摘  要: 选择 HSS( Hardening Soil Small-Strain Model) 本构，建立二维平面应变模型，进行既有软土地铁隧道上地表大面积加卸载情况下土体固结分析。研究结果显示: ①大面积加载会增大衬砌结构的变形，并进而导致衬砌结构出现病害; ②渗漏水会增大衬砌结构的内力; ③回填土应及时卸除; ④卸载后土体回弹，但有一部分变形无法得到恢复，回填土厚度越大，无法恢复的沉降越大; ⑤在衬砌结构损伤的情况下，水平大直径卸载后无法恢复，最终表现为增长，根据曲线形态将沉降过程分为 5 个阶段。结合工程实例，对监测数据进行分析，验证上述结论。

关键词: 加卸载; HSS 模型; 软土; 地铁隧道

 

      软土的固有特性决定了处于软土中的既有地铁隧道会受到地表建筑活动的影响，《上海市轨道交通管理条 例》^［1］规定在轨道交通保护区范围内进行大面积加卸载，其方案要通过相关部门审核并采取相应的安全防护措施。戴宏伟等^［2］对地面加载对邻近地铁隧道的纵向变形和内力进行了研究，认为新加载对邻近地铁隧道纵向变形的影响明显，但文中并未考虑对隧道衬砌环的影响; 王涛等^［3］在进行施工方案设计时考虑了对地铁隧道的保护，采用挤塑板换土的方法确保上部加载小于 2t，保证了既有隧道的安全。目前对隧道横截面结构特性的研究主要是针对衬砌管片的设计，并未考虑后期可能的加、卸载。上海轨道交通某区间因地面大面积加载，造成衬砌结构开裂、螺栓帽脱落、衬砌渗漏水等病害。本文结合该工程对地面大面积加卸载对隧道衬砌环的影响进行分析研究。

 

      在既有地铁隧道上方进行大面积加卸载，文献［4］认为地铁周边土体处于小应变状态。文献［5］对目前常用的土体本构模型进行分析，由 Benz^［6］提出的考虑小应变范围内土体剪切刚度与应变非线性关系的 Hardening Soil Small-Strain Model( 简称为 HSS 模型) 适用于描述上海软土的土体剪切硬化、压缩硬化、加卸载、小应变等特性，因此，本文亦采用该本构进行研究，关于该本构的详细理论参见文献［6］。同时，文献［5］给出了上海地区典型土层 HSS 模型的参数，本文结合工程实际采用参数如表 1 所示。

      大面积加卸载对软土盾构隧道的影响因素主要包括加载大小、卸载时间、隧道埋深、渗漏水情况等。如图 1 所示，已运营隧道直径为 Φ ，埋深为 D ，回填土厚度为 H ，层数为 n，则分层回填层厚 h 为 h = H/n 。测点沉降为负，隆起为正，其中 A 表示拱顶测点，I 表示仰拱测点。

      上覆荷载的大小是大面积加载时首先要考虑的因素。分别对回填 2m、4m、8m、16m 厚度土体，隧道埋深为 6． 35m 情况下的盾构隧道拱顶、仰拱沉降和水平大直径变化进行分析。加载大小与沉降随时间变化关系曲线如图 2 所示。

      随着回填土厚度的增大，测点沉降不断增大; 卸载过程中回弹较快，卸载完毕后，仍有一个长期回弹的过程。先期加载越大，不可恢复变形越大。

      分别对回填 10d、0． 5a、2a、5a 后卸荷进行对比计算。卸荷时间与沉降随时间变化关系曲线如下图 3所示。

      从图 3 中可以看出，卸荷时间越晚，隧道最大沉降量越大。因此，应尽早卸荷，减小沉降的发展。

      从图 4 可以看出，埋深越大，大面积加卸载对隧道的影响越小。

      对卸载情况下衬砌结构是否透水进行对比分析，如图 5 所示。

 

      两种情况下的衬砌内力统计见表 2，不透水条件下衬砌结构的弯矩较小，相对的轴力值较大，对钢筋混凝土管片受力更为有利。

      对比不同影响因素下，沉降发展规律基本一致。大致可分为 5 个阶段: ①加荷快速沉降阶段; ②加荷结束后沉降继续发展阶段; ③卸荷快速回弹阶段; ④卸荷后的长期回弹阶段; ⑤固结沉降阶段; 其中，第 2 阶段可能发生衬砌结构破坏，第 3 阶段卸载衬砌结构快速回弹，如图 6 所示。

      区间隧道为单圆盾构隧道，隧道顶部埋深约 7 ～16． 6m，管片宽度 1． 2m、厚度 35cm、隧道设计内径 5． 5m。

      上行线位于堆土的正下方，下行线位于堆土东侧斜坡下方。堆土高度平均为 5m，最高处约 7m，之后隧道内部产生管片开裂、螺栓松脱以及纵缝张开现象，裂缝处漏水漏泥。

结合上述分析结果与现场情况，主要采取以下 3方面的措施进行处理:

      ( 1) 立即对隧道上方进行卸载施工，减轻荷载对隧道的影响。

      ( 2) 隧道内注浆堵漏并加强监测。

      ( 3) 对隧道结构进行补强。

      发现异常情况后，立即开始对现场进行卸载。卸载过程中及之后对隧道沉降和水平大直径收敛变化进行监测，监测结果见图 7。

      根据监测结果可以看出，随着卸载的进展，隧道出现明显的回弹，说明卸载起到了较好的效果。

      取代表性卸载段环号 428 卸载过程中及卸载后的隆起曲线进行分析如图 8，结合图 6 五阶段沉降发展过程来看，图 8 所示为第 4 阶段，应及时对存在病害的衬砌管片进行加固并进行注浆防水。

      通过对大面积加卸载对既有隧道的影响研究，认为影响加载对隧道影响的主要因素包括加载大小、卸载时间、隧道埋深和渗漏水等，主要结论有如下几点:

      ( 1) 衬砌结构渗漏水会增大衬砌结构的内力，应尽量确保衬砌结构的防水不失效。

      ( 2) 卸载后土体回弹，但有一部分变形无法得到恢复，回填土厚度越大，无法恢复的沉降越大。

      ( 3) 回填土应及时卸除，或采取相应的措施，置换土体，以减小荷载。

      ( 4) 结合某区间地表大面积加卸载工程实例，对监测数据进行分析，验证了上述结论的正确性。

 

［1］ 上海市人民代表大会常务委员会． 上海市轨道交通管理条例［S］． 上海，2006

［2］ 戴宏伟，陈仁朋，陈云敏． 地面新施工荷载对邻近地铁隧道纵向变形的影响分析研究［J］． 岩土工程学报，2006，28 ( 3 ) : 312-316 ( Dai Hongwei， Chen Renpeng，Chen Yunmin． Study on effect of construction loads on longitudinal deformation of adjacent metro tunnels ［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28( 3) : 312-316( in Chinese) )

［3］ 王涛，李浩，徐日庆． 上方大面积加( 卸) 载引起盾构隧道的变形分析［J］． 现代交通技术，2008，5( 3) : 29-31( Wang Tao，Li Hao，Xu Riqing． Analysis of deformation of shield tunnel when vertical loading and unloading［J］．Modern Transportation Technology，2008，5 ( 3) : 29-31 ( in Chinese) )

［4］ 汪中卫，王海飙，戚科骏，等． 土体小应变试验研究综述与评价［J］． 岩土力学，2007，28( 7) : 1518-1524( Wang Zhongwei，Wang Haibiao，Qi Kejun，et al． Summary and evaluation of experimental investigation on small strain of soil［J］． Rock and Soil Mechanics，2007，28 ( 7 ) : 1518-1524( in Chinese) )

［5］ 尹骥． 小应变硬化土模型在上海地区深基坑工程中的应用［J］． 岩土工程学报，2010，32( 增 1) : 166-172( Yin Ji． Application of hardening soil model with small strain stiffness in deep foundation pits in Shanghai［J］． Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32 ( S1) : 166-172( in Chinese) )［6］ Benz T． Small-strain stiffness of soils and its numerical consequ-ences［D］． Geotechnical Institute-Stuttgart University，2007