武 軍，廖少明，2，霍曉波

（1. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

1 引 言

在建盾構(gòu)隧道穿越運(yùn)營(yíng)地鐵日益增多，同時(shí)兩者之間的間距越來(lái)越小[1]，運(yùn)營(yíng)地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)其下方在建盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響也日益突出。目前地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)周圍環(huán)境的影響研究主要集中在其對(duì)地面臨近建筑物[2]和隧道周圍土體[3]與地下結(jié)構(gòu)體系[4]產(chǎn)生的影響，而地鐵列車振動(dòng)產(chǎn)生的大部分能量向下傳播[5]，因此地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)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(gòu)和土壓盾構(gòu)在飽和土體中掘進(jìn)時(shí)，在開(kāi)挖面前方均會(huì)產(chǎn)生很大的超孔隙水壓力，甚至能使有效應(yīng)力降為 0[7]。對(duì)于飽和松散砂土地層，超孔隙水壓力使開(kāi)挖面前方砂土局部液化的可能性大增，可能會(huì)引起開(kāi)挖面失穩(wěn)。當(dāng)盾構(gòu)在運(yùn)營(yíng)地鐵下方掘進(jìn)時(shí)，由于受地鐵列車振動(dòng)荷載的影響，超孔隙水壓力會(huì)比一般工況大大增加，從而大幅度提高開(kāi)挖面失穩(wěn)的可能性。從保證工程安全的角度考慮，盾構(gòu)穿越運(yùn)營(yíng)地鐵時(shí)地鐵應(yīng)停止運(yùn)營(yíng)，然而，地鐵在城市公共交通中越來(lái)越重要，如北京地鐵 2013年日均客運(yùn)量達(dá)1 027.6萬(wàn)人次[8]，停止地鐵運(yùn)營(yíng)勢(shì)必對(duì)市民的出行造成較大不便，對(duì)社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響。盾構(gòu)停止掘進(jìn)拼裝管片時(shí)超孔隙水壓力會(huì)大幅下降，排水性較好的砂性地層中超孔隙水壓力會(huì)降低約 80%，甚至完全消散[9]，而且拼裝一環(huán)管片所用的時(shí)間與盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)所需的時(shí)間規(guī)律性較強(qiáng)[7]，便于管理，可見(jiàn)地鐵在盾構(gòu)停止掘進(jìn)拼裝管片時(shí)恢復(fù)運(yùn)營(yíng)，是一種較為可行的選擇。

盾構(gòu)停止掘進(jìn)拼裝管片時(shí)地鐵列車動(dòng)荷載引起的超孔隙水壓力也會(huì)危害隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定，使泥水盾構(gòu)泥膜承受的壓力差大幅減小。泥膜是一種多孔彈性介質(zhì)[10]，當(dāng)承受的壓力差減小時(shí)，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(huì)重新滲透進(jìn)入地層，孔隙水壓力隨之增高，孔隙水壓力增高又進(jìn)一步降低泥膜承受的壓力差，使泥膜滲透性增大，如此反復(fù)，開(kāi)挖面穩(wěn)定性逐漸被破壞直至坍塌[10]。目前在盾構(gòu)穿越運(yùn)營(yíng)地鐵且停止掘進(jìn)拼裝管片時(shí)列車振動(dòng)荷載對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖面超孔隙水壓力的影響鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，很有必要對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究，為盾構(gòu)穿越運(yùn)營(yíng)地鐵提供理論指導(dǎo)。

本研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的地鐵列車振動(dòng)頻率及荷載對(duì)3種不同類型的砂土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，測(cè)試其在不同密實(shí)度、不同振動(dòng)振幅條件下的超孔隙水壓力的增長(zhǎng)規(guī)律，為泥水盾構(gòu)穿越飽和砂土地層中的運(yùn)營(yíng)地鐵的開(kāi)挖面穩(wěn)定控制提供依據(jù)。

2 動(dòng)三軸試驗(yàn)

在運(yùn)營(yíng)地鐵正下方土體直接埋設(shè)儀器，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)泥水盾構(gòu)穿越該地鐵時(shí)開(kāi)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(shè)監(jiān)測(cè)儀器需在運(yùn)營(yíng)地鐵管片上鉆孔會(huì)造成地鐵滲漏，而且監(jiān)測(cè)儀器可能會(huì)損壞盾構(gòu)刀具。因此，結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道的典型地鐵列車振動(dòng)荷載頻率、振幅，通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M泥水盾構(gòu)在運(yùn)營(yíng)地鐵正下方拼裝管片時(shí)，在地鐵列車振動(dòng)荷載作用下開(kāi)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(yùn)營(yíng)隧道列車行車荷載對(duì)下方正在建設(shè)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性的最大影響是盾構(gòu)平行下穿運(yùn)營(yíng)地鐵。動(dòng)三軸試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的典型工況如圖1所示，為不失一般性，運(yùn)營(yíng)隧道和建設(shè)隧道直徑D均為6.2 m，運(yùn)營(yíng)隧道上覆土厚度C1= D，下方在建隧道拱頂距運(yùn)營(yíng)隧道底部間距C2= 0.5D，假設(shè)土樣所在位置在建隧道開(kāi)挖面中部。

圖1 動(dòng)三軸試驗(yàn)對(duì)應(yīng)典型工況示意圖Fig.1 Sketches of study case at dynamic triaxial test

當(dāng)盾構(gòu)從下方穿越運(yùn)營(yíng)地鐵時(shí)需嚴(yán)格控制開(kāi)挖面支護(hù)壓力，以免造成運(yùn)營(yíng)地鐵沉降或隆起影響地鐵的正常運(yùn)營(yíng)。理想狀態(tài)下開(kāi)挖面支護(hù)壓力應(yīng)使開(kāi)挖面前方土體的有效應(yīng)力處于靜止應(yīng)力狀態(tài)，但在實(shí)際施工時(shí)受盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)、操作水平等條件的限制，支護(hù)壓力不是長(zhǎng)期均衡的維持在一個(gè)壓力值不變，而是不斷的小幅波動(dòng)，其波動(dòng)幅度一般不大于10%[11]。支護(hù)應(yīng)力越小，地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)飽和土體超孔隙水壓力的影響越明顯。本次選取支護(hù)壓力為靜止土壓力和在靜止土壓力基礎(chǔ)上卸荷 5%和10%三種工況，但是，支護(hù)力卸荷也會(huì)引起開(kāi)挖面前方土體水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力的同時(shí)降低，這一過(guò)程較為復(fù)雜。為研究超孔隙水壓力的增長(zhǎng)對(duì)哪個(gè)方向的應(yīng)力卸荷更為敏感，在動(dòng)三軸試驗(yàn)時(shí)，分別進(jìn)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(jié)構(gòu)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(diǎn)的水平向土壓力也會(huì)相應(yīng)降低。假設(shè)地下水位位于地表，則土樣所在位置豎向壓力為

2.2 試驗(yàn)材料

砂土的物理力學(xué)性質(zhì)主要取決于顆粒組成的特性，在振動(dòng)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(guān)，而砂土孔隙體積由砂土顆粒級(jí)配特別是細(xì)粒含量以及砂土密實(shí)度決定。當(dāng)砂土中細(xì)粒含量小于30%時(shí)，細(xì)粒填不滿粗顆粒的孔隙，因此對(duì)孔隙體積起控制作用的是粗顆粒間的孔隙；當(dāng)細(xì)粒含量大于30%時(shí)，砂土的孔隙開(kāi)始于細(xì)粒發(fā)生密切關(guān)系；當(dāng)細(xì)粒含量大于70%時(shí)，粗顆粒只起填充作用，對(duì)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(xì)石英砂為基礎(chǔ)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(jiàn)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(yàn)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(dòng)荷載的確定

唐益群等[15]通過(guò)對(duì)上海地鐵 2號(hào)線靜安寺站-江蘇路站區(qū)間隧道附件施打鉆孔埋設(shè)儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到地鐵列車經(jīng)過(guò)時(shí)引起隧道周圍土體響應(yīng)，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(guò)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)作用的時(shí)間一般為11～16 s，最長(zhǎng)20 s。考慮到列車及隧道體系施加給隧道底部的靜止附加應(yīng)力在20～40 kPa之間（隧道軸線埋深為 11～14 m的工況）?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料表明，地鐵經(jīng)過(guò)時(shí)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(yùn)行間隔一般為3～5 min，這段時(shí)間內(nèi)超孔隙水壓力基本可以消散。實(shí)測(cè)工況與本文模擬工況類似，而且地鐵列車振動(dòng)荷載引起的超孔隙水壓力在列車運(yùn)營(yíng)間隔時(shí)間內(nèi)基本消散，因此，不必考慮動(dòng)荷載對(duì)超孔隙水壓力的長(zhǎng)期影響，只考慮列車通過(guò)一次時(shí)其對(duì)砂土超孔隙水壓力的影響。

本次研究取最不利情況，動(dòng)荷載頻率f = 2.5 Hz，振動(dòng)時(shí)間20 s，振動(dòng)次數(shù)N = 50次。振動(dòng)荷載基準(zhǔn)值σDo= 30 kPa，地鐵列車振動(dòng)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(shí)段其產(chǎn)生的振動(dòng)荷載振幅也有所不同。為較為全面地研究地鐵列車振動(dòng)荷載作用下飽和砂土超孔隙水壓力的變化情況，本文振動(dòng)荷載振幅取 5、10、15、20、25、30 kPa[3]。

2.4 試驗(yàn)儀器及步驟

試驗(yàn)采用多功能動(dòng)態(tài)循環(huán)三軸試驗(yàn)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(shí)土樣不均勻性較大，容易使粗粒沉積于土樣底部，細(xì)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(shí)至所需高度，最終制成直徑為38 mm、高80 mm的砂土樣。拆模時(shí)，先給土樣施加-10 kPa的負(fù)壓，以減少對(duì)土樣的擾動(dòng)[18]，然后對(duì)土樣反壓飽和，當(dāng)Skempton B值大于0.98后，對(duì)土樣進(jìn)行K0固結(jié)。待固結(jié)完成后進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。需進(jìn)行軸壓或圍壓卸荷的試樣，在固結(jié)完成后對(duì)試樣按要求卸荷至所需壓力值，待其變形穩(wěn)定后再進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。

3 超孔隙水壓力的變化規(guī)律

圖3～5分別為支護(hù)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(dòng)荷載振幅對(duì)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(dòng)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(shí)這種現(xiàn)象并不明顯；靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)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(chǎn)生的超孔隙水壓力最大值相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)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(chǎn)生的超孔隙水壓力最大值相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生的超孔隙水壓力最大值分別增加43.91%和168.32%，說(shuō)明卸荷狀態(tài)在相同振幅的地鐵振動(dòng)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(duì)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(dòng)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(shí)砂土中產(chǎn)生的超孔隙水壓力小于松散砂土中的的超孔隙水壓力；當(dāng)砂土中粗粒含量占主導(dǎo)且含量較為接近時(shí)，相對(duì)密實(shí)度比粗粒含量對(duì)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(dòng)荷載振幅對(duì)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(dòng)荷載振幅對(duì)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(dòng)荷載振幅對(duì)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(shuō)明，由于本次只進(jìn)行了單向應(yīng)力卸荷，而實(shí)際工程中開(kāi)挖面支護(hù)力卸荷會(huì)導(dǎo)致土體水平和豎向應(yīng)力同時(shí)卸荷，所以，實(shí)際工程中在開(kāi)挖面支護(hù)力卸荷狀態(tài)下地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)土體超孔隙水壓力的影響比本次動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果更大。

雖然地鐵列車振動(dòng)荷載引起的開(kāi)挖面超孔隙水壓力絕對(duì)數(shù)值不超過(guò)6 kPa，但泥水盾構(gòu)停止掘進(jìn)拼裝管片時(shí)，需在開(kāi)挖面施加一個(gè)略大于靜止水土壓力約20 kPa的支護(hù)力[18]，以抵消泥膜形成后殘留的超孔隙水壓力uc，泥膜兩側(cè)壓力差p一般應(yīng)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(kāi)挖面的雙向卸荷，則振動(dòng)荷載產(chǎn)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(duì)地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)泥膜滲透性的影響做進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

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

（2）相對(duì)于靜止壓力狀態(tài)，開(kāi)挖面支護(hù)力減小會(huì)使地鐵列車振動(dòng)荷載引起的超孔隙水壓力顯著增加，而且土體豎向應(yīng)力卸荷比水平應(yīng)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(dòng)荷載引起的開(kāi)挖面超孔隙水壓力絕對(duì)數(shù)值不大，但能使泥水盾構(gòu)泥膜承受的壓力差至少減小約33%。

[1] 廖少明, 楊宇恒. 盾構(gòu)上下夾穿運(yùn)營(yíng)地鐵的變形控制與實(shí)測(cè)分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2012, 34(5): 812－818.LIAO Shao-ming, YANG Yu-heng. Deformation analysis and control of a running subway crossed by upper and lower-shield in succession[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(5): 812－818.

[2] 夏禾. 交通環(huán)境振動(dòng)工程[M]. 北京. 科學(xué)出版社, 2010:239－297.

[3] 劉莎. 地鐵行車荷載作用下隧道周圍飽和軟粘土流變效應(yīng)研究[D]. 上海: 同濟(jì)大學(xué), 2008.

[4] THUSYANTHAN N I, MADABHUSHI S P G.Experimental study of vibrations in underground structures[J]. Geotechnical Engineering, 2003, 156(2):75－81.

[5] GUPTA S, STANUS Y, LOMBAERT G, et al. Influence of tunnel and soil parameters on vibration from underground railways[J]. Journal of Sound and Vibration, 2009, 327: 70－91

[6] GUAN F, MOORE I D. Three-dimensional dynamic response of twin cavities due to traveling loads[J].Journal of Engineering Mechanics, 1994, 120(3): 637－651.

[7] BEZUIJEN A, TALMO A M. Processes around a TBM[J].GEOtechniek, 2008, 4: 50－58.

[8] 白亞飛. 大客流條件下地鐵車站的脆弱性研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2013.

[9] BROERE W. Influence of excess pore pressures on the stability of the tunnel face[C]//Claiming the Underground Space. ITA, Amsterdam: [s.n.], 2003: 759－765.

[10] CHRISTENSEN M L. The effect of filter cake viscoelasticity on filtration—A study of activated sludge dewatering[D]. Aalborg, Denmark: Aalborg University,2006.

[11] BEZUIJEN A, JOUSTRA J F W, TALMON A M, et al.Pressure gradients at the tunnel face of an earth pressure balance shield[C]//Underground Space Use: Analysis of the Past and Lessons for the Future. London: Taylor &Francis Group, 2005: 809－814.

[12] 劉健航, 侯學(xué)淵. 盾構(gòu)法隧道[M]. 北京. 中國(guó)鐵道出版社, 1991: 178－183.

[13] 廖少明, 楊俊龍, 奚程磊, 等. 盾構(gòu)近距離穿越施工的工作面土壓力研究[J]. 巖土力學(xué). 2005, 26(11): 1727－1730.LIAO Shao-ming, YANG Jun-long, XI Cheng-lei, et al.Approach to earth balance pressure of shield tunneling across ultra-near metro tunnel in operation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(11): 1727－1730.

[14] 劉杰. 土的滲透穩(wěn)定與滲流控制[M]. 北京: 水力水電出版社, 1992: 25－31.

[15] TANG Yi-qun, CUI Zhen-Dong, ZHANG Xi, et al.Dynamic response and pore pressure model of the saturated soft clay around the tunnel under vibration loading of Shanghai subway[J]. Engineering Geology,2008, 98: 126－132.

[16] BAZIAR H, DOBRY R. Residual strength and large-deformation potential of loose silty sands[J].Journal of Geotechnical Engineering, 1995, 121(12):896－906.

[17] SITHARAM T G, GOVINDARAJU L. Pore pressure generation in silty sands during cyclic loading[J].Geomechanics and Geoengineering, 2007, 2(4): 295－306.

[18] 閔凡路, 朱偉, 魏代偉, 等. 泥水盾構(gòu)泥膜形成時(shí)開(kāi)挖面地層孔壓變化規(guī)律研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013,35(4): 722－727.MIN Fan-lu, ZHU Wei, WEI Dai-wei, et al. Change of pore water pressure in soil as filter cakes formed on excavation face in slurry shield[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(4): 722－727.