1前言
地面出入式盾构隧道施工是一种新型盾构工法，与传统盾构工法不同，它不需要工作井，盾构直接从地面出发和到达。其优点是：除了节省工作井投资外，还能缩短工期，降低整体投资。但是，由于需要从地面直接出发和到达，隧道在掘进过程中将遇到各种覆土厚度工况，包括负覆土、零覆土和浅覆土。尤其是在负覆土的受力条件下，隧道的受力尤其不利，在注浆压力和地下水浮力作用下，隧道管片会发生上浮，甚至可能会在局部出现较大的上浮量。隧道的上浮会影响隧道管片的拼装，同时会影响管片间的密封作用，甚至危及隧道安全。因此，隧道在负覆土工况下的抗浮已成为这类新型盾构施工的重点和难点。
经对现有文献检索发现，吴庆等研究了浅埋隧道地表堆载大小及位置对隧道受力变形的影响；陆文超提出了地面荷载下浅埋隧道围压应力的复变函数解法；周工恒等研究了堆载控制基坑开挖引起的地铁隧道上浮，得出了最佳堆载大小与最佳的堆载时机；杨方勤等研究了盾构法隧道的上浮与抗浮措施，得出了一些有益的结论，主要包括推进速度、浆液类别对隧道上浮的影响，并建立了一种简化的隧道上浮模型；杨武根据宁波软粘土实际工程监测结果，认为地质、隧道埋深、管片等都是影响隧道上浮的因素，可以采用二次注浆等措施来减少隧道的上浮量；叶飞等研究了施工期隧道上浮的机理，并提出了控制对策。上述研究从理论或者施工应用的角度，对隧道的上浮做出了解释。
本文依据南京背景工程，采用数值计算分析隧道在不同覆土深度下、不同堆载宽度和堆载高度对隧道上浮量的影响，并给出不同覆土深度下的堆载范围建议值，对今后类似工程有参考价值。
2数值计算模型
本文以南京地面出入式盾构隧道示范工程作为背景，研究地表堆载对隧道上浮及变形的影响。地面出入式盾构段总长为124m，隧道直径为6.2m。隧道长度为103环，总长123.6m。该工程在盾构施工过程中将经历负覆土、超浅覆土等一系列工况。隧道穿越土层为①-2素填土，②-1b2粉质粘土，②-3c2粉土，④-1b1粉质粘土，J31-1全风化安山岩。
2.1数值计算模型
本文以南京实际工程为背景，研究不同覆土深度下，不同堆载范围对隧道上浮的影响，具体的计算工况列于表1。
表1 模型计算工况（D为隧道直径）
本文按照实际工况建立模型，隧道半径为6.2m，管片厚度为0.35m。有限元计算模型如图1所示。
图1 有限元计算模型
2.2计算参数
模型中土层参数与实际土层一致，土体采用摩尔库仑弹塑性本构模型，计算参数如表2所示。
表2 模型计算参数
3计算结果分析
图2为隧道覆土深度为0.5D时（D为6.2m），隧道在不同堆载范围下的上浮量减小值。从图中可以看出，当堆载宽度（隧道中心到堆载边缘的距离）增加到2.5D后，隧道上浮量显著减小。图3为堆载高度为2m、宽度分别为2.5D和3D时，隧道的竖向变形云图。从中也可以看出，当堆载宽度增加到3D时，隧道的上浮量显著减小。
计算得到无堆载情况下，覆土深度为0.5D时，隧道的上浮量为3.74cm。从图2可以看出，当堆载范围达到宽度4D、高度2m时，上浮量减小2.77cm、达到0.97cm时，满足隧道上浮量的控制要求。
图4，图5分别为覆土深度为1D和1.5D时，隧道在不同堆载范围下的上浮量减小值曲线。从图中可以看出，在这两种覆土厚度下，当堆载宽度增加到2.5D后，隧道上浮量也显著减小。所以，建议控制隧道上浮时，堆载宽度要大于隧道直径的2.5倍。隧道在不同覆土深度下的堆载控制范围汇总于表3。
图2 覆土深度为0.5D时隧道上浮量与堆载宽度关系曲线
图3 覆土深度为0.5D时隧道位移云图
图4 覆土深度为1D时隧道上浮量与堆载宽度关系曲线
图5 土深度为1.5时隧道上浮量与堆载宽度关系曲线
表3 堆载控制值
结合隧道覆土深度、堆载宽度和堆载高度，为了让堆载宽度达到3D的显著降低上浮量的宽度，建议堆载范围超过60度。当堆载范围过大时，堆载降低上浮量的效果降低，结合覆土0.5时的工况计算结果，建议堆载宽度范围在20°内效果较好。所以，建议堆载宽度落在隧道20°和60°的影响范围内，能有效地控制隧道上浮；并应根据隧道覆土深度适当调节堆载宽度和堆载高度（图6）。
图6 建议堆载范围
4结论
通过对南京地面出入式盾构隧道的地表堆载高度、宽度以及隧道埋深进行数值参数分析，可以得出以下结论：
(1)地面堆载是一种较容易实现、且具有明显效果的抗浮措施。其抗浮效果受覆土厚度、堆载宽度、堆载高度影响。
(2)在覆土厚度为0.5~1.5（D为隧道直径）时，堆载宽度增加到2.5后，隧道上浮量减少明显。
(3)通过计算得到了在三种典型覆土条件下，南京背景工程的堆载建议范围和堆载高度。
作者：冷建 叶冠林 吴惠明 滕丽
转自《CTCU暨中国土木工程学会隧道及地下工程分会第十八届年会》