張慶波，劉柯廷，梁宇航，胡贊濤

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

國內(nèi)外關于隧道上部填土對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響研究比較多，而對受單側(cè)偏壓填土影響的隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的研究相對較少.張勝等[1]依托向家壩水電站的姚家壩隧道，對淺埋偏壓隧道的進洞方案進行優(yōu)化，并分析了隧道洞口邊坡穩(wěn)定性.張明告等[2]結(jié)合模型試驗與有限元模擬對超載導致的隧道土壓力變化進行研究，分析了穿越土層的壓縮性能對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響；江杰等[3]運用Boussinesp法，計算隧道在地面堆載作用下，隧道豎向附加應力的變化趨勢；康成等[4]研究了地表臨時堆載對隧道結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)提高隧道的抗彎剛度與隧道基床反應力系數(shù)可以有效減小隧道的沉降變形；呂荔炫[5]研究了地面堆載對軟土環(huán)境中隧道變形的影響規(guī)律，認為CFG樁與水泥土攪拌樁的結(jié)合能滿足隧道變形要求；王大發(fā)[6]在研究新建地下工程對跨越已建隧道的影響時，認為分段式開挖能減小隧道的豎向隆起變形；吳慶等[7]在研究隧道埋深與堆載位置對盾構(gòu)隧道的影響時，結(jié)合室內(nèi)模型試驗總結(jié)了盾構(gòu)隧道在堆載作用下的變形規(guī)律；張強[8]對地鐵隧道的豎向變形規(guī)律進行研究，提出了明挖卸荷與暗挖卸荷2種條件下隧道豎向變形公式；陳軍等[9]在研究靜壓擠土樁對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響時，發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)位移隨著樁與隧道之間間距的增大而減??；盧裕杰[10]研究了填土對既有淺埋隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)填土將導致襯砌整體下沉，并提出容許填土厚度與原有覆蓋土厚度的關系.

本文依托梅林路鐵路隧道結(jié)構(gòu)安全性評估項目，使用MIDAS/GTS分析單側(cè)偏壓填土對梅林路鐵路隧道所受土壓力與隧道結(jié)構(gòu)位移變化趨勢的影響，了解隧道結(jié)構(gòu)在偏壓填土作用下襯砌受力與位移的變化趨勢.

1 工程概況

既有梅林路鐵路隧道位于益陽市梅林路和石長線鐵路交叉處，為單線電氣化隧道.該鐵路線路為客貨兩用，設計速度為160 km/h，采用重型軌道，碎石道床，鋪設鋼筋混凝土軌枕.研究區(qū)位于益陽市城區(qū)南側(cè)邊緣，東北側(cè)距益陽市火車站直線距離約3.5 km，有梅林路通達，交通便利，位置詳見圖1.鐵路隧道呈東南-西北走向，隧道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬13.9 m，高8.5 m，頂板厚0.8 m，側(cè)板厚0.6 m.隧道南側(cè)為人工填土區(qū)，填土最大高度達8.36 m，填土形成的邊坡坡度約為25°，為近期新填土.根據(jù)勘探結(jié)果，該區(qū)域原地層主要由種植土與板巖構(gòu)成.種植土呈黃褐色-灰褐色，由粘性土夾植物根莖和少量碎石組成，處于軟塑-可塑狀態(tài)，具有較高的壓縮性.板巖呈黃褐色-紅褐色，其礦物成分主要為黏土質(zhì)，巖體基本上風化為土狀，部分夾有石英和強風化板巖殘塊，風化裂隙極為發(fā)育，巖體極破碎，鉆探取樣巖芯為碎塊狀，用手可輕易將巖芯折斷，且?guī)r芯遇水易軟化崩解.

圖1 區(qū)域交通位置(谷歌衛(wèi)星圖)

研究區(qū)內(nèi)地表水體較不發(fā)育，地表徑流主要通過城市排水系統(tǒng)排泄，地下水主要由大氣降水補給，地表無徑流、無常年流水沖溝，降雨形成的地表水大部分形成地表漫流、部分下滲到地下形成地下水，地下水總體上沿基巖風化裂隙、巖土接觸面和滑坡體裂隙發(fā)育帶由西向東徑流，局部上層滯水直接以滲水形式排泄至填土坡體前緣坡腳.

2 填土對既有隧道的影響分析

2.1 模型建立

為分析單側(cè)填土對既有隧道的影響，以石長鐵路梅林路隧道為例，簡化地形，并利用MIDAS/GTS軟件進行數(shù)值模擬，模型見圖2.

圖2 有限元模型及邊界條件

模型沿線路方向長70 m，寬度50 m，全部采用實體單元.參照《鐵路隧道設計規(guī)范》[11](TB10003-2016)，隧道混凝土材料參數(shù)采用C30混凝土標準，隧道寬13.9 m，高8.5 m，頂板厚0.8 m，側(cè)板厚0.6 m，新填土按2級放坡.

為滿足邊界效應要求，并充分考慮填土對既有隧道的影響范圍，邊界條件的設置為：對模型底面約束3個方向的位移，對垂直于線路方向的邊界面約束z方向的位移，對平行于線路方向的邊界面約束x方向的位移.

在模型中，填土的情況可以簡化為：先行計算填土前，隧道及其周邊的應力與位移變化情況；然后研究不同填土類型對隧道左側(cè)的變形影響，對比分析填土在暴雨環(huán)境與天然環(huán)境中，隧道的應力變化與位移變化.

為研究新填土性質(zhì)和氣候環(huán)境對隧道結(jié)構(gòu)的影響，選擇了4種工程性質(zhì)由優(yōu)至劣的新填土進行計算，同時針對每種新填土的計算又分為天然環(huán)境和暴雨環(huán)境2個工況，共進行了8組工況的計算，隧道及原有土體材料參數(shù)如表1所示，不同種類新填土在不同工況條件下的土體材料參數(shù)見表2，其中工況1為一般工況的填土環(huán)境，其計算參數(shù)采用該區(qū)域填土力學參數(shù)推薦值.

表1 隧道及原有土體材料參數(shù)

表2 不同種類新填土在不同工況下土體材料參數(shù)

2.2 計算分析

2.2.1 土壓力分析

為分析隧道結(jié)構(gòu)所受土壓力的分布情況，首先對隧道在無新填土時，隧道結(jié)構(gòu)側(cè)壁土壓力進行模擬計算，其變化情況見圖3.而新填土對隧道結(jié)構(gòu)所受土壓力的影響，以工況1的新填土為例進行模擬，隧道側(cè)壁土壓力變化情況見圖4.

圖3 無新填土時隧道側(cè)壁的土壓力分布情況

通過圖3和圖4對比分析無新填土與工況1的新填土垂直于線路的側(cè)向土壓力分布情況，在無新填土時，考慮土體固結(jié)的影響，但不考慮原有填土對隧道側(cè)壁土壓力的影響，由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)的反作用力，隧道臨空側(cè)的側(cè)壁土壓力數(shù)值出現(xiàn)負值，且隨原有覆蓋層厚度變化，最大值出現(xiàn)在隧道側(cè)邊墻下部1/3處.在填土后，隧道部分區(qū)域側(cè)壁土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，主要出現(xiàn)在隧道襯砌的上部頂板處與無新填土側(cè).隧道填土側(cè)土壓力明顯變大，變化區(qū)域與填土的范圍有關，填土區(qū)域的側(cè)壁土壓力表現(xiàn)為負值，但是與無新填土的側(cè)壁土壓力值相對比，土壓力增大約4倍.填土后，側(cè)壁土壓力分布變得不均勻，但側(cè)壁土壓力最大值仍在隧道側(cè)邊墻下部1/3處，隧道無填土側(cè)的土壓力也會隨著新填土而發(fā)生變化，但數(shù)值變化較小.由此可知，新填土后，隧道結(jié)構(gòu)所受的土壓力會隨著填土而增大，但最大值一直位于隧道側(cè)邊墻下部1/3處，土壓力增大的程度在隧道側(cè)邊墻下部1/3處對稱分布.

圖4 有新填土后(工況1)隧道側(cè)壁的土壓力分布情況

對其他幾種填土工況進行數(shù)值模擬計算，結(jié)果見表3和圖5.由表3可知，在工況8時，新填土后隧道左壁土壓力峰值最大，為66.5 kPa.此工況同樣是新填土后隧道左壁土壓力峰值增量的最大值，為46.4 kPa.綜合圖3、圖4以及表3，可知隧道左壁土壓力明顯增長范圍的縱向(沿線路方向)長度大致與新填土縱向長度相同，高度大約距離地面2～4 m.在各工況下，結(jié)合圖5可知，填土可使隧道左壁土壓力峰值增加42.0～46.4 kPa，填料工程性質(zhì)越差或降雨量越大，隧道左壁的土壓力峰值越高，但提升幅度不大.

表3 不同工況條件下隧道左壁土壓力峰值變化

圖5 不同工況條件下隧道左壁土壓力峰值增量

2.2.2 位移分析

為了解不同工況條件下，偏壓填土對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，以工況1為例進行分析，填土的總體位移云圖見圖6，隧道位移平面矢圖見圖7，隧道側(cè)壁總位移云圖見圖8.

圖6 有新填土時填土的總體位移(工況1)

從圖6可知，工況1條件下的填土在重力作用下，新填土體的位移受自身固結(jié)因素的影響，越靠近新填土邊緣區(qū)域，填土的位移越大，且填土的位移方向與原始地面線方向平行.對土體的位移變化趨勢分析，有助于了解偏壓填土對隧道結(jié)構(gòu)的位移影響.由圖7可知，偏壓填土一側(cè)的隧道結(jié)構(gòu)位移遠大于其相對側(cè)面結(jié)構(gòu)的位移.偏壓填土側(cè)面的隧道結(jié)構(gòu)位移大小在7.05～6.05 mm之間，且越靠近隧道底部，位移趨勢越大，并向隧道內(nèi)側(cè)方向變形；偏壓填土相對側(cè)面的隧道結(jié)構(gòu)的位移量基本相同，位移大小在3.05～2.05 mm之間，且位移方向與隧道側(cè)壁基本呈垂直狀態(tài).

圖7 隧道結(jié)構(gòu)位移平面矢量圖(變形放大)

由圖8可知，隧道結(jié)構(gòu)的最大變形位置與偏壓填土位置有關，其最大位移變化區(qū)域位于偏壓填土側(cè)的隧道結(jié)構(gòu)底部位置，且相對偏壓填土側(cè)面的隧道結(jié)構(gòu)頂角處的位移變化最小.在新填土堆載作用下，偏壓填土側(cè)面隧道結(jié)構(gòu)最大位移變化為8 mm，另一側(cè)隧道頂角位移變化為2 mm.

圖8 隧道側(cè)壁總位移云圖

既有線路的沉降控制標準與鐵路運營的速度和軌道平順性有關，同時也需要考慮結(jié)構(gòu)的安全與耐久性.隧道結(jié)構(gòu)過大的變形將導致混凝土襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)或擴展，產(chǎn)生漏水、漏沙等病害，導致隧道周邊土體被帶出，形成中空帶，從而導致隧道上覆土體出現(xiàn)病害，并威脅到隧道結(jié)構(gòu)的安全.因此，為了解不同新填土及不同降雨強度對隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響，通過數(shù)值模擬分析隧道結(jié)構(gòu)在8種不同工況條件下的位移變化趨勢，結(jié)果見表4和圖9.

表4 不同工況條件下隧道最大位移變化 mm

由圖9可以看出，隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移基本不受新填土土體種類與降雨強度的影響.但隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移與最大總位移受降雨強度的影響較大，降雨將使隧道結(jié)構(gòu)的位移增大約1.5 mm，因此需要特別注意暴雨條件下時，隧道結(jié)構(gòu)的變化趨勢.

圖9 隧道結(jié)構(gòu)位移與工況類別關系曲線

3 現(xiàn)場監(jiān)控及分析

3.1 監(jiān)控量測內(nèi)容及方法

為驗證偏壓填土對隧道支護結(jié)構(gòu)的影響，對隧道結(jié)構(gòu)進行收斂變形監(jiān)測，監(jiān)測工作不影響鐵路的運營，采用激光測距儀對隧道收斂變形進行監(jiān)測，激光測距儀布設從隧道口向隧道內(nèi)進行，沿隧道2側(cè)邊墻的1/2高度處布設.隧道拱頂為激光反射板，布設位置為拱頂中心線，每隔10 m為1個測量斷面.激光測距儀通過反射片反射激光得到儀器之間的距離變化，進而計算出隧道結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點的收斂變化值，激光測距儀的測量精度為0.01 mm，遠高于隧道規(guī)范[12]要求的凈空變化測量儀器精度0.5～1.0 mm，數(shù)據(jù)采集使用線上自動采集，可長期對隧道的變形進行監(jiān)測.監(jiān)測儀器布置位置如圖10所示.

圖10 監(jiān)測儀器布置位置

3.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

隧道偏壓填土區(qū)段為20～40 m，填土后隧道2側(cè)邊墻各實測點的累計位移與數(shù)值模擬計算的累計位移沿隧道縱向的變化曲線對比見圖11.

圖11 隧道側(cè)邊墻沿隧道縱向的累計位移變化曲線

由圖11可知，偏壓填土后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形，且偏壓填土側(cè)的位移明顯大于無填土側(cè).測量區(qū)段偏壓填土一側(cè)最大位移量為5.47 mm，無偏壓填土一側(cè)的最大位移量為2.67 mm，隧道變形范圍為10～50 m，略大于填土區(qū)間段.對比數(shù)值計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測數(shù)值的最大值小于數(shù)值計算值，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因為襯砌結(jié)構(gòu)本身能夠抵抗部分變形，且原有填土能自承受部分壓力.數(shù)值模擬計算值雖大于實測值，但變形趨勢與實測值相同，故可使用數(shù)值模擬對類似工程進行變形趨勢判斷，指導現(xiàn)場監(jiān)測工作.

4 結(jié)論

1)新填土后，在隧道結(jié)構(gòu)左壁出現(xiàn)土壓力明顯增長，長度大致與新填土縱向長度相同，高度距離地面2～4 m.2)無新填土時，左壁土壓力峰值約為20.1 kPa；填土后，隧道側(cè)壁土壓力峰值增加42.0～46.4 kPa，填土的工程性質(zhì)變化對土壓力的影響較小.3)在新填土堆載作用下，隧道結(jié)構(gòu)偏壓填土側(cè)有相對隧道側(cè)邊墻斜向下變形的趨勢，位移最大位于隧道結(jié)構(gòu)偏壓填土側(cè)后方，縱向大致與最高填土位置平齊.4)對于同一種填料，暴雨工況下的位移相對天然工況會明顯增加，而且土的性質(zhì)越差，增加幅度越大，增幅范圍為19.5%～22.0%.5)偏壓填土造成隧道的最大水平位移與最大總位移變化趨勢相同，但是對隧道最大豎向位移影響較小.6)淺埋隧道偏壓填土后，需要布置好填土區(qū)域的排水措施，減少雨水對淺埋隧道結(jié)構(gòu)安全的影響.