土堆荷载作用下粉土层浅埋地铁隧道的结构破坏

摘要

基于天津某地铁区间盾构隧道因地表土堆引起的结构破坏，模拟了土堆荷载作用下盾构隧道管片的变形和开裂过程，分析了管片、锚杆和钢筋应力随土堆高度的变化规律，结果表明：对于交错连接的组合式盾构隧道，其穿过海相沉积淤泥，埋深为10 m、 当堆载为16.0时，随着堆载的增加，损伤集中在拱顶和拱顶 kPa，节段损坏；当堆载达到38.6时，拱顶的裂缝深度和螺栓轴向力迅速增加 kPa.分析结果与监测数据基本一致，根据以上分析，堆载控制标准为38.6 研究结果可为类似地铁隧道的土堆荷载控制和结构防护提供数据参考。

1.介绍

随着城市基础设施建设的快速发展和轨道交通网络的不断完善，地铁附近开始出现不同形式的新施工，如打桩、开挖、穿越等，对运营中的隧道结构产生一定的影响。其中，地表土丘引发的结构安全隐患问题突出[1.,2.］.黄(3.]报告称，在153个路段内发生异常沉降 2013年，由于土堆荷载，广州地铁的土堆高度为m。2014年，中国上海地铁沿线发生了多达16起突发性堆土事件，其中某段以上土堆的最大高度达到7 m、 导致结构的最大水平膨胀超过21 cm，拱顶混凝土砌块倒塌，部分螺栓断裂[1.］.因此，研究土丘作用下隧道的变形破坏过程，对于提出合理的土丘控制标准，有效应对土丘病害具有重要意义。

在目前可用的土丘荷载研究中，Atkinson和Potts[4.]采用室内模型试验研究了均匀土墩荷载作用下隧道衬砌结构的内力分布特征。通过模型试验，Wu和Du [5.]探索了隧道变形、埋深和土墩位置之间的关系。根据这些研究，对于埋深小于直径两倍的隧道，土墩距离隧道中心线的距离应大于直径的两倍。通过进行模型试验和三维数值分析，Zhang等人。 [6.]的研究发现，跨土层的压缩模量越大，土丘对隧道的影响就越小。Hudoba [7.]建立了有限元模型，研究了土墩荷载作用下既有隧道结构的内力和变形，研究结果与竖向连接刚度较大时的实际情况吻合较好[8.]研究了隧道沉降与土堆荷载之间的关系，得出隧道沉降随土堆荷载的增加近似线性增加的结论[9，隧道沉降量与土墩荷载范围成正比。根据上述结果，土丘对隧道结构的影响随地质条件和埋深的不同而有较大差异。

本研究以天津某地铁隧道断面为研究对象，该断面跨越海洋沉积粉砂层，埋深为10 m。隧道在运行期间，隧道上方地面发生大面积土桩，造成断面开裂、漏水、板端断裂、接缝开裂、轨床分离等结构病害，严重威胁地铁运行安全。以穿越海洋沉积粉砂层、埋深10 m的交错节理组合式盾构隧道为研究对象，通过现场监测，对土丘引起的结构性病害进行了研究。分析了隧道变形及管片、锚杆和钢筋应力随土墩高度的变化规律，揭示了管片开裂和结构损伤的演化机理。并提出了以地面附加荷载为指标的土墩控制标准，对类似地质条件下地铁隧道上部土墩的控制具有一定的参考价值。

2.工程背景及病害调查结果

2．1．工程背景

受古黄河和海河的聚集作用以及海洋动力作用的影响，本研究的研究对象领域主要包括冲积平原和海洋沉积平原，其中海洋沉积粉砂分布广泛，因此，地铁隧道对地面上的土丘非常敏感。该段隧道埋深为8.1 ~ 10.4 m，地下水位为1.5 m，隧道主要穿越粉砂层，上覆土层为平填层、粘土层和粉砂层(图)1.).外径为6.2 m、 这条隧道由35人组成 cm厚C50钢筋混凝土节段，主筋采用HRB335钢筋，环宽1.2 m、 每环节段错接组装，包括三个标准块、两个相邻块和一个顶块，周向和纵向连接螺栓采用M30螺栓，等级为5.8，节段结构如图所示2.．如图所示3.，土丘范围主要为K2 + 800至K2 + 913，高度为8 M

2.2.土堆荷载下的结构病害检查

根据现场监测和试验数据，隧道承受了来自上部土墩的较大附加荷载，导致了结构变形、开裂、漏水、接缝开裂、板端断裂等各种病害。且K2 + 843 ~ K2 + 903段的结构病害较其他段更为严重。这些疾病的分布如图所示4.．

2.2.1。变形和结算

K2 + 850 ~ K2 + 900剖面结构发生变形，在K2 + 878剖面水平变形最大，为9.6 cm;远处未破损的部分变形基本为2 ~ 4厘米。可以认为，荷载引起的水平膨胀为5.6 ~ 7.6 cm，此段隧道沉降也最大(11.3 cm)(图5(一个)）.

2.2.2.开裂

如图所示5 (b)时，K2 + 850 ~ K2 + 895段相邻弧块内形成大量纵向裂纹，沿轴向贯穿整环段。裂缝深度为5 ~ 15 cm，最大裂缝位于K2 + 875拱顶处，未损伤段未出现裂缝。

2.2.3。接缝开裂和板端断裂

在K2 + 861 - K2 + 903区间，顶部区块有明显的入侵迹象(图)4.）.纵缝最大开度为12 mm，板端纵缝最大断度为11.0 mm，而未损伤截面的板端纵缝最大开度约为8.5 mm，断度约为6.5 mm。由此可见，在本段中，由于土墩的存在，纵缝开口增加了3.5 mm，板端断裂增加了4.5 mm(图)5 (c)）.

2.2.4.漏水

由此可以推断，土墩不仅造成拱顶内接缝变形明显，而且还导致拱顶外侧接缝变形较大，导致接缝防水性能下降，出现漏水的风险。研究发现，K2 + 846 ~ K2 + 903区间的hance和弧形底部存在较强的渗水破坏，部分区域还伴有漏砂现象，这与节理变形是一致的(图)4.）.

检查结果表明，地铁隧道在土墩下遭受了极其严重的破坏。一些研究人员的研究表明，接缝的打开和漏水将降低结构的强度，并可能改变隧道的应力状态[10,11]。在极端情况下，漏水可能会造成土壤侵蚀，并导致岩土工程危害[12］.

在此基础上，对土堆荷载作用下隧道的应力、变形特征和损伤演化机理进行了数值分析，并与现场实测和计算分析结果进行了比较，提出了控制地表堆土的标准。

3.土堆荷载作用下隧道的结构状态

３．１．分析方法

在本研究中，建立了三维有限元模型，包括地层、土堆、隧道、锚杆和钢筋。为简化计算，根据现场试验结果，从K2 + 873至K2 + 885，即受损最严重的路段，进行了分析。沿轴向提取十个环，用于建模（图6.）.隧道段、上部土体和土丘采用六面体实体单元进行网格划分。螺栓和钢筋与梁单元相啮合。管片之间设置摩擦接触，管片与土壤之间采用拉杆约束。位移Z底部曲面的方向受到约束，在X左右两侧的方向都受到了约束，位移在Y前面和后面的方向都受到限制。

根据研究目的，土采用D-P本构模型，管片采用塑性损伤本构模型，螺栓和钢筋采用弹塑性本构模型，法向接触采用硬接触;切向采用摩擦接触，摩擦系数为0.6 [13］.通过对天津地铁2号线工程详细的岩土工程勘察，提取了土体的物理力学参数。混凝土、钢筋、螺栓参数依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010) [14]，和桌子1.显示模型的材质参数。

Abaqus软件中的塑性损伤本构模型能够通过损伤因子表征管片的损伤程度。如图所示7.,σ_t0是混凝土和混凝土的极限抗拉强度θ是损害因素。在拉应力达到极限抗拉强度前，损伤因子为0;当混凝土强度失效时，破坏系数为1。

建立模型后，通过平衡地应力消除初始状态的影响，然后以0.01 m的增量模拟土丘高度的影响，直到增加到8 m。分析了土墩荷载作用下结构变形的损伤特性。

３.２．土堆荷载作用下管片结构损伤演化研究

数据8.–10结果表明，随着墩高的增加，拱顶内侧、拱底内侧、右外侧、左外侧相继发生破坏开裂。在初始状态下，段的应力水平不高，处于弹性应力状态，表面没有任何损伤。当土墩高度达到0.88 m时，破坏首先出现在拱顶，并沿环的方向和管片厚度逐渐扩大。当土墩高度达到2 m时，相邻块体的破坏深度扩展为管片厚度的0.07倍，最大破坏因子达到0.22。随着拱顶高度的不断增加，拱顶的邻块和顶块出现了较大范围的损伤区，拱顶底部、右臂和左臂也出现了损伤区。当土墩高为6 m时，拱的损伤因子达到0.89，损伤深度约为管片厚度的一半。当土墩高度达到8 m时，拱的破坏因子为1，表明拱处混凝土失效。

采用最大拉应力准则确定管片是否开裂；裂缝宽度，由式(1.)（见《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[14)，并分析拱顶主裂缝的深度和宽度的发展过程(图3)10)：

从图中可以看出11拱顶主裂缝的深度和宽度与损伤因子的发展趋势基本一致。当土墩高度为0.88 m时，土墩段出现裂缝;当土墩高度达到1 m时，裂缝沿轴向贯穿整个环段，裂缝深度增加至2.5 cm;随着丘高的增加，裂缝纵向扩展迅速，当丘高达到6.7 m时，裂缝深度增加到17.5 cm。根据现场检测结果，拱顶裂缝最大深度为15 cm，与模拟结果吻合较好。

分析表明，在土堆荷载作用下，拱顶内侧和拱顶外侧的开裂破坏较为严重。根据现场检查结果，拱顶相邻砌块的裂缝较为发育，拱顶漏水较为突出。试验结果如下：与数值分析结果吻合较好，验证了上述计算方法的合理性。

３．３．土丘对结构和节点变形的影响

数字12显示了土堆下结构变形的发展过程（图中的箭头）12指示正的构造变形和沉降)。

在土堆荷载作用下，隧道沉降和变形呈线性增加，土堆高度达到8 m、 横向膨胀率为7.7% cm，拱顶的沉降为11.8 厘米

受上述土墩的影响，拱顶出现明显的纵缝开裂和板端断裂，且随土墩高度的增加呈线性增加(图)13和14)。在堆土之前，拱顶纵向接缝的最大开口为1.3 当土堆为5.8时，没有明显的板端断层 m高，顶部和相邻砌块的纵向接缝开口为4 mm，达到设计允许的阈值，板端的断层为3.1 当土墩的高度是8时 m、 纵缝开度达到5.3 mm，板端的断层大约为4.0 嗯。

3.4. 土丘对螺栓和钢筋应力的影响

土墩对连接螺栓和钢筋的受力也有很大的影响。以顶部与相邻块体之间的周向螺栓为例，如图所示15，桩前土的应力仅为11 MPa，远小于屈服强度。当土墩高度小于2 m时，锚杆应力增长缓慢，当土墩高度超过2 m时，锚杆应力开始迅速增长，在土墩高度为3.5 m时达到屈服强度。

在土墩下，拱顶内侧和拱顶外侧受拉钢筋的应力水平发展最为显著。如图所示16拱顶和拱顶钢筋的最大主应力分别为127和104 当土堆高度达到6.0时，应力随着土堆高度的增加而线性增加 m、 拱顶内侧的钢筋受拉屈服。当高度达到8.0时 m、 钢结构外侧的钢筋受拉屈服。

根据模拟结果，土堆引起的管段水平扩展为7.7 cm，拱顶的沉降为11.8 cm，拱顶裂缝深度为17.5 cm，接缝开口和板端断层的增量均为4 现场监测和试验结果表明，在土堆下方，管片的水平扩展增加了7.6% cm，隧道沉降为11.3 cm，最大裂纹深度为15 cm，接缝最大开口和板端断层分别为3.5和4.5 因此，模拟结果与现场实测数据一致。

4.结论

在这项研究中,盾构隧道穿越海洋沉积淤泥层的埋深10米为研究对象,基于现场监测、检测、数值模拟,结构变形和破坏的过程土壤堆积在地表下探索,和数据结构变形,通过对不同土墩高度下结构的开裂、接缝开裂和锚杆轴力的分析，揭示了土墩影响下结构的破坏机理，提出了控制地面土桩的标准。主要结论如下:(1)在土墩作用下，结构变形、钢筋应力、节点开度呈线性增加，而混凝土损伤、裂缝深度和宽度、螺栓轴力呈非线性增加。随着土墩高度的增加，拱顶、拱底和两侧的驼背相继遭到破坏，其中拱顶的破坏最为严重。当土墩高度达到一定值时，拱顶内侧钢筋和螺栓被拉脱，表明结构进入了加速破坏阶段。（2）本研究研究对象的地面上土丘的体积重量，r，为19.3 kPa，当土墩高度为h，土堆在地面上的荷载为= rh = 19.3 h。当土墩高度小于0.88 m时，该段仍处于安全状态，未发生损伤。当高度为1 m时，管片发生破坏开裂，裂纹沿纵向迅速贯穿整圈管片。当高度小于2 m时，结构变形和接缝开口不明显，拱顶中管片的损伤深度仅为管片厚度的0.07倍。当土墩高度超过2 m时，裂缝深度和锚杆应力迅速增加，当土墩高度达到3.5 m时，锚杆因受拉而屈服。当拱顶高度为3.5 ~ 8 m时，拱顶和拱顶受拉钢筋相继屈服，拱顶接缝开口超过设计规范要求的4mm。投手丘时高8米,主裂纹的库17.5厘米深,纵向接头的开放是5.3毫米,板断裂结束达到4毫米,螺栓和抗拉钢筋达到屈服强度,和垂直和水平收敛扩张分别为7.4和7.7厘米,分别。数值模拟数据与现场试验数据基本一致。（3）当土墩高度超过2 m时，段内裂缝发展较为明显，锚杆应力也开始迅速增加。因此，对于本文研究的隧道，建议墩高控制在2 m以下;即土墩在地面上的荷载不应超过38.6 kPa。

数据可用性

在研究过程中生成或使用的所有数据、模型和代码都包含在文章中，并可根据要求从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

中国国家自然科学基金（批准号：2015CB057 806）、国家自然科学基金（批准号：51878497）、中国科学技术重大项目（批准号：3502Z20151006）、中国国家电网公司科技计划等项目资助了本研究。（授权编号：SHJGC160053）。

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