采用轻质填料填筑路堤对其下方盾构隧道的影响研究

李 阳

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

特别的，对于城市地铁盾构隧道而言，由于盾构隧道对地层变形非常敏感，过大的变形会导致隧道管片病害，引起隧道出现开裂、渗漏水等问题[1]，危及地铁隧道的运营安全。故须对此问题进行详细地分析，以确保运营结构的安全。

一个重要的思路是采用轻质路基填料填筑路基，如采用泡沫混凝土、EPS板等[2]。为尽量减小地层附加应力，需要部分开挖卸载，以轻质填料置换土体，达到等荷载置换的目的。本文基于工程实践，研究在既有地铁盾构隧道上方填筑路基时，采用轻质路基填料情况下，结合理论计算和现场实测数据，分析填筑路基挖方时的卸载与填方时的加载对地铁隧道的作用机理。

1 工程概况

中山南路南浦大桥W3上匝道位于黄浦区外滩金融集聚带的核心区域，西侧为黄浦区目前在建规模最大的董家渡金融城开发项目，东侧为待开发的南外滩滨水区和南浦地块。

因地块开发及现场交通需要，需对W3上匝道进行改造。通过对W3上匝道纵断面线形的调整实现匝道南移，根据改造方案，在道路落地点须设置填方路基段，最高填土高度为2.36m。

W3匝道改造工程匝道落地点与地铁四号线相毗邻，平面投影距离约1.5～2m，盾构隧道在改造终点段埋深18.5m，见图1、图2。

图1 本项目与地铁4号线位置示意图

图2 本项目与地铁4号线横断面关系示意图（单位：m）

为消除桥台处新增匝道填土及挡墙荷载对地铁四号线的影响，设计采用先超挖卸载再回填泡沫混凝土填方的设计思路，原则上在填方到路基完成面后，地基附加应力不增加。

根据这个原则，填方最高处约为2.36m，泡沫混凝土容重约6kN/m3，路基开挖土方按18kN/m3，考虑需要在泡沫混凝土两侧设置钢筋混凝土挡墙作为泡沫混凝土浇筑的模板及安装防撞墙的基础，综合计算，这段路基按开挖原状3m深度土方换填泡沫混凝土设计。附加荷载计算如下（每延米）：

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泡沫混凝土重：6kN/m3×49m3=294kN；

混凝土挡墙重：26kN/m3×5.1m3=132.6kN；

土方卸荷：18kN/m3×31.7m3=570.6kN；

只计算恒载，附加荷载为294+132.6-570.6=-144kN。

考虑20kPa活载，路面宽度为7m，荷载为140kN，基本做到0附加应力。

2 模型建立

本次分析采用Plaxis有限元计算软件，采用平面应变二维模型，为消除边界条件对计算结果的影响，计算模型平面尺寸取为70m（水平向）×50m（竖向）；模型深度按实际土层划分，取到第7号土层，深度达到70m；隧道采用板单元模拟。考虑到隧道附近会产生应力集中等现象，在隧道区域对网格进行加密，并向远处逐渐增大；兼顾土层分布，模型网格划分见图3。

图3 Plaxis有限元模型

土体模型采用适合上海地层的HS模型[3]，参数根据现场实际土层物理力学性质，结合研究目的，结合地勘单位给出的实际地层参数，得到土层弹性模量或回弹模量，其它地勘报告中没有提供的地层参数则根据上海地区其它工程项目的土层参数及相关规范进行经验取值。考虑堆载固结时，回弹模量取为压缩模量的3～4倍。

最终确定各土层的物理力学性质参数见表1。

表1 主梁涡振性能

表1 计算采用的地层参数

本次分析共分成如下几个荷载步，（1）地应力平衡；（2）加入隧道结构，并将位移归零；（3）开挖基坑，开挖基坑的施工时间为30d；（4）填筑路基，路基施工时间为30d；（5）固结计算，考虑固结时间为10a（3650d）。

3 施工期地层及隧道位移分析

根据计算结果，基坑开挖后，位移云图见图4，在挖方区域引起较大的回弹，最大回弹量达到6mm。

图4 基坑开挖后地层变形云图

隧道结构随着地层的回弹同时产生了隆起，见图5，隆起变形量约1mm，变形方向约斜向上45°，即向上及向开挖方向变形。

图5 地铁隧道变形示意图

路基开挖回填后，考虑30d的施工期，则施工期内的地层变形见图6，隧道变形见图7，此时，路基正下方开挖面处依旧存在部分回弹值，约为2.8mm。

图6 施工期内路基回填后地层变形云图

图7 施工期内路基回填后隧道变形云图

隧道在施工期内依然存在隆起，但由于路基回填加载作用，隆起变形量有了很大的改善，隆起值仅约为0.5mm。

4 隧道及地层长期性态分析

为了了解开挖卸载及填方加载对地层及盾构隧道的长期影响，首先应该研究地层中超孔隙水压力的消散情况，图8给出了从路基基坑开始开挖卸载，一直到超孔隙水压力消散完成之后隧道周围的超孔隙水压力随时间的变化情况。从图中可以看出，0～30d卸载期间，地层隆起出现超静负孔隙水压力，由于卸载出现在隧道左侧地面，负孔压分布规律为左侧及上侧较大，而右侧及隧道下侧较小，负孔压最大的位置位于B点（距开挖面较近处的隧道侧面），达到7kPa，负孔压最小的位置位于D点（距开挖面较远处的隧道侧面），为4.5kPa。

图8 地道周围超孔隙水压力消散示意图

随着30～60d开始回填加载，超静负孔隙水压力急剧减小，到60d堆载结束时，负孔压最大的B点剩余1.5kPa，减小约78.5%；A点负孔压剩余值约1kPa，减小约83.6%；C、D两点负孔压消散约84.5%。

从图中还可以看出，超静负孔压完全消散大约在路基施工完成后620d左右完成，而95%消散完毕只需要约140d，故随着超孔隙水水压力的减小，其消散速度快速减缓。

从图9中可以看出，盾构隧道的位移主要发生在施工期，隧道在地面加载时，由于加载作用的影响下沉，但在完工后，随着超静负孔压的消散，隧道上浮，即隧道的工后位移体现为上浮。

图9 盾构隧道的位移示意图

以A点为例，在地面挖方卸载时，30d工期内隧道上浮量为0.74mm，随后填筑路堤加载，隧道沉降，沉降量为0.29mm，即上浮总量减小为0.45mm，之后随着超静负孔隙水压力的消散，隧道上浮约0.023mm，工后位移占隧道总位移的3.1%。

5 结 语

（1）利用Plaxis建立路基-隧道-土耦合模型进行固结分析，分析表明，隧道随着挖方卸载隆起，填方加载沉降，总体位移可以控制在1mm以内，可以满足隧道安全运营的要求。

（2）路基填挖方施工在隧道周围产生的超静负孔隙水压力，超静孔压完全消散大约在路基施工完成后620d左右完成，而95%消散完毕只需要约140d，故随着超孔隙水水压力的减小，其消散速度快速减缓。

（3）隧道的变形主要发生在施工期，施工后的地层固结影响对隧道工后变形的影响较小。

（4）在运营隧道上方进行填筑路基等需要加荷施工时，首先挖方卸载再换填轻质材料的方案是可行的，对运营隧道的影响较小。