地面堆载诱发下盾构管片变形分析

张芳， 禹姿含， 王东升， 王露露， 梅洪嘉， 胡松松

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083; 2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083)

随着中国城镇化的推进，城市内紧邻地铁线路施工的项目也越来越多，既有地铁上方不可避免地会存在违规堆载现象。地面堆载会引起地层产生附加应力，原有的应力状态将会发生改变，造成隧道横向或者纵向发生变形，严重时甚至引发隧道管片接缝张开、错台、螺栓失效等现象，对地铁运营安全造成严重影响[1-2]。因此，研究地面上方堆载对既有隧道的影响具有重要的现实意义。

图1 隧道穿越图层剖面图Fig.1 Tunnel crossing layer profile

关于地面堆载对既有隧道影响的研究方法主要有理论解析法[3-5]、模型试验法[6-7]、现场监测法[8-9]和数值分析法[10-15]。其中黄大维以某软土地区地铁盾构隧道为案例，提出了隧道周围附加土压力与隧道变形的解析计算方法。该解析计算方法考虑了隧道穿越土层、上覆土层、下卧土层的物理力学性能；梁发云采用室内模型试验研究了地表局部堆载下软、硬土层中地铁隧道的横向变形性能，对比分析了不同工况下隧道椭圆度、接头外开量和外表面附加土压力的变化情况，得出软土层隧道的椭圆度比砂土层隧道更大。目前，研究较多的是数值分析法，在数值模拟方面，孙文波[10]采用MIDAS有限元软件进行三维数值计算分析，研究了地面堆载(隧道埋深、堆载位置)对隧道衬砌拱顶和拱腰变形的影响。孙廉威等[11]采用ABAQUS有限元软件进行了三维数值计算分析，研究了地面堆载对隧道管片和环缝的影响，将数值模拟结果与实测数值进行了比较，其结果吻合较好，说明数值模拟方法可以有效地揭示隧道管片和环缝在堆载作用下的变形和破坏规律。李若奇等[12]采用 FLAC 3D软件建立了尾矿堆载下排水隧洞的三维数值模型，采用极限平衡原理分析了分级堆载时主隧洞衬砌和围岩的应力变化规律以及衬砌的变形特征。赖浩然等[13]采用荷载-结构法，以苏通气体绝缘输电线路(globalization internationalization localization，GIL)综合管廊某区间为背景，研究了不同堆载形式下管片结构的变形与裂损特征，分析了断面收敛变形、接缝张开、结构内力随堆载的发展规律，并提出了地表超载控制标准。谢家冲等[14]以杭州地铁1号线某区间发生堆载破坏为背景，在建模过程中土体采用小应变土体硬化模型，衬砌采用总应变开裂模型，建立了集岩土模块、结构模块于一体的平面应变有限元模型；其数值计算结果能够与隧道沉降及实际裂纹开展特征相吻合，验证了该数值分析模型的有效性。目前，有限元模拟主要是采用地层-结构模型法，这种方法可以较好地模拟荷载通过土体传递到隧道的过程。但是现有的地层-结构法三维数值模型往往不够精细化，均假定隧道是连续、均匀，整环衬砌刚体转动，没有考虑错缝拼装，缺乏管片及接头的精细化模拟，而且实际工程中往往是管片接头处容易变形过大，发生破坏。堆载工况的分析中，当前的研究主要考虑堆载大小、堆载尺寸、堆载位置及隧道埋深等对隧道管片和管片接缝的影响；实际工程中，盾构隧道往往会穿越不同的土层，不同的区间土层分布不同，其对隧道结构的影响也不相同，这种情况在软土地层中尤为明显。

为此，采用地层-结构法建立盾构隧道三维精细化数值模型，细化盾构管片接触关系与螺栓结构，考虑管片错缝拼装；基于苏州市轨道交通某区间，系统地探究软土分布(隧道上覆软土地层、穿越软土地层、下卧软土层)对隧道结构受力变形的影响规律，以期对地铁线路的安全运营提供指导。

1 工程概况与模拟工况分析

1.1 工程概况

苏州地铁某线是连接两个城市的东西向骨干线路；其中，玉珠区间左右线总长2 333.718 m，区间覆土为9.5～18.6 m，穿越的地层主要有粉质黏土和淤泥质粉质黏土，如图1所示。地层属于含水量高、压缩性强、抗剪强度低、灵敏度高的软塑～流塑性地层，当受到外部荷载作用时，对盾构隧道结构的变形存在较大的影响。

整个区段采用盾构法施工，隧道内径为5.9 m，隧道外径为6.6 m，管片厚度为0.35 m。隧道衬砌采用预制钢筋混凝土装配式结构，错缝拼装；衬砌强度采用C50的混凝土，抗渗等级P10，环宽为1.2 m，每环由封顶块(1块：F)、邻接块(2块：L1、L2)及标准块(3块：B1、B2、B3)构成，如图2所示。

图2 衬砌管片结构图Fig.2 Structural drawing of lining segment

1.2 模拟工况分析

为探究软土分布对隧道结构受力变形的影响规律，在苏州市轨道交通某区间，选取了3种软土分布类型，即隧道上覆软土地层(断面Ⅰ，上覆软土厚度3.2 m)、下卧软土层(断面Ⅱ，下卧软土厚度8.2 m)、穿越软土地层(断面Ⅲ，穿越软土层厚度20.8 m)，各流塑性软土地层下为粉土加粉砂及粉质黏土层，如图1所示。根据《工程地质手册》中规定：3～6层工业建筑基基础总压力为90～130 kPa，2～5层民用建筑和工业建筑的基础压力标准值为60～70 kPa。为研究隧道周边新建建筑产生的堆载对隧道不均匀沉降以及管片结构变形的影响，数值模拟试验中地面堆载大小设置为100 kPa，加载方式0～100 kPa分5次加载，每次加载20 kPa。参考堆载实例、文献[7]，堆土宽度大多在20～30 m。因此，数值模拟实验中堆载范围为26 m×30 m，堆载位置位于隧道正上方，具体工况如表1所示。

表1 数值模拟工况Table 1 Numerical simulation conditions

1.3 模型参数选取

采用ABAQUS分别建立隧道上覆、穿越和下卧流塑性软土地层的三维精细化有限元模型，模型计算域大小为110 m(长)×100 m(宽)×60 m(高) ，衬砌管片根据实际情况进行错缝拼接模拟，接缝处采用螺栓进行连接，如图3所示。

土体采用六面体实体单元模拟，使用摩尔-库伦模型进行计算分析，各个土层的物理力学参数如表2所示。隧道管片同样也采用六面体实体单元模拟，使用塑性损伤本构模型进行计算分析，ABAQUS中定义塑性损伤本构需定义参数受拉压非弹性应变及损伤因子，损伤因子表征结构受损伤程度，在0～1变化：损伤因子为0表示结构无损伤，损伤因子为1表示结构完全失去强度。根据C50混凝土受拉压的应力-应变曲线[16]，将应力-应变转化为应力-非弹性应变，并利用经验公式确定损伤因子[17]，具体参数如图4所示；钢筋和接头螺栓采用梁单元模拟，使用弹塑性本构模型进行计算分析，具体物理力学参数如表3所示。管片之间及隧道与土体之间设置接触界面，法向采用硬接触，切向采用摩擦接触，摩擦系数为0.3。整个模型共有单元59 841个，节点72 500个。隧道土体和管片选用八结点线性六面体单元C3D8网格，土体部分采用1 m网格尺寸，其他部分土体采用2～8 m网格尺寸、管片采用1 m网格尺寸；钢筋、螺栓网格的单元类型选用两结点空间线性梁单元B31，钢筋采用1 m网格尺寸，螺栓采用0.5 m网格尺寸，模型前后及两侧限制法向位移，底部采用固定约束。整个模拟分析过程如表4所示。

表2 土层物理力学参数Table 2 Soil mechanics parameters

屈服应力单位：Pa图4 C50混凝土受压损伤参数Fig.4 Damage parameters of C50 concrete under compression

表3 隧道物理力学参数Table 3 Physical Mechanics Parameters of Tunnel

表4 具体施工阶段的有限元模拟Table 4 Finite element simulation in construction stage

2 结果与分析

2.1 流塑性软土层分布对隧道竖向收敛的影响

图5为流塑性软土不同分布时各级堆载下隧道竖向收敛的对比。随着荷载增加，隧道竖向收敛显著增大。与隧道上覆软土层相比，隧道下卧软土层及穿越软土层时，隧道竖向收敛更加明显；并且隧道下卧软土层时隧道竖向收敛值最大，约为33.35 mm，其次是隧道穿越软土层时,约为30.03 mm，隧道上覆软土层时对隧道竖向变形影响最小，约为14.74 mm。 因此，隧道下卧软土层的力学性质对隧道结构变形的影响最大。

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)中隧道径向收敛预警值为10 mm，控制值为20 mm的规定，可以看出，堆载<60 kPa时，无论哪种工况，隧道竖向收敛均在可控范围内；堆载>60 kPa时，隧道下卧、穿越软土层时隧道竖向收敛值突破控制值，堆载100 kPa时影响范围分别是从堆载正下方向隧道两侧±15、±10范围内。

取堆载正下方的一环管片分析，表5、图6为不同软土分布位置下堆载量变化对隧道竖向变形的影响，分析可知竖向位移首先出现在拱顶，随着堆载的增加，拱顶竖向位移越来越大，并逐渐发展至拱肩、拱腰到拱底。由图5的曲线可知，拱顶竖向位移随堆载大小增加呈线性增加，表明堆载量是竖向位移的重要影响因素，尤其是隧道下卧软土层时，曲线斜率越来越大，表明当软塑-流塑土层位于隧道下方时，堆载量是影响隧道竖向位移的敏感因素。

图5 隧道竖向收敛对比分析Fig.5 Comparative analysis of tunnel vertical convergence

2.2 流塑性软土层分布对隧道水平扩张的影响

图7为流塑性软土层在不同分布状态时各级堆载下隧道水平扩张的对比。随着荷载增加，隧道水平扩张显著增大。隧道下卧软土层及穿越软土层时，隧道水平扩张更加明显；并且隧道下卧软土层时隧道水平扩张值最大，约为33.28 mm，其次是隧道穿越软土层时,约为27.87 mm，隧道上覆软土层时对隧道竖向变形影响最小，约为13.87 mm。在堆载作用下，隧道同时产生竖向收敛和水平扩张，并且竖向收敛和水平扩张基本相等；同时也证明了隧道下卧软土层的力学性质对隧道结构变形的影响最大。

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)中隧道径向收敛预警值为10 mm，控制值为20 mm的规定，水平扩张同竖向收敛存在相同规律。

表5 不同堆载量下隧道竖向收敛最大值Table 5 Maximum value of vertical convergence of tunnel under different surcharge

图6 竖向收敛随堆载大小变化曲线Fig.6 Variation curve of vertical convergence with surcharge

同样选取堆载正下方的一环管片分析，表6、图8为不同软土分布位置下堆载量变化对隧道拱腰水平变形的影响，分析可知，水平位移首先出现在左右拱腰位置，数值上两者同步，并逐渐向拱顶和拱底发展，且拱顶和拱底水平位移没有明显区别。随着堆载的增加，隧道向两侧凸出程度逐渐增大，且隧道下卧软土层时隧道变形最明显，与竖向位移变化规律一样，水平位移量级上隧道上覆软土层时最小，这充分说明了流塑地层在隧道下方时对隧道结构变形的影响更大。

2.3 流塑性软土层分布对隧道管片变形的影响

隧道差异沉降下接缝表现为张开和错台两种变形模式，如图9所示。隧道在地面堆载作用下产生差异沉降，并在荷载作用位置正下方形成凹槽。环缝错台主要出现在拱顶附近，拱腰处接缝张开明显，同时向两端递减。

图7 隧道水平扩张对比分析Fig.7 Comparative analysis of horizontal tunnel expansion

图10、图11为隧道在3种不同分布状态下管片内部接缝张开量和错台量对比。可以看出，隧道下卧软土层时接缝张开量和错台量最大，且呈线性增长；堆载<60 kPa时，隧道穿越软土层和隧道上覆软土层对管片内部接缝张开和错台量的影响较小，堆载>60 kPa后，流塑性软土分布对管片内部接缝张开和错台量的影响出现明显增长。

参照《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)规定，盾构管片接缝张开量预警值1 mm，控制值2 mm。可见隧道下卧软土层时即使是少量的堆载，对隧道结构变形已经产生破坏性影响，需要采取措施，对隧道结构进行加固。

2.4 管片损伤程度与流塑性软土层分布的关系

隧道结构整体损伤程度如图12所示，隧道管片损伤主要分布特征为：拱顶两环封顶快之间、隧道底部以及两侧拱腰处。拱顶、拱底及拱腰外侧位置处的裂缝均为拉应力产生的损伤，同时随着堆载的增加，损伤不断发展，局部损伤深度贯穿整个裂缝。

表6 不同堆载量下隧道水平扩张最大值Table 6 Maximum horizontal expansion of tunnel under different surcharge/mm

图8 水平扩张随堆载大小变化曲线Fig.8 Variation curve of horizontal expansion with surcharge

由图12可知，隧道下卧软土层时管片损伤最严重，其次是隧道穿越软土层时，隧道上覆软土层时，管片损伤较小，且主要集中在拱顶。

图9 管片纵向变形分布特征Fig.9 Distribution characteristics of longitudinal deformation of segment

图10 管片接缝张开对比Fig.10 Comparison of segment seam opening

图11 管片内部错台量对比Fig.11 Comparison of internal misalignment of segment

图12 隧道管片损伤变形云图Fig.12 Damage and deformation cloud map of tunnel segments

3 结论

(1)在地面堆载作用下，竖向变形最大处位于堆载位置正下方的拱顶处；隧道最大水平位移发生在荷载作用位置正下方管片的左右拱腰处，并且左右拱腰同时产生向外的水平位移。

(2)隧道竖向收敛、水平扩张、接缝张开、错台量以及隧道结构损伤最大值位于堆载正下方的隧道管片区域。当堆载中心在隧道正上方时，隧道下卧软土层时隧道变形量最大(隧道竖向收敛最大值为33.35 mm，水平扩张最大值为33.28 mm，接缝张开最大值为3.83 mm，错台量最大值为6.17 mm，隧道结构损伤因子为0.97)，其次是隧道穿越软土层时(隧道竖向收敛最大值为30.03 mm，水平扩张最大值为27.87 mm，接缝张开最大值为3.69 mm，错台量最大值为7.88 mm，隧道结构损伤因子为0.86)，隧道上覆软土层时对隧道竖向变形影响最小(隧道竖向收敛最大值为14.74 mm,水平扩张最大值为13.87 mm，接缝张开最大值为1.70 mm，错台量最大值为3.36 mm，隧道结构损伤因子为0.82)。

(3)流塑性软土具有含水量高、压缩性高、抗剪强度低的特点，对比土层力学参数，流塑性软土的弹性模量小于其他土体。因此可知弹性模量对隧道结构变形影响较大，且隧道下卧土层的弹性模量对隧道结构变形影响最大，且弹性模量越小，结构变形越明显。