地面堆載對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響

趙騰云,牛瑞鵬，王小鵬

（中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050200）

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市交通擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重，地鐵因其便利、快速、載客量大的特點(diǎn)，有效地緩解城市交通的壓力，逐漸成為城市公共交通的首選。由于城市土體資源有限，越來(lái)越多的高層建筑修建在地鐵旁，基坑施工出來(lái)的土體常常堆載在地鐵沿線上方，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，甚至危害地鐵的安全。

針對(duì)上方地面堆載對(duì)地鐵隧道的影響問(wèn)題，眾多學(xué)者開(kāi)展了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。戴宏偉等[1]通過(guò)有限元軟件建立地面堆載下的隧道結(jié)構(gòu)的三維模型，研究了地面新荷載對(duì)臨近地鐵隧道的變形影響。房營(yíng)光等[2]利用數(shù)值手段，分析了地面堆載對(duì)淺埋隧道圍巖的影響，著重分析了圍巖粘彈性應(yīng)力和變形規(guī)律。李春良等[3]ABAQUS軟件，建立盾構(gòu)隧道上方堆載模型，研究了地面荷載作用盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)行為。陸文超[4]利用復(fù)變函數(shù)法，獲得了地面荷載下淺埋隧道圍巖響應(yīng)的解析解，并重點(diǎn)分析了對(duì)圍巖應(yīng)力的影響。王濤等[5]建立三維模型，研究了大面積加載對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，總結(jié)了盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律。吳慶[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了地面堆載對(duì)既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)敏感參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

本文以某地鐵工程為背景，利用有限元軟件，建立了上方堆載隧道模型，研究了地面堆載對(duì)地鐵隧道的影響，揭示了隧道整體和隧道管片的變形規(guī)律。通過(guò)數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)成監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了所建立模型的合理性。

2 工程概況

某城市地鐵為主城區(qū)連接副城區(qū)的主要干線。監(jiān)理單位在2011年發(fā)現(xiàn)臨近開(kāi)發(fā)地塊將大量廢土堆積在地鐵某區(qū)間。地表土體堆載與既有隧道位置剖面圖如圖1所示。上方堆積土體高度約為6m，總面積達(dá)到了近2200mm2。該區(qū)間隧道外徑為6.2m，隧道中心線距地表為10.6m。區(qū)間隧道主要處于砂質(zhì)粉土土層。隧道采用6塊管片環(huán)向錯(cuò)縫拼裝而成。

圖1 橫斷面示意圖

因?yàn)閾?dān)心上方堆載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全影響，工作人員到隧道內(nèi)部對(duì)隧道管片進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分管片產(chǎn)生了裂縫。為進(jìn)一步保證安全，地鐵運(yùn)營(yíng)單位安排人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道沉降，監(jiān)測(cè)區(qū)間長(zhǎng)度150m，共布設(shè)30個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

3 有限元模型的建立

依據(jù)實(shí)際工程背景和監(jiān)測(cè)實(shí)況，建立三維模型尺寸為150m（長(zhǎng)）×70m（寬）×40m（高），隧道外徑為6.2m，管片厚度為0.7m，管片長(zhǎng)度1.2m，數(shù)值模型剖面圖如圖2所示。為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程提高運(yùn)算效率，將拼接后的管片簡(jiǎn)化為均質(zhì)圓環(huán)，環(huán)向等效剛度系數(shù)設(shè)置為0.7。管片采用彈性模型。隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見(jiàn)表1。將地面堆載的土體簡(jiǎn)化為梯形荷載添加至地表，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堆載土體實(shí)況，等效后的荷載q0為110kPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探報(bào)告，土體本構(gòu)選擇摩爾庫(kù)倫模型，土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

由于計(jì)算模型是對(duì)稱的，因此可取模型一半的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖3(a)給出了隧道豎向變形的云圖。從圖3中可以看出，隧道整體變形可以分為兩段：區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ。區(qū)域Ⅰ為基本不受堆載影響的區(qū)域，區(qū)域Ⅱ?yàn)槭芏演d影響顯著的區(qū)域。進(jìn)一步觀察區(qū)域Ⅱ可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)域Ⅱ中地鐵隧道的不均勻變形近似高斯曲線，過(guò)大的變形造成了管片之間存在張開(kāi)和錯(cuò)臺(tái)的現(xiàn)象，接頭處的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象最為顯著。在距離模型端部約40m的地方出現(xiàn)了隧道變形曲線的反彎點(diǎn)。

圖3(b)給出了隧道變形的數(shù)值結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線。如圖3(b)所示，數(shù)值模擬結(jié)果的隧道變形規(guī)律與監(jiān)測(cè)結(jié)果的變形規(guī)律基本一致。從圖中還可以看出，地面堆載對(duì)隧道頂部的影響比隧道底部的影響更為顯著。這是因?yàn)樗淼理敳侩x地表更近。隧道頂部沉降峰值接近25mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的20mm限值。

圖3 隧道豎向變形結(jié)果

圖4給出了隧道每環(huán)管片橢圓度沿隧道進(jìn)深的變化曲線。如圖4所示，在區(qū)域Ⅰ內(nèi)，地面堆載對(duì)隧道管片橢圓度幾乎無(wú)影響。在區(qū)域Ⅱ內(nèi)，隧道管片橢圓度沿著隧道縱向迅速增大，直至地面堆載中心處趨于穩(wěn)定達(dá)到峰值，橢圓度曲線依舊近似高斯分布。進(jìn)一步觀察可以看出，由于受地面堆載的影響，整個(gè)區(qū)間隧道的橢圓度從0.35‰增大至2.22‰，增大了近5.5倍。地面堆載正下方的隧道管片應(yīng)力受影響最為顯著，因此對(duì)該部位的管片變形及受力監(jiān)測(cè)和分析十分必要。

圖4 隧道豎向變形結(jié)果

通過(guò)分析隧道不均勻變形可以看出，由于受地面堆載的影響，區(qū)域Ⅱ內(nèi)環(huán)縫接頭部分張開(kāi)和錯(cuò)開(kāi)現(xiàn)象顯著，管片應(yīng)力也很大，因此接下著重分析該區(qū)域的環(huán)縫接頭變形及管片受力。

通過(guò)上述對(duì)隧道變形分析中可以看出，區(qū)域Ⅱ內(nèi)的環(huán)縫接頭出現(xiàn)較大的錯(cuò)臺(tái)和張開(kāi)現(xiàn)象，并且區(qū)域Ⅱ內(nèi)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象比張開(kāi)現(xiàn)象更為顯著，因此接下來(lái)著重分析錯(cuò)臺(tái)影響。沿隧道進(jìn)深方向的隧道錯(cuò)臺(tái)曲線如圖5(a)所示。圖5(a)中可以看出，由于地面堆載對(duì)區(qū)域Ⅰ的影響很小，因此該區(qū)域內(nèi)隧道錯(cuò)臺(tái)幾乎為0。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，隧道錯(cuò)臺(tái)在區(qū)域Ⅱ內(nèi)的曲線分布接近高斯分布，在距離隧道端部約41m處發(fā)生隧道最大錯(cuò)臺(tái)，對(duì)比圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)臺(tái)峰值發(fā)生的位置與隧道變形曲線的反彎點(diǎn)位置基本一致。由于地面堆載的影響，隧道拱腰處會(huì)發(fā)生側(cè)向錯(cuò)臺(tái)，圖5(b)隧道拱腰處側(cè)向錯(cuò)臺(tái)分布曲線。對(duì)比圖5(a)和5(b)可以發(fā)現(xiàn)，隧道拱腰處側(cè)向錯(cuò)臺(tái)分布規(guī)律與豎向錯(cuò)臺(tái)分布規(guī)律一致，拱腰處側(cè)向錯(cuò)臺(tái)峰值發(fā)生的位置同樣是在隧道變形曲線的反彎點(diǎn)位置，側(cè)向錯(cuò)臺(tái)峰值約為0.79mm。相較于隧道拱頂處只有豎向錯(cuò)臺(tái)，拱腰處即存在側(cè)向錯(cuò)臺(tái)，也存在豎向錯(cuò)臺(tái)，分別為0.76mm和0.79mm。因此，拱腰處的總錯(cuò)臺(tái)值為1.09mm，與拱頂處的錯(cuò)臺(tái)值一樣?？梢?jiàn)，隧道變形曲線的反彎點(diǎn)位置處的隧道拱頂和拱腰處的變形最為顯著，是導(dǎo)致隧道防水失效的重要位置。

圖5 隧道錯(cuò)臺(tái)分布曲線

5 結(jié)論

本文以某地鐵工程為背景，利用有限元軟件，建立了三維數(shù)值模型，研究了地面堆載對(duì)地鐵隧道的影響，揭示了隧道整體和隧道管片的變形規(guī)律。主要獲得以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）通過(guò)數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)成監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了所建立模型的合理性。隧道整體可分為基本不受堆載影響的區(qū)域Ⅰ和受堆載影響顯著的區(qū)域Ⅱ。區(qū)域Ⅱ內(nèi)環(huán)縫接頭部分張開(kāi)和錯(cuò)開(kāi)現(xiàn)象顯著，管片應(yīng)力也很大；

（2）區(qū)域Ⅱ中地鐵隧道的不均勻變形近似高斯曲線，在距離模型端部約40m的地方出現(xiàn)了隧道變形曲線的反彎點(diǎn)；

（3）拱腰處側(cè)向錯(cuò)臺(tái)峰值和拱頂處豎向錯(cuò)臺(tái)峰值的發(fā)的位置相同，均在隧道變形曲線的反彎點(diǎn)位置。隧道變形曲線的反彎點(diǎn)位置處的隧道拱頂和拱腰處的變形最為顯著，是導(dǎo)致隧道防水失效的重要位置。