软土盾构隧道上方加卸载影响分析及控制技术

随着城市化进程的加快和城市人口的不断导入，城市规模日渐扩大，市区地面交通拥堵，空气污染严重，出行效率大为降低，这类"大城市病"到了不得不解决的地步，轨道交通成为解决此类问题的最有效途径之一。截至2021年9月，全国开通轨道交通运营的城市已达49座，在建城市超过50座，建设强度之高、建设速度之快前所未有。像北京、上海、广州、深圳、成都、武汉、南京等城市运营规模都达到了400～800km，轨道交通客流量占公共交通的占比达到40%～70%，轨道交通在城市运行中正发挥着越来越重要的作用。
轨道交通高强度建设的同时也给运营管理带来莫大挑战。这些挑战主要源于对隧道检修技术、装备及经验等积累不足，从标准制订到检修养护作业等具体事项开展，普遍缺乏综合管理能力。另外，对影响隧道结构安全的因素也缺乏认知。客观上讲，影响隧道结构安全的因素很多，有地层因素、环境条件、结构施工初始质量、列车运行过程中产生的振动与通过的荷载大小、地面绿化造景、填埋河道与开挖等加卸载、邻近地铁的大量工程作业以及养护质量等影响因素，其中隧道上方大规模的加卸载对隧道变形和损害影响尤为明显。
近年来，全国发生了多起对隧道结构安全危害较为严重的工程案例，大规模的弃土、填土、建造房屋等工程对隧道形成了实质上的压载，对原有地层及隧道带来很大影响，轻者引起隧道变形和渗漏水，严重者甚至到了必须停运进行隧道加固治理的程度。在隧道上方的压载造成的危害可能非常严重。一般来讲，沉积地层多具有“上软下硬”的特点，不同地层加载引起的隧道变形特征也存在很大差异。如隧道穿越断面及以下地层都为相同或力学性质相似的地层，隧道变形特征主要以纵向沉降为主；如隧道穿越断面对应的地层的力学性能远差于隧道底部及以下地层的力学性能，则隧道变形特征以横向收敛变形为主。早在21世纪初，在对上海地铁1号线某段隧道检查检测时就发现某一地段存在较大变形，地面曾经反复进行过加卸载工程施工，经研究，制订了一整套“外控内治”治理方案，即“上卸载、内加固钢环”的方案，经过对隧道内外的工程治理，改善并最终稳定了隧道结构状态。
同样，隧道上方卸载也会对隧道结构安全带来威胁。无论开挖河道还是基坑施工等卸载都会对稳定的地层和隧道产生扰动，引起隧道受力状态发生改变，导致隧道结构管片产生变形。施工扰动程度不同隧道的影响也不同，一般来讲，同等开挖规模和施工条件下，在软土地层进行基坑开挖施工带来的影响尤为显著，必须采取措施加以控制。虽然与隧道上方的加载形式不同，但隧道上方的卸载同样亦会给隧道带来严重危害。
若能及时发现加卸载对隧道结构带来的危害，通过及时制止和纠正，能避免事故的发生，但这样做带来的问题是∶经济方面和时间成本都很高，隧道安全风险很高。鉴于众多惨痛经验教训，为避免类似风险的发生，需要建立从理论分析到工程实践的研究，以便及早发现、及时预警和及早处置。基于此，本书采用理论分析、模型试验和数值模拟方法，以上海典型地层为研究背景，分析了地面加载和邻近地铁区域卸载对盾构隧道的纵向变形和横向变形的影响。通过铁摩辛柯梁理论和 Pasternak 地基模型，建立了地面加载作用下隧道的纵向变形计算模型，考虑了加载尺寸、偏心距、地层特性等因素对隧道纵向变形和内力分析的影响；通过室内模型试验，系统地介绍了模型试验的制备过程，着重分析了不同穿越层条件下隧道横向变形的规律；采用数值模拟方式，进一步探明了堆载作用下上海地区三种隧道赋存地层条件下隧道结构的横向变形规律以及卸载作用下隧道变形的时间效应，为相应施工条件下隧道结构的安全提供理论指导；系统地阐述了加卸工况下软土地区隧道的变形规律和变形整治措施的现场工程案例，并结合工程案例，得到一些珍贵的工程数据，进而为发现隧道风险及处置风险提供坚实的理论基础和处置思路，可以为相关领域的研究与实践者学习借鉴。
本书成书过程中得到同济大学、上海勘察设计研究院（集团）有限公司等众多同志的大力帮助，袁强和方衍其同志在计算分析过程中的帮助尤甚，感谢王庭博博士、尹骥博士，感谢闫静雅博士、唐涛、陈颖、王鲁杰等同志在成文过程中大力帮助。
衷心感谢朱合华院士为本书写序，并在编写过程中给以诸多指导和帮助。本书还引用了申通地铁和其他兄弟城市的大量设计、施工、科研研究成果及实测结果，引用了地下工程和隧道方面的专业会议及论文数据在此表示感谢。
虽历经三年多时间努力成稿，但限于作者水平，书中难免存有欠妥之处，真诚欢迎读者提出批评意见和建议。

作 者
2022年6月于上海

盾构隧道结构安全的维护是轨道交通安全运营的重要保障，而隧道上方的加卸载作为对隧道结构变形影响最为明显的外因，已在全国引起多起对隧道结构危害严重的安全事故。为了避免该类事故的反复发生，加强轨道交通结构安全的辨识与处理，本书编者基于自身从业经验及工程实践成果，总结了该类问题的机理、研究过程及应对措施等。
《软土盾构隧道上方加卸载影响分析及控制技术》一书针对软土盾构隧道上方加卸载的工程问题，采用理论分析、模型试验、数值模拟与现场观测分析相结合的方法，以上海典型地层为研究背景，系统介绍了加卸载对盾构隧道纵向变形和横向变形的影响机理，通过对典型加载和卸载工程案例的长期监测和检查分析，提出相应的盾构隧道变形整治措施，形成加卸载设计施工管理控制标准，对指导隧道上方加卸载处置以及对保障隧道安全具有重要的工程实践意义。 本书既适合从事地铁建设、管理和运营维护的技术人员借鉴参考，也可作为高等学校相关专业研究生的教学参考书。

王如路：现任上海申通地铁集团有限公司副总工程师，兼任上海市第十三届政协常委会委员。1998年同济大学博士后工作站出站后一直致力于上海地铁运营隧道结构保护技术的研究与应用，先后获得上海市领军人才、首届刘建航院士基金奖，享受国务院津贴的全国专家等荣誉。工作期间主持、承担和参加研究课题达30项。获上海市科技进步一、二、三等奖共4项，上海市优秀发明选拔赛奖励3项，国土资源部科技进步二等奖2项，建设部三等奖1项,著作3本,实用新型专利2项，发明专利3项，发表论文40余篇。主编出版《城市轨道交通运营与维修技术丛书》《上海地铁监护实践》《软土地区地铁隧道结构安全预警预控与治理技术》《地下工程建设运维监测检测技术》、《软土盾构近距离穿越地铁运营隧道关键技术》等多部著作。
梁发云：现任同济大学岩土及地下工程J育部重点实验室副主任，兼任《岩土工程学报》和《中国公路学报》编委等。主要从事软土基础工程、城市地下工程以及海洋深水基础等领域的教学和科研工作，主持国家自然科学基金项目5项、省部级项目10余项，发表学术论文200余篇。研究成果获省部级科技进步奖一等奖1项和二等奖5项。获茅以升土力学及岩工程青年奖，入选上海市青年科技启明星计划和上海市人才发展资金资助计划等人才项目。主编出版《深水桥梁群桩基础冲刷机理及其承载性能演化》《高层建筑基础分析与设计》等多部著作。
李家平：现任上海地铁监护管理有限公司副总经理、总工程师，教授级高级工程师。长期从事轨道交通土建结构养护以及保护区管理及相关研究工作。先后参与科技部和上海市科研项目10余项，参编专业技术标准8部，取得授权专利6项，发表专业论文20余篇，获得上海市科技进步一等奖2项、二等奖3项、三等奖1项。
袁钊：现任上海勘察设计研究院（集团）有限公司岩土与地下空间工程大数据分析中心副主任。长期从事城市轨道交通精密工程测量、结构安全监测及评估研究工作，主持完成轨道交通测量、监测与评估咨询项目100余项；主持或子题负责参与完成市级重点科研课题近10项；获国家、行业及上海市优秀工程奖20余项，其中上海测绘科技进步奖2项，全国及上海市优秀工程设计奖一、二等奖14项；参编规范6部，获得专利16项。

第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1 
1.2 国内外研究现状 6
1.2.1 加卸载引起的附加应力场和位移场 6 
1.2.2 土体与隧道结构的相互作用分析 8 
1.2.3 数值分析方法 9 
1.2.4 模型试验方法 11 
1.3 研究内容 14
第2章 地面加载作用下隧道纵向变形理论计算研究 15
2.1 引言 15 
2.2 隧道纵向变形理论计算模型 15
2.2.1 地基模型 15 
2.2.2 隧道模型 17 
2.2.3 隧道变形计算模型 20 
2.2.4 地面加载作用下隧道附加应力计算 22 
2.2.5 模型正确性验证 28 
2.3 参数分析 29
2.3.1 隧道埋深 30 
2.3.2 加载大小 33 
2.3.3 加载范围 35 
2.3.4 加载偏心距 37 
2.3.5 土体模量 39 
2.3.6 土体性质对隧道纵向变形的影响 41 
2.3.7 堆载作用下隧道纵向变形安全系数评估 46 
2.4 小结 48
第3章 地面加载作用下隧道横向变形分析与模型试验 49
3.1 引言 49 
3.2 隧道横向变形分析模型 49
3.2.1 有限元模型 49 
3.2.2 参数分析 53 
3.2.3 变形规律总结 66 
3.3 模型试验分析 66
3.3.1 模型试验原理简介 66 
3.3.2 模型试验设计 67 
3.3.3 试验过程 71 
3.3.4 试验结果分析 73 
3.4 小结 79
第4章 上方卸载作用下盾构隧道变形数值分析 81
4.1 引言 81 4.2 土体本构模型及计算参数的选取 81
4.2.1 土体本构模型 82 
4.2.2 上海典型土层HSS模型参数试验研究 88 
4.3 数值计算模型及工况设定 104
4.3.1 有限元模型 104 
4.3.2 分析计算工况 107 
4.3.3 计算参数 108 
4.4 影响因素分析 109
4.4.1 开挖尺寸 109 
4.4.2 土体加固 114 
4.4.3 抗拔桩 120 
4.4.4 开挖时间 122 
4.5 小结 125
第5章 隧道上方加/卸载案例与控制治理技术 127
5.1 引言 127 
5.2 加载案例与控制治理 127
5.2.1 案例一∶某地铁隧道A区间上方堆载案例 127 
5.2.2 案例二∶某地铁隧道B区间上方道路加载案例 138 
5.3 卸载案例与控制治理 149
......

《软土盾构隧道上方加卸载影响分析及控制技术》一书采用理论分析、模型试验、数值模拟与现场观测分析相结合的方法，以上海典型地层为研究背景，结合上海20多年来建设运营管理中大量工程经验，系统研究了加卸载对盾构隧道纵向变形和横向变形的影响，形成加卸载设计施工管理控制标准，对指导隧道上方加卸载处置、保障隧道安全极富工程实践意义。