地鐵振動荷載對下穿越盾構開挖面孔隙水壓力的影響

武 軍，廖少明，2，霍曉波

（1. 同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

1 引 言

在建盾構隧道穿越運營地鐵日益增多，同時兩者之間的間距越來越小[1]，運營地鐵列車振動荷載對其下方在建盾構隧道開挖面穩(wěn)定性的影響也日益突出。目前地鐵列車振動荷載對周圍環(huán)境的影響研究主要集中在其對地面臨近建筑物[2]和隧道周圍土體[3]與地下結構體系[4]產生的影響，而地鐵列車振動產生的大部分能量向下傳播[5]，因此地鐵列車振動荷載對直接位于其下方的在建隧道的影響就更加明顯[6]。

泥水盾構和土壓盾構在飽和土體中掘進時，在開挖面前方均會產生很大的超孔隙水壓力，甚至能使有效應力降為 0[7]。對于飽和松散砂土地層，超孔隙水壓力使開挖面前方砂土局部液化的可能性大增，可能會引起開挖面失穩(wěn)。當盾構在運營地鐵下方掘進時，由于受地鐵列車振動荷載的影響，超孔隙水壓力會比一般工況大大增加，從而大幅度提高開挖面失穩(wěn)的可能性。從保證工程安全的角度考慮，盾構穿越運營地鐵時地鐵應停止運營，然而，地鐵在城市公共交通中越來越重要，如北京地鐵 2013年日均客運量達1 027.6萬人次[8]，停止地鐵運營勢必對市民的出行造成較大不便，對社會的正常運轉產生不利影響。盾構停止掘進拼裝管片時超孔隙水壓力會大幅下降，排水性較好的砂性地層中超孔隙水壓力會降低約 80%，甚至完全消散[9]，而且拼裝一環(huán)管片所用的時間與盾構掘進一環(huán)所需的時間規(guī)律性較強[7]，便于管理，可見地鐵在盾構停止掘進拼裝管片時恢復運營，是一種較為可行的選擇。

盾構停止掘進拼裝管片時地鐵列車動荷載引起的超孔隙水壓力也會危害隧道開挖面穩(wěn)定，使泥水盾構泥膜承受的壓力差大幅減小。泥膜是一種多孔彈性介質[10]，當承受的壓力差減小時，泥膜回彈，厚度增加，體積增大，孔隙比增加，滲透系數(shù)增大。隨著泥膜滲透性增大，一部分泥漿會重新滲透進入地層，孔隙水壓力隨之增高，孔隙水壓力增高又進一步降低泥膜承受的壓力差，使泥膜滲透性增大，如此反復，開挖面穩(wěn)定性逐漸被破壞直至坍塌[10]。目前在盾構穿越運營地鐵且停止掘進拼裝管片時列車振動荷載對盾構開挖面超孔隙水壓力的影響鮮見文獻報道，很有必要對這一問題進行研究，為盾構穿越運營地鐵提供理論指導。

本研究結合現(xiàn)場監(jiān)測到的地鐵列車振動頻率及荷載對3種不同類型的砂土進行動三軸試驗，測試其在不同密實度、不同振動振幅條件下的超孔隙水壓力的增長規(guī)律，為泥水盾構穿越飽和砂土地層中的運營地鐵的開挖面穩(wěn)定控制提供依據(jù)。

2 動三軸試驗

在運營地鐵正下方土體直接埋設儀器，現(xiàn)場監(jiān)測泥水盾構穿越該地鐵時開挖面前方土體超孔隙水壓力的變化規(guī)律是非常困難的。為埋設監(jiān)測儀器需在運營地鐵管片上鉆孔會造成地鐵滲漏，而且監(jiān)測儀器可能會損壞盾構刀具。因此，結合文獻報道的典型地鐵列車振動荷載頻率、振幅，通過室內動三軸試驗模擬泥水盾構在運營地鐵正下方拼裝管片時，在地鐵列車振動荷載作用下開挖面前方土體的超孔隙水壓力變化規(guī)律是一種可行的研究方法。

2.1 典型工況

已運營隧道列車行車荷載對下方正在建設隧道開挖面穩(wěn)定性的最大影響是盾構平行下穿運營地鐵。動三軸試驗對應的典型工況如圖1所示，為不失一般性，運營隧道和建設隧道直徑D均為6.2 m，運營隧道上覆土厚度C1= D，下方在建隧道拱頂距運營隧道底部間距C2= 0.5D，假設土樣所在位置在建隧道開挖面中部。

圖1 動三軸試驗對應典型工況示意圖Fig.1 Sketches of study case at dynamic triaxial test

當盾構從下方穿越運營地鐵時需嚴格控制開挖面支護壓力，以免造成運營地鐵沉降或隆起影響地鐵的正常運營。理想狀態(tài)下開挖面支護壓力應使開挖面前方土體的有效應力處于靜止應力狀態(tài)，但在實際施工時受盾構機狀態(tài)、操作水平等條件的限制，支護壓力不是長期均衡的維持在一個壓力值不變，而是不斷的小幅波動，其波動幅度一般不大于10%[11]。支護應力越小，地鐵列車振動荷載對飽和土體超孔隙水壓力的影響越明顯。本次選取支護壓力為靜止土壓力和在靜止土壓力基礎上卸荷 5%和10%三種工況，但是，支護力卸荷也會引起開挖面前方土體水平應力和豎向應力的同時降低，這一過程較為復雜。為研究超孔隙水壓力的增長對哪個方向的應力卸荷更為敏感，在動三軸試驗時，分別進行水平壓力卸荷或者豎向壓力卸荷。

由于已建隧道部位土體被置換成隧道結構致使下方土體所受豎向土壓力減小[12－13]，已建隧道下方一點的水平向土壓力也會相應降低。假設地下水位位于地表，則土樣所在位置豎向壓力為

2.2 試驗材料

砂土的物理力學性質主要取決于顆粒組成的特性，在振動荷載作用下飽和砂土的孔隙水壓力變化程度也與其自身顆粒間的孔隙大小息息相關，而砂土孔隙體積由砂土顆粒級配特別是細粒含量以及砂土密實度決定。當砂土中細粒含量小于30%時，細粒填不滿粗顆粒的孔隙，因此對孔隙體積起控制作用的是粗顆粒間的孔隙；當細粒含量大于30%時，砂土的孔隙開始于細粒發(fā)生密切關系；當細粒含量大于70%時，粗顆粒只起填充作用，對砂土孔隙體積的影響明顯減小，直至消失[14]。本次用粗石英砂和細石英砂為基礎人工配置3種砂性土，顆粒分布曲線圖如圖2所示，物理參數(shù)見表1。

圖2 石英砂顆粒分布曲線Fig.2 Grain-size distributions of tested sand

表1 試驗用石英砂物理參數(shù)Table 1 Basic physical properties of the tested sand

2.3 地鐵列車動荷載的確定

唐益群等[15]通過對上海地鐵 2號線靜安寺站-江蘇路站區(qū)間隧道附件施打鉆孔埋設儀器進行現(xiàn)場監(jiān)測，得到地鐵列車經(jīng)過時引起隧道周圍土體響應，頻率有高頻區(qū)段（2.4～2.6 Hz）和低頻區(qū)段（0.4～0.6 Hz）。地鐵列車通過時觀測點作用的時間一般為11～16 s，最長20 s?？紤]到列車及隧道體系施加給隧道底部的靜止附加應力在20～40 kPa之間（隧道軸線埋深為 11～14 m的工況）?，F(xiàn)場實測資料表明，地鐵經(jīng)過時引起的振次只有幾十次，超孔隙水壓力增值不是很大，地鐵運行間隔一般為3～5 min，這段時間內超孔隙水壓力基本可以消散。實測工況與本文模擬工況類似，而且地鐵列車振動荷載引起的超孔隙水壓力在列車運營間隔時間內基本消散，因此，不必考慮動荷載對超孔隙水壓力的長期影響，只考慮列車通過一次時其對砂土超孔隙水壓力的影響。

本次研究取最不利情況，動荷載頻率f = 2.5 Hz，振動時間20 s，振動次數(shù)N = 50次。振動荷載基準值σDo= 30 kPa，地鐵列車振動荷載振幅受多種因素的影響，如軸重、行駛速度、軌道平順程度、載客人數(shù)等，即使是同一組列車在不同時段其產生的振動荷載振幅也有所不同。為較為全面地研究地鐵列車振動荷載作用下飽和砂土超孔隙水壓力的變化情況，本文振動荷載振幅取 5、10、15、20、25、30 kPa[3]。

2.4 試驗儀器及步驟

試驗采用多功能動態(tài)循環(huán)三軸試驗系統(tǒng) GDS（Global Digital Systems）。砂土制樣方法大體上可分為濕裝法和干裝法兩大類，濕裝法制樣時土樣不均勻性較大，容易使粗粒沉積于土樣底部，細粒分布于土樣上部[16]，顆粒粒徑分布不均勻砂土制樣一般采用干裝法[17]。本次也采用干裝法，將砂土拌合均勻后將砂土分為三等分，分層裝入制樣器，再壓實至所需高度，最終制成直徑為38 mm、高80 mm的砂土樣。拆模時，先給土樣施加-10 kPa的負壓，以減少對土樣的擾動[18]，然后對土樣反壓飽和，當Skempton B值大于0.98后，對土樣進行K0固結。待固結完成后進行振動試驗。需進行軸壓或圍壓卸荷的試樣，在固結完成后對試樣按要求卸荷至所需壓力值，待其變形穩(wěn)定后再進行振動試驗。

3 超孔隙水壓力的變化規(guī)律

圖3～5分別為支護壓力為靜止土壓力、水平壓力卸荷和豎向壓力卸荷狀態(tài)下不同地鐵列車振動荷載振幅對砂土超孔隙水壓力的影響。從圖中可以看出，隨著地鐵列車振動荷載振幅的增加，砂土中的超孔隙水壓力逐漸增大，振幅不大于10 kPa時這種現(xiàn)象并不明顯；靜止狀態(tài)下產生的超孔隙水壓力最大值為2.16 kPa，水平壓力卸荷5%和10%產生的超孔隙水壓力最大值相對于靜止狀態(tài)下產生的超孔隙水壓力最大值分別增加 24.47%和 63.16%，軸向壓力卸荷 5%和 10%產生的超孔隙水壓力最大值相對于靜止狀態(tài)下產生的超孔隙水壓力最大值分別增加43.91%和168.32%，說明卸荷狀態(tài)在相同振幅的地鐵振動荷載作用下，同種砂土的超孔隙水壓力大于靜止土壓力狀態(tài)下的超孔隙水壓力，卸荷越多，這種現(xiàn)象越明顯，而且超孔隙水壓力的增加對豎向壓力卸荷比水平壓力卸荷更加敏感；在相同振幅的地鐵振動荷載作用下隨著粗砂含量的增加，砂土中的超孔隙水壓力逐漸減小，同種砂土，密實砂土中產生的超孔隙水壓力小于松散砂土中的的超孔隙水壓力；當砂土中粗粒含量占主導且含量較為接近時，相對密實度比粗粒含量對超孔隙水壓力的影響明顯。

圖3 靜止土壓力狀態(tài)下地鐵列車振動荷載振幅對砂土超孔隙水壓力的影響Fig.3 Excess pore water pressure generation in sand with the amplitude of train vibration load when the support pressure equal to static earth pressure

圖4 水平壓力卸荷狀態(tài)下地鐵列車振動荷載振幅對砂土超孔隙水壓力的影響Fig.4 Excess pore water pressure generation in sand with the amplitude of train vibration load when the horizontal pressure decreases to 95% and 90% of static horizontal earth pressure

圖5 豎向壓力卸荷狀態(tài)下地鐵列車振動荷載振幅對砂土超孔隙水壓力的影響Fig.5 Excess pore pressure generation in sand with the amplitude of train vibration load when the vertical pressure decreases to 95% and 90% of static earth vertical pressure

需要說明，由于本次只進行了單向應力卸荷，而實際工程中開挖面支護力卸荷會導致土體水平和豎向應力同時卸荷，所以，實際工程中在開挖面支護力卸荷狀態(tài)下地鐵列車振動荷載對土體超孔隙水壓力的影響比本次動三軸試驗結果更大。

雖然地鐵列車振動荷載引起的開挖面超孔隙水壓力絕對數(shù)值不超過6 kPa，但泥水盾構停止掘進拼裝管片時，需在開挖面施加一個略大于靜止水土壓力約20 kPa的支護力[18]，以抵消泥膜形成后殘留的超孔隙水壓力uc，泥膜兩側壓力差p一般應不大于20 kPa，即超孔隙水壓力可使泥膜承受的壓力差減小約33%，如果泥膜形成后殘留的超孔隙水壓力較大，再考慮到開挖面的雙向卸荷，則振動荷載產生的超孔隙水壓力將更大，使泥膜承受的壓力差減小程度更大，泥膜的回彈將非常明顯，泥膜滲透系數(shù)的減小程度將不可忽略，有待對地鐵列車振動荷載對泥膜滲透性的影響做進一步的研究。

4 結 論

（1）隨著地鐵列車振動荷載振幅的增加，砂土中的超孔隙水壓力逐漸增大，但當振幅不大于 10 kPa時，這種現(xiàn)象并不明顯。

（2）相對于靜止壓力狀態(tài)，開挖面支護力減小會使地鐵列車振動荷載引起的超孔隙水壓力顯著增加，而且土體豎向應力卸荷比水平應力的卸荷引起的超孔隙水壓力增加幅度更大。

（3）地鐵列車振動荷載引起的開挖面超孔隙水壓力絕對數(shù)值不大，但能使泥水盾構泥膜承受的壓力差至少減小約33%。

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