車輛荷載對超前埋盾構隧道影響分析

楊楊 禹明明

摘要：以某地鐵盾構區間為工程背景，采用FLAC 3D數值模擬軟件分析了超淺埋隧道下穿既有市政道路時，路面車輛荷載對隧道結構的動力響應，結果表明：車輛動荷載對管片受力的作用效果受地面車速的影響，車速增大，管片的最大主應力峰值逐漸增大。車速對管片的變形影響明顯，管片的豎向變形隨著車速的增大而減小。

關鍵詞：超淺埋隧道;數值模擬;動力響應

Abstract：Analyzed the influence of vehicle load to shallow tunnel under the Urban road by numerical simulation. The results show that the effect of vehicle dynamic load on segment stress was affected by the ground speed，and the maximum principal stress peak value of segment increases with the increase of vehicle speed. The vertical deformation of the segment decreases with the increase of vehicle speed.

Keywords：Ultra shallow tunnel;numerical simulation;dynamic response

引言

伴隨著國民經濟的快速發展，過去幾年，城鎮人口每年都以1%的增長率快速增長，城市占地規模不斷擴大，地面交通壓力也越來越大，地鐵建設成為解決交通擁堵問題的首選方案。截至2020年12月31號，我國共有44座城市開通地鐵運營里程達到6302.79公里[1]。近年來，在國內地鐵的設計與建設過程中，不斷遇到新的技術課題和挑戰，其中之一，就是淺埋條件下的隧道結構本身穩定性問題。淺埋隧道下穿市政道路建設過程風險大，隧道上方車輛荷載會對隧道管片安全帶來一定的影響。故在淺埋隧道施工過程中，分析地面車輛荷載作用下對隧道結構的影響顯得尤為重要。

Klar，Vorster等（2005）[2]針對正交下穿施工隧道變形進行分析，得出彈性連續解和Winkler地基梁解，計算公式如下，該公式所得解與實測結果對比發現，Winkler地基梁解與實際變形相比偏小。

式中： 為彈性地基模型中管線相互作用力的最大值， 為土體和管線相對剛度的函數。 為管線彈性模量（MPa）。 為管線半徑（m）， 為既有管線最大沉降（mm）; 為土壤的坐標點。

劉子豪（2017）[3]基于無限長-車軌耦合模型，得到列車動荷載，并建立了隧道-土層三維動力有限元模型，詳細的分析了不同列車時速，不同軸重等條件下的隧道動力響應規律。楊桂玲、劉凱等（2017）[4]采用有限元分析軟件，建立了路基-管道-荷載三維有限元分析模型，分析了車輛荷載、地下水位等多因素影響下埋地管道的應力和豎向位移的動態響應規律。金大龍等（2018）[5]以深圳7號線地鐵隧道施工為工程背景，通過數值模擬及現場實測手段，分析了隧道在動荷載作用下的變形特征，認為在淺埋情況下地層加固是保護隧道結構的有效施工措施。趙俊澄、陳志敏等（2020）[6]針對超淺埋隧道下穿高速公路，復雜交通荷載對隧道施工帶來的影響這一問題，通過分析復雜交通荷載規律以及荷載作用下隧道的動力響應，提出了采用不中斷單層大管棚加小導管預支護方案，并通過現場監控量測結果驗證了這一方案的可行性。

1 ?工程概況

深圳地鐵某盾構區間線路全長1062m，隧道埋深4.1m～10.08m之間，區間出地鐵車站后覆土較淺，埋深約4m段有192m。揭露地層有人工填土（石），粉質粘土，砂礫，礫質粘性土、殘積土，全、強、中及微風化巖，土狀強風化粉砂巖。區間隧道穿越地層主要為礫質粘性土、全、強風化粉砂巖，中風化灰巖，微風化灰巖。

2 ?數值計算模型

2.1 ?數值計算模型

結合實際工程，通過數值模擬，利用三維有限差分程序FLAC3D建立三維數值計算模型。盾構隧道外直徑6.0m，內直徑為5.4m，管片厚度為0.3m，超淺埋埋深設置為4m，動荷載分析網格尺寸為80×60×40m，網格劃分結果如圖1所示。

數值模型采用M-C屈服準則（摩爾-庫倫屈服準則），地層物理參數根據地質勘探報告選取，隧道主要穿越地層主要為①素填土、②粉質黏土、③砂土、④礫質黏性土、⑤全風化花崗巖。管片采用線彈性本構模型，由于管片拼裝起到支護作用，采用管片彈性模量折減為原來的80%，管片厚度為300mm，C50高強度混凝土，彈性模量為30GPa，泊松比0.18，重度取24.5kN/m3，具體參數如表1。

2.2車輛荷載的簡化模型

根據車輛荷載的作用特點，一般可將車輛荷載簡化為以下靜力荷載模型、沖擊荷載模型、隨機荷載模型、簡諧荷載模型和多自由度荷載模型。

簡諧荷載模型是應用最為廣泛的荷載模型，由于車輛荷載自身的振動和路面的平整度，在路面上會產生一定的波動性，這種波動性體現在荷載是有規律的變化的，即或大于靜荷載，或小于靜荷載，如圖2所示，這種變化特征類似于簡諧運動。由于簡諧荷載模型能夠較為真實的模擬出車輛荷載的特性，考慮到車輛荷載的波動性，設定采用簡諧振動荷載來模擬車輛荷載作用模式。

結合工程背景模擬地面車輛動荷載對地鐵隧道管片的動力響應。分析不同影響因素下隧道結構的動力響應，分別取不同管片強度和不同車速來對管片的動力響應進行分析。計算方案如表2所示。

3 ?數值計算結果分析

在動力分析過程中，對隧道管片進行監測，監測點D1位于隧道管片正上方，監測點D2位于管片底部，D3、D4分別為管片的兩端，各個監測點位置如圖5所示。

圖6為土層的沉降云圖，從圖中可以看出車輛動荷載作用于路面時，土層沉降沿豎向分布逐漸減少，隧道上方路基的沉降要略小于兩側的土層沉降，這是由于隧道上方土層加固和隧道管片對上方土層起到支撐作用。與隧道開挖時所引起的沉降時相比，動荷載作用下土層沉降值較小，但基本趨勢是相似的。這說明動荷載作用下土體所受到的影響也發生變化，但影響不大。

圖7為隧道管片的最大主應力云圖，可看出管片結構在車輛動載作用下，應力在縱向變化不大，主要應力集中在管片頂部和底部位置，兩側的應力值較小，應力大小由中間向兩側逐漸增大，這主要是因為在管片的頂部和底部位置出現了應力集中現象。

圖8為車輛動荷載作用下管片的位移云圖，從圖中可以看出，管片單元主要變形位于管片頂部，兩側部位的應變情況要比靜力開挖作用時變大，所以這些部位可設置為重點監測部位，以防止過大變形而破壞隧道結構。

車輛動荷載作用于路面時，由汽車荷載的特性可知，車速越大，車輪與地面的接觸時間就越短，車速越小，汽車荷載作用時間越長。根據車速與車輪對路面的作用時間呈反比例關系，可調節施加車輛動荷載的作用時間來對應不同車速作用路面時的效果。

本次控制隧道管片強度（C50）不變，分別模擬車速為30km/h、50km/h、70km/h、的情況下隧道管片的受力情況，如圖9～圖11所示。

圖中可以看出，在保持管片混凝土強度不變的情況下，隧道管片的動力響應峰值隨速度的增大而增大，兩者呈正相關。施加動荷載速度從30km/h到70km/h，隧道管片監測點最大主應力峰值為-40.7KPa、-45.2KPa、-46.4KPa。可以看出，在隧道上方動荷載作用下，隨著車速的增大，管片最大主應力峰值也逐漸增大。

從表3中可以看出，在不同時速汽車荷載作用下，隧道管片的應力響應有所變化，隨著汽車時速的提高，管片各監測點的最大主應力都有所提高，以監測點D3為例，當車速為30km/h時，最大主應力峰值為-40.7KPa，當車速為70km/h時，最大主應力峰值為-46.4KPa，隨著車速的增加，管片所受到的最大主應力逐漸增大。

從位移時程曲線圖12～圖14中可以看出，車輛動荷載對隧道管片的變形影響還是較為明顯的，隨著速度的增大，也即施加荷載頻率的增大，管片各監測點的豎向位移逐漸降低，兩者近似成反比例關系。

通過對不同時速下隧道管片各監測點豎向位移最大值的統計分析，如表4所示，不同時速下，最大豎向位移分別為-0.83mm、-0.75mm、-0.52mm，管片位移最大值出現在管片的頂部，說明管片在淺覆土上部動荷載作用下，管頂所受變形較大，施工時應重點關注。

4 結論

通過有限差分法軟件模擬地面車輛動荷載對隧道結構的影響得出：

（1）在超淺埋盾構隧道中，地面車輛荷載對地鐵隧道管片的變形影響主要發生在隧道頂部，施工過程中應重點監測;

（2）在超淺埋盾構隧道中，地面車輛荷載對地鐵隧道管片所受的應力影響發生在隧道管片兩側，應力大小由中間向兩側逐漸減小，這主要是因為在管片的兩側位置出現了應力集中現象;

參考文獻：

[1]2020年中國內地城軌交通線路概況，中國軌道交通協會，2021.

[2]Klar A，Vorster T E B，Soga K，et al. Continuum Solution of Soil-Pipe-Tunnel Interaction Including Local Failure[C]. 11th International Conference of IACMAG，Torino，Italy. ACM，2005.

[3]劉子豪. 列車荷載作用下地鐵隧道結構的動力響應研究[D]. 北京交通大學，2017.

[4]楊桂玲，劉凱，汪明，等. 多因素影響下埋地管道安全性能的數值模擬[J]. 安全與環境工程，2017，24（03）：158-162.

[5]金大龍，袁大軍，韋家昕，等. 小凈距隧道群下穿既有運營隧道離心模型試驗研究[J]. 巖土工程學報，2018，40（08）：1507-1514.

[6]趙俊澄，陳志敏，文勇，等. 復雜交通荷載下超淺埋隧道下穿高速公路動力響應與變形控制研究[J]. 公路，2020，65（04）：355-361.