列车荷载作用下深厚饱和软土盾构隧道沉降分析

宁茂权

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

列车荷载作用下深厚饱和软土盾构隧道沉降分析

宁茂权

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

软土地层盾构隧道运营期沉降一直是工程界关注的重点问题。结合工程实例，采用不排水循环累积变形理论、循环三轴试验参数和简化动力有限元及分层总和法，分析深厚软土地层盾构隧道在运营期列车荷载作用下沉降响应。分析成果表明，隧道埋深越浅、隧底软土地层越厚，则运营期沉降越大；就沉降速率来看，隧道在运营期最大沉降速率将在隧道运营后的初期出现，且地层越差，沉降量越大，沉降速率越小，沉降稳定时间越长；采取一定沉降控制措施后，深厚软土地层盾构隧道在运营期列车循环荷载作用下的沉降是可控的。针对本项目的特点，结合分析成果，合理确定深厚软土地层盾构隧道沉降控制措施。

盾构隧道；深厚饱和软土；循环累积变形；循环三轴试验；简化动力有限元；分层总和法；列车荷载；运营期沉降

目前，国内外对盾构隧道施工期引起地面沉降的研究较多，但对运营期列车振动沉降研究的少，主要研究方法有：双曲线模型[3]、多元线性回归分析[4]、时间序列法[5]、神经网络法[6]、理论方法[7]、数值分析方法[8-11]、离心模型试验[12]等。其中，由于双曲线模型、多元线性回归分析、时间序列法、神经网络法、理论方法等需要大量的实测数据，在缺少经验数据的地区无法应用这些方法进行沉降分析，且隧道运营期沉降情况复杂，以上有待进一步研究和完善。黄茂松、姚捷等采用不排水循环累积变形理论[13-14]研究了循环荷载作用下饱和软黏土盾构隧道沉降变形特性，其结果与实测数据较接近。因此，结合工程实例，利用饱和软黏土不排水循环累积变形理论[13-14]和动力循环三轴试验参数，建立有限元模型，分析列车荷载作用下深厚饱和软土地层盾构隧道的沉降响应，根据分析成果，制定沉降控制措施，以便为类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

温州市域铁路S2线(以下简称S2线)是温州市域铁路线网的重要组成部分，为东北-西南走向，北起沿海铁路雁荡山站，经乐清、龙湾至瑞安，全长91.4 km。设计标准为双线电气化、速度目标值140 km/h、市域动车组、2 min的追踪间距，具有城市轨道交通的客流特性和服务功能。

瓯江北口隧道为S2线的控制工程，位于瓯江出海口段灵昆岛—黄华镇间，受洪水与潮汐共同影响。过江隧道段采用盾构法修建，单洞双线带隔墙方案，盾构管片外径14.5 m，内径13.3 m，内衬厚0.25 m，线间距6.5 m，最小曲线半径一般地段1 100 m，最大坡度一般不大于20‰，困难地段不大于30‰。

2 工程地质与水文条件

2.1 深厚软土与软硬不均地层

隧址上覆地层为②淤泥(Q42m)，层厚30.8～41.8 m，工程性质极差。下卧地层主要为③1淤泥质黏土(Q41m)、③2黏土(Q41m)、⑨1含角砾黏性土(Q3el-dl)。

隧道穿越的地层主要为②2淤泥、③1淤泥质黏土、③2黏土，局部为⑨1含角砾黏性土。隧道下卧地层主要为③1淤泥质黏土、③2黏土，局部为②2淤泥和⑨1含角砾黏性土，即存在下卧地层软硬不均、软弱地层厚度不均问题。

2.2 潮差大、水压高

瓯江属感潮型河流，水位受潮汐影响大，变化幅度大。百年高潮位5.32 m，低潮位-3.46 m，潮差8.78 m，历年最大潮差7.26 m。作用在隧道上的最大水压达0.51 MPa。

3 沉降分析方法

隧道运营期的沉降特性取决于隧道结构、下卧地层的地质条件、列车荷载水平以及周边环境等因素。软弱地基的不排水累积变形产生的沉降与累积孔压消散产生的沉降随着运营时间的增长呈现出非线性增大的趋势，就沉降速率来看，隧道在运营期最大沉降速率预计发生在隧道运营后的初期，之后沉降速率逐渐减少。

3.1 沉降影响因素

运营期沉降主要影响因素有：

(1)原状地层的固结程度和施工扰动；

(2)列车振动引起周边地层抗剪强度和孔隙水压变化，使地层固结，造成隧道下沉；

(3)周边城市建设造成地层抗剪强度和孔隙水压变化，使地层固结，造成隧道下沉；

(4)盾构隧道结构对列车荷载的动力响应特性；

(5)盾构管片同步注浆体离析、收缩变形，形成空隙而引起地表沉降。

3.2 沉降分析方法

就地基沉降的理论预测方法而言，若直接采用动力有限元对饱和软黏土进行数十万次、甚至上百万次的瞬态动力加载进行长期沉降分析，无论是从现有的动力本构理论还是有限元数值分析的计算量都是不现实的。因此，目前最常用的理论方法是将附加应力和变形计算分开进行的。目前沉降分析主要有拟静力法和简化动力分析法。其中拟静力法是将列车荷载等效为作用在地基上的静力分布荷载，视地基为弹性介质，然后按照现有土力学分层总和法分析沉降量。对于饱和软土，采用拟静力法分析成果往往低估了列车荷载引起的地层沉降量。

简化动力分析法分析沉降时将地层视为黏弹性介质，利用有限元数值方法求得动应力，根据循环三轴试验研究成果，建立循环不排水条件下累积塑性应变模型和累积孔压模型，从而分别求得动荷载作用下累积应变和累计孔压。最后采用分层总和法计算出地基土体的长期沉降，并利用固结分析累计孔压的消散规律，得到运营期的固结沉降。

4 列车荷载作用下沉降数值分析

针对温州地区深厚饱和软土地层，借鉴上海地区软土地层隧道沉降研究成果[13]，采用简化动力分析法[14]进行沉降分析，即在循环三轴试验的基础上建模计算分析列车荷载作用下地基的动应力及其影响程度，包括动应力峰值、影响区域等。分析结果表明，饱和软土的变形主要由循环荷载作用下的不排水累积变形引起的沉降和土体中由于动荷载引起的孔压消散产生的固结沉降。

4.1 典型计算断面及模型

隧道断面布置如图1所示，盾构隧道地质纵断面如图2所示。选取里程为CSK49+895的隧道最低点和里程为CSK52+720的隧底软弱土层最厚处为代表性断面进行动力影响分析。其中隧道最低点处轨面埋深18.10 m、隧顶埋深9.05 m、隧底埋深23.55 m，隧道上覆②2淤泥，穿越③1淤泥质黏土和③2黏土，隧底下卧17.00 m厚④2黏土、22.00 m厚⑤3圆砾，其他为⑥3圆砾。

隧底软土最厚处轨面埋深17.05 m、隧顶埋深8.00 m、隧底埋深22.50 m，隧道上覆和穿越土层为②2淤泥，隧道下卧19.20 m厚③1淤泥质黏土、8.80 m厚③2黏土、6.00 m④2黏土、厚5.6 m⑤2黏土，其余为⑤3圆砾和⑥3圆砾。

采用三维实体单元有限元模型进行模拟分析，两侧各取90 m宽，上侧取自河床面，下侧取到⑤3圆砾地层，纵向取75 m，设置弹簧-阻尼边界。计算模型详见图3。各地层参数详见表1、表2。钢材弹性模量E=2×105MPa，泊松比=0.25，阻尼=2%；混凝土弹性模量E=3.5×104MPa，泊松比=0.167，阻尼5%；整体道床弹性模量E=3.15×104MPa，泊松比0.167，阻尼5%；轻集料混凝土弹性模量=2.3×104MPa，泊松比0.2，阻尼4%；各土层阻尼比10%。

图1 盾构隧道横断面(单位：mm)

图2 盾构隧道地质纵断面(单位：m)

图3 沉降分析三维计算模型

层号土层天然含水量(ω)/%天然孔隙比(e)重度/(kN/m3)液性指数(IL)水平渗透系数(Kh)/(×10-7cm/s)竖向渗透系数(Kv)/(×10-7cm/s)②2淤泥63.81.8116.11.403.612.94③1淤泥质黏土49.11.4217.01.106.876.00③2黏土45.91.3417.10.834.203.50④2黏土42.61.2417.50.775.004.35⑤3圆砾36.41.0817.90.62——

表2 主要土层力学指标

CSK49+895隧道最低点CSK52+720隧底软弱土层最厚断面盾构隧道结构断面

4.2 列车荷载响应分析

进行列车荷载作用下的动力学时程分析，取隧底不同深度处各点、全时域内的动应力峰值，进行统计处理后，进一步绘制包络线，比较影响范围及量值大小。列车时速为140 km的动荷载时程如图4所示。

4.3 计算结果

(1)典型位置动应力时程曲线

取隧底正下方0.5～17 m范围内各点的动应力时程曲线如图5所示，典型时步附加动应力云图如图6所示。由图可知，隧底响应较大。

图4 列车动荷载时程

图6 典型时步附加动应力云图

(2)影响区域

从该典型时步可见，对地层的影响区域主要为1倍洞径范围内，稍偏向加载一侧，且隧底处响应最明显。

(3)峰值动应力包络

图7 隧底竖向动应力包络图

隧底竖向动应力峰值包络值详见图7，分析成果可知，隧底动应力峰值在0～5 m范围内降低较快，在5～8 m降低稍慢，8 m以下又迅速下降，1倍洞径以下峰值降为隧底0.5 m处的50%左右。CSK49+895断面隧底0～5 m范围内竖向动应力峰值数值详见表3，该断面隧底上覆土厚度为32 m左右，按上覆土层的加权有效重度计算，有效竖向应力为220 kPa左右，附加动应力峰值与其相比是较小的，一般未超过6%。

表3 隧底竖向动应力数值

5 沉降与不均匀沉降处理措施

根据上面计算结果，本工程盾构隧道运营期沉降量为30～82 mm。鉴于江中段软弱地层分布较均匀，将在荷载作用下同时发生固结沉降，差异沉降量较小，且软土沉降速度较慢，沉降周期较长，因此，每年沉降量较小，地层固结沉降对区间隧道结构影响小。对隧道结构影响大的是不均匀沉降，主要位于北岸隧道接山体处、南岸出工作井地层加固地段和大坡度上岸段，因此，需要对该位置采取相应措施，以防不均匀沉降对隧道结构及运营产生的不利影响。结合工程特点、分析成果，选取具体措施如下。

(1)合理选择建设方案，避开不利地层

拟定隧道纵断面时，隧道结构底应避开②淤泥层，坐落在抗变形能力相对较好的地层上；横断面布置时尽量将轨面布设在距离隧底较远处，以利于列车荷载扩散，减小列车振动引起的沉降；增加结构自重，以减少列车振动对隧道结构和周边地层的动力响应。

(2)地层预加固处理措施

为了防止盾构隧道与工作井连接处可能产生的不均匀沉降过大，拟在工作井外设置15 m的地层加固，控制地基沉降和差异沉降，该段采用水泥土基底加固，按复合地基进行设计，以控制基底不均匀沉降量不超过1 mm/m。

(3)加强盾构隧道细部结构设计

为了防止在软弱地层发生过大不均匀沉降造成的不利影响，设计采用了加强盾构环横向刚度，即将管片厚度适当加厚和增加内衬结构，增加结构刚度和荷载扩散面，以改善底部结构受力，利于列车荷载的扩散。管片采用错缝拼装，以改善接缝处结构受力。

6 结论与建议

(1)根据分析成果，当隧道埋深越浅、隧底软土地层越厚，则运营期沉降越大。CSK49+895断面隧底下伏17.0 m④2层黏土，软黏土层厚最小，运营期累计沉降为30 mm；CSK52+720断面隧底下伏19.2 m③1层淤泥质黏土、8.8 m③2层黏土和6.0 m④2层黏土，软黏土层厚最大，达34.0 m，运营期累计沉降为82 mm。

(2)根据动力分析成果，就沉降速率来看，隧道在运营期最大沉降速率预计发生在隧道运营后的初期。其中隧底地层为③1淤泥质黏土层，则最大年沉降速率将接近于2 cm/年；当地层为③2层软黏土层，则最大年沉降速率为1.5 cm/年；当地层为④层黏土时，则最大年沉降速率将接近于0.5 cm/年。因此，拟定隧道纵断面时，隧底应避开淤泥层，尽量坐落在抗变形能力相对较好的地层上。

(3)由于土层蠕变性的差异较大，在运营期间沉降趋于最终稳定所需时间差异较大。其中④层土层的工后沉降主要发生在第1年；而③1淤泥质黏土和③2层软黏土则需要近20年沉降才趋于稳定。

(4)分析的运营期沉降均满足运营要求。但运营期最大沉降在本隧道结构的过渡段，达到82 mm，沉降量还是比较大，需要较长的过渡段，因此，施工阶段需重点关注。

(5)对沉降变化较大段选择建设方案，应首选避开不利软弱地层；其次考虑对地层变化较大处地层进行复合地基加固处理措施，以控制基底不均匀沉降量不超过1 mm/m；再次加强盾构隧道细部结构设计，以改善结构受力。

[1] Shirlaw J N.Observed and calculated pore pressure and deformations induced by an earth balance shield discussion[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1995，32(1)：181-189.

[2] Hurrell M R. The empirical prediction of long-term surface settlements above shield-driven tunnels in soil[C]∥Proceedings of the second International Conference of Ground Movements and Strctures. London:Pub. Pentech Press， 1984:161-170.

[3] Fang Y S，Lin S J，Lin J S. Time and settlement in EPB shield tunneling[J]. Tunnels and Tunnelling， 1993，25(11)：27-28.

[4] 罗筱波，周健.多元线性回归分析法计算顶管施工引起的地面沉降[J].岩土力学，2003,24(1):130-134.

[5] 魏刚，袁曦.盾构隧道地面长期沉降的时间序列预测[J].市政技术， 2008,26(4):317-319，322．

[6] 璩继立.盾构施工引起地面长期沉降研究[D].上海：同济大学，2002:113-144.

[7] 魏纲.盾构施工引起地面长期沉降的理论计算研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(S1)：2960-2966.

[8] 陈秋鑫，李俊才，刘光臣，等.盾构施工安全穿越禄口机场复合地层段的数值模拟与监测分析[J].铁道标准设计，2014，58(12)：94-98．

[9] 毛远凤，沈宇鹏，马建南，等.地铁盾构下穿高速公路的路面变形特征分析[J].铁道标准设计，2013(8)：84-88．

[10]Shin J H， Addenbooke T I， Potts D M. A numerical study of the effect of groundwater movement on long-term tunnel behaviour[J].Geotechnique， 2002，52(6)：391-403.

[11]张冬梅，黄宏伟，杨峻.衬砌局部渗流对软土隧道地表长期沉降的影响研究[J].岩土工程学报，2005，27(12)：1430-1436．

[12]马亮，高波.隧道施工地表沉降控制的离心模型试验[J].施工技术，2005，34(6)：6-8．

[13]黄茂松，李进军，李兴照.饱和软黏土的不排水循环累积变形特性[J].岩土工程学报，2006，28(7)：891-895．

[14]Yao Jie，Xiao Mingqing，Huang Dun.Study on vibration of Futian underground hub in Guangzhou-Shenzhen-HongKong high-speed rail[J]. Applied Mechanics and Materials， 2012：178-181，1238-1244.

Analysis of Shield Tunnel Settlement in Deep Saturated Soft Soil under Train Load

NING Mao-quan

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Shield tunnel settlement in deep soft soil has been concerned as a key problem in engineering. With reference to engineering practices， this paper analyzes the settlement response of shield tunnel in deep soft soil under dynamic load of train by means of the theory of non-drainage circulating cumulative deformation， parameters of cyclic tri-axial test， simplified dynamic FEM and layer-wise summation. The results illustrate that the shallower of tunnel depth and the thicker of soft soil under the bottom of shield tunnel and the larger of the settlement during operation; the maximum settlement rate occurs during the initial stage of the operation; the softer of soil， the larger of settlement; the slower of settlement rate， the longer the stability time of settlement. The implementation of settlement control measures show that the settlement of shield tunnel under cyclic loading of train during operation in the soft soil is controllable. Reasonable settlement control measures for shield tunnel in deep soft soil are determined based on project characteristics and analysis results．

Shield tunnel; Deep saturated soft soil; Circulating cumulative deformation; Cyclic tri-axial test; Simplified dynamic FEM; Layer-wise summation method; Train load; Operation period settlement

2015-03-11

宁茂权(1972—)，男，高级工程师，2005年毕业于石家庄铁道学院桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail：5458832.2@qq.com。

1004-2954(2015)10-0094-05

U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.022