荷載，不僅使得土層出現塑性變形，而且導致管片間的接頭也發生錯臺變形。兩種變形的耦合作用使得卸載后管片產生了不可恢復的殘余變形。因此應嚴格管理鄰近隧道各類工程活動，避免因突發局部堆載對隧道造成不可逆損傷。

2.2 接頭張開量

通過應變式位移計測量隧道接頭內、外表面的變形量，可以計算得各個接頭向外張開的角度（外張開量）。

圖8所示為不同堆載偏心距時砂土層隧道的接頭外張開量（正值表示向外張開，負值表示向內張開）。e=0時，各接頭張開角較為對稱，隧道肩部接頭向外張開，其余部位接頭則向內張開，肩部接頭（78.75°和281.25°）的外張開角與頂部接頭（11.25°和348.75°）的內張開角大致相等，同時上半部分接頭的變形量明顯大于下半部接頭，與王如路等［23］的數值模擬結果類似。隨著堆載偏心距增加，隧道接頭變形量逐漸減小。此外，e的增加導致了變形的不對稱性，e=0時變形主要發生在左右肩部接頭和頂部接頭，接頭變形較為對稱，而偏壓堆載時變形主要發生在荷載對側的肩部與頂部接頭，兩種情況下下隧道接頭的變形模式差別如圖9所示。

圖8 砂土層隧道接頭張開量Fig.8 Joint opening of tunnel in sandy soil

圖9 正上方堆載和偏心堆載時隧道接頭變形情況Fig.9 Deformation of tunnel joint under direct and eccentric loading

圖10 軟土層隧道接頭張開量Fig.10 Joint opening of tunnel in sawdust soil layer

圖10為軟土層隧道接頭的變形情況，由于變形較大，部分應變位移計遭到破壞，因此僅測得e=0和e=200 mm兩種工況下的部分接頭變形。對比圖8可知，軟土層隧道管片接頭的變形特征與砂土層隧道類似，但張開量更大。同時，卸載后接頭依然有一定的殘余變形量，說明本試驗中接頭變形同樣進入塑性發展階段。王如路等［23］通過數值模擬研究了正上方超載作用下隧道的收斂變形與接頭張開量間的關系。結果顯示，肩部接頭的張開量約為隧道收斂變形量的10%，本試驗中e=0時砂土層和軟土層隧道肩部接頭張開量分別為各自管片收斂最大變形量的4.4%和1.9%，與文獻［23］數值模擬結果有一定差異。

圖11 隧道結構外表面附加土壓力（單位：k Pa）Fig.11 Additional earth pressure on outer surface of tunnel structure(unit:k Pa)

2.3 土壓力

圖11所示為隧道外表面的附加土壓力分布情況。e=0時，砂土層隧道各方向附加應力分布相對均勻，而軟土層隧道附加應力主要集中于水平方向。原因有二：第一，收斂變形更大的軟土層隧道土拱效應發揮的程度更大，隧道頂部荷載重分布更明顯，因此頂部附加應力減小而水平向應力增大。第二，試驗中堆載產生的局部附加應力約為27 kPa，隧道上覆土層自重應力約為7 kPa，對比隧道結構實測附加應力可推測，隧道水平方向的附加應力不僅來自地表局部堆載，還來自水平變形時周圍地層對隧道結構的反作用力，而結合圖7可知，此時軟土層隧道的水平向收斂變形大致為砂土層隧道的2.4倍，因此前者的隧道水平附加應力更大。

堆載偏心距的增加會導致隧道表面的土壓力逐漸減小，以及土壓力分布情況的改變。為了定量描述土壓力向斜截面集中的情況，定義了斜截面土壓力集中系數F：

式中：S0，S45，S90，S135，S225，S270，S315分別表示0°、45°、90°、135°、225°、270°和315°截面的附加土壓力。

表3所示為加載過程中不同堆載偏心距和土層條件下F的變化情況，e相同時，p為14和28 kPa的F比較接近，說明局部堆載大小主要影響土壓力的大小，而基本不影響土壓力分布情況。p=28 kPa時，隨著e從0增加到1 000 mm，砂土層隧道的F從1.05增加到2.91，軟土層隧道的F從1.55增加到3.06，說明堆載偏心距的增加會導致土壓力向荷載對側的隧道斜截面集中。對比不同土層類型可發現，當e=0和200 mm時，軟土層隧道的F普遍大于砂土層隧道，而e=1 000 mm時兩者的F較為接近，說明小偏心堆載條件下土層性質對隧道土壓力分布狀況的影響同樣不可忽略。

表3 隧道斜截面土壓力集中系數Tab.3 Additional earth pressure concentration factor of oblique section of tunnel

3 有限元模擬

3.1 有限元建模

基于商業有限元軟件ABAQUS，本文以模型試驗為參照建立了圖12所示的有限元模型，模型長、寬、高分別為4 000、3 000和1 700 mm。模型四周采用垂直于側邊的滑動約束以限制其水平位移，底部采用固定約束以限制其水平與豎直方向位移［17］。隧道材料采用線彈性模型，土體采用摩爾-庫倫彈塑性模型，材料屬性同第1.2節模型試驗的材料參數。土體采用八節點線性六面體單元模擬［24］，隧道管片基于修正慣用法簡化為等效均質圓環并采用八節點六面體單元模擬，隧道外表面與土體之間采用摩擦接觸。

圖12 有限元模型（單位：mm）Fig.12 Finite element model(unit:mm)

需要說明的是，本文研究對象為運營階段的盾構隧道受地表堆載作用下的受力變形特征，而在施工過程中，盾尾注漿層可視為管片結構的附屬部分，相比管片鋼筋混凝土結構而言，注漿層的厚度相對較小，對于管片結構剛度的影響也較小。因此，本文在有限元建模時，較為充分地參考了已有文獻對于類似問題的處理方法［15，17］。而通過忽略注漿層的影響，可以明顯提高有限元模擬的計算效率。

圖13所示為不同地層條件和堆載位置工況下有限元模擬結果與室內試驗的對比情況，由對比結果可知，本文采用的有限元建模方法是可靠有效的。

3.2 參數分析

采用試驗①（砂土層隧道，e=0，p=28 kPa）和試驗④（軟土層隧道，e=0，p=28 kPa）（表1）作為基本模型，通過改變荷載p的大小、堆載偏心距e以及隧道埋深h的量值，對堆載作用下隧道的變形進行參數分析。選用橢圓度T表征隧道整體變形程度，如圖14a所示，隧道變形后橢圓度隨荷載值的增大而近似呈線性增長，相同荷載下軟土層隧道的橢圓度大于砂土層隧道。圖14b所示為堆載偏心距和隧道埋深對隧道變形響應的影響，隨著堆載偏心距增大，隧道橢圓度顯著減小。然而，埋深較大的隧道在受荷后仍發生較大變形，進一步說明地表突發堆載對隧道運營安全的較大威脅，隧道維保工作中應對這一風險源引起足夠高的重視。

綜上所述，軟土地區地鐵隧道運營過程中應警惕各類突發地表堆載，若確需堆土，則應盡可能避免隧道正上方超量局部堆載，做到“預防為主、少堆遠堆、提前保護、實時監控”。

圖13 有限元與試驗結果對比Fig.13 Comparison of finite element method and experimental results

圖14 參數分析Fig.14 Parameter analysis

4 結論

本文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，通過控制堆載偏心距和隧道穿越土層壓縮模量的變化，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，主要結論如下：

（1）隨著堆載偏心距的增加，隧道橢圓度先迅速下降然后趨于平緩，并且從橫橢圓變形逐漸轉變為斜橢圓變形。軟土層隧道的橢圓度比砂土層隧道更大，并且增加堆載偏心距后軟土層隧道橢圓度的減小比砂土層隧道更明顯。

（2）增加堆載偏心距可以減小隧道接頭變形量，正上方堆載時變形主要發生在隧道左右肩部與頂部接頭，且較為對稱，偏壓堆載時變形主要發生在荷載對側的肩部與頂部接頭。軟土層隧道接頭的變形量比砂土層隧道更大。

（3）堆載作用下硬土層隧道附加土壓力分布相對均勻，而軟土層隧道附加土壓力主要集中于水平方向。隨著堆載偏心距增加，附加土壓力逐漸減小，且壓力主要集中點向荷載對側的斜截面轉移。地表突發局部堆載容易對隧道造成較大損傷，且這些損傷難以在卸載后恢復。

作者貢獻申明：

梁發云：提出研究課題，指導撰寫論文，審閱修訂論文；

方衍其：實施試驗研究，處理試驗數據，撰寫論文；

袁強：設計試驗方案，實施試驗研究；

李家平：提供研究思路和技術指導。