地面堆载对地铁隧道结构的影响

赵腾云,牛瑞鹏，王小鹏

（中冀建勘集团有限公司，河北 石家庄 050200）

1 概述

随着社会经济的迅速发展，城市交通拥堵现象严重，地铁因其便利、快速、载客量大的特点，有效地缓解城市交通的压力，逐渐成为城市公共交通的首选。由于城市土体资源有限，越来越多的高层建筑修建在地铁旁，基坑施工出来的土体常常堆载在地铁沿线上方，对地铁结构产生不利的影响，甚至危害地铁的安全。

针对上方地面堆载对地铁隧道的影响问题，众多学者开展了一系列的研究，并取得了丰硕的成果。戴宏伟等[1]通过有限元软件建立地面堆载下的隧道结构的三维模型，研究了地面新荷载对临近地铁隧道的变形影响。房营光等[2]利用数值手段，分析了地面堆载对浅埋隧道围岩的影响，着重分析了围岩粘弹性应力和变形规律。李春良等[3]ABAQUS软件，建立盾构隧道上方堆载模型，研究了地面荷载作用盾构隧道纵向力学行为。陆文超[4]利用复变函数法，获得了地面荷载下浅埋隧道围岩响应的解析解，并重点分析了对围岩应力的影响。王涛等[5]建立三维模型，研究了大面积加载对盾构隧道的影响，总结了盾构隧道的变形规律。吴庆[6]通过现场监测和数值模拟相结合的方法，研究了地面堆载对既有盾构隧道结构的影响，对敏感参数进行了系统分析。

本文以某地铁工程为背景，利用有限元软件，建立了上方堆载隧道模型，研究了地面堆载对地铁隧道的影响，揭示了隧道整体和隧道管片的变形规律。通过数值结果与现成监测结果对比，验证了所建立模型的合理性。

2 工程概况

某城市地铁为主城区连接副城区的主要干线。监理单位在2011年发现临近开发地块将大量废土堆积在地铁某区间。地表土体堆载与既有隧道位置剖面图如图1所示。上方堆积土体高度约为6m，总面积达到了近2200mm2。该区间隧道外径为6.2m，隧道中心线距地表为10.6m。区间隧道主要处于砂质粉土土层。隧道采用6块管片环向错缝拼装而成。

图1 横断面示意图

因为担心上方堆载对隧道结构的安全影响，工作人员到隧道内部对隧道管片进行检测，发现部分管片产生了裂缝。为进一步保证安全，地铁运营单位安排人员实时监测隧道沉降，监测区间长度150m，共布设30个监测断面。

3 有限元模型的建立

依据实际工程背景和监测实况，建立三维模型尺寸为150m（长）×70m（宽）×40m（高），隧道外径为6.2m，管片厚度为0.7m，管片长度1.2m，数值模型剖面图如图2所示。为简化模拟过程提高运算效率，将拼接后的管片简化为均质圆环，环向等效刚度系数设置为0.7。管片采用弹性模型。隧道结构参数分别见表1。将地面堆载的土体简化为梯形荷载添加至地表，根据现场堆载土体实况，等效后的荷载q0为110kPa。根据现场勘探报告，土体本构选择摩尔库伦模型，土体物理力学参数见表2。

表1 隧道结构参数

表2 土层物理力学参数

4 数值计算结果分析

由于计算模型是对称的，因此可取模型一半的计算结果进行分析。图3(a)给出了隧道竖向变形的云图。从图3中可以看出，隧道整体变形可以分为两段：区域Ⅰ和区域Ⅱ。区域Ⅰ为基本不受堆载影响的区域，区域Ⅱ为受堆载影响显著的区域。进一步观察区域Ⅱ可以发现，区域Ⅱ中地铁隧道的不均匀变形近似高斯曲线，过大的变形造成了管片之间存在张开和错台的现象，接头处的错台现象最为显著。在距离模型端部约40m的地方出现了隧道变形曲线的反弯点。

图3(b)给出了隧道变形的数值结果和监测结果对比曲线。如图3(b)所示，数值模拟结果的隧道变形规律与监测结果的变形规律基本一致。从图中还可以看出，地面堆载对隧道顶部的影响比隧道底部的影响更为显著。这是因为隧道顶部离地表更近。隧道顶部沉降峰值接近25mm，远大于规范规定的20mm限值。

图3 隧道竖向变形结果

图4给出了隧道每环管片椭圆度沿隧道进深的变化曲线。如图4所示，在区域Ⅰ内，地面堆载对隧道管片椭圆度几乎无影响。在区域Ⅱ内，隧道管片椭圆度沿着隧道纵向迅速增大，直至地面堆载中心处趋于稳定达到峰值，椭圆度曲线依旧近似高斯分布。进一步观察可以看出，由于受地面堆载的影响，整个区间隧道的椭圆度从0.35‰增大至2.22‰，增大了近5.5倍。地面堆载正下方的隧道管片应力受影响最为显著，因此对该部位的管片变形及受力监测和分析十分必要。

图4 隧道竖向变形结果

通过分析隧道不均匀变形可以看出，由于受地面堆载的影响，区域Ⅱ内环缝接头部分张开和错开现象显著，管片应力也很大，因此接下着重分析该区域的环缝接头变形及管片受力。

通过上述对隧道变形分析中可以看出，区域Ⅱ内的环缝接头出现较大的错台和张开现象，并且区域Ⅱ内错台现象比张开现象更为显著，因此接下来着重分析错台影响。沿隧道进深方向的隧道错台曲线如图5(a)所示。图5(a)中可以看出，由于地面堆载对区域Ⅰ的影响很小，因此该区域内隧道错台几乎为0。进一步观察发现，隧道错台在区域Ⅱ内的曲线分布接近高斯分布，在距离隧道端部约41m处发生隧道最大错台，对比图3(a)可以发现，错台峰值发生的位置与隧道变形曲线的反弯点位置基本一致。由于地面堆载的影响，隧道拱腰处会发生侧向错台，图5(b)隧道拱腰处侧向错台分布曲线。对比图5(a)和5(b)可以发现，隧道拱腰处侧向错台分布规律与竖向错台分布规律一致，拱腰处侧向错台峰值发生的位置同样是在隧道变形曲线的反弯点位置，侧向错台峰值约为0.79mm。相较于隧道拱顶处只有竖向错台，拱腰处即存在侧向错台，也存在竖向错台，分别为0.76mm和0.79mm。因此，拱腰处的总错台值为1.09mm，与拱顶处的错台值一样。可见，隧道变形曲线的反弯点位置处的隧道拱顶和拱腰处的变形最为显著，是导致隧道防水失效的重要位置。

图5 隧道错台分布曲线

5 结论

本文以某地铁工程为背景，利用有限元软件，建立了三维数值模型，研究了地面堆载对地铁隧道的影响，揭示了隧道整体和隧道管片的变形规律。主要获得以下几个结论：

（1）通过数值结果与现成监测结果对比，验证了所建立模型的合理性。隧道整体可分为基本不受堆载影响的区域Ⅰ和受堆载影响显著的区域Ⅱ。区域Ⅱ内环缝接头部分张开和错开现象显著，管片应力也很大；

（2）区域Ⅱ中地铁隧道的不均匀变形近似高斯曲线，在距离模型端部约40m的地方出现了隧道变形曲线的反弯点；

（3）拱腰处侧向错台峰值和拱顶处竖向错台峰值的发的位置相同，均在隧道变形曲线的反弯点位置。隧道变形曲线的反弯点位置处的隧道拱顶和拱腰处的变形最为显著，是导致隧道防水失效的重要位置。