1.1 研究背景与意义
自改革开放以来，城市建设得到了快速发展，城市交通运输矛盾日益突出。与此同时，轨道交通因其安全、准时、大容量和快速的优点，在拓宽城市空间、打造城市快速立体交通网络和改善城市交通环境方面开始发挥越来越重要的作用。
截至2020年底，全球共有77个国家和地区的538座城市开通了城市轨道交通，总运营里程达到3.334 6万km，车站数超过34 220个。其中，我国（港澳特区、台湾地区数据未统计在内）以7 978.2km的总运营里程排名全球第一，占全球总里程的23.9%，而上海市则以834.2km的运营里程位居世界各大城市之首。
从建设历程来看，我国城市轨道交通建设速度呈越来越快的趋势，图1-1所示为我国历年轨道交通建成里程。2010年以来，我国轨道交通行业蓬勃发展，每年新建里程屡创新高，城市轨道交通的“生长速度”惊人，从2017年突破5 000km大关开始，轨道交通总里程就以每年新增700～1 000km的速度攀升。2020年新增里程突破1 000km，达到1 241.99km，创下历史新高。从规划来看，今后一段时间内我国轨道交通建设仍将处于高速发展期，截至2021年底[1]，上海已建成831km的城市轨道交通网，客流量占公共交通占比已超过67%，并将陆续启动建成19号线、20号线一期、21号线一期、23号线一期等项目，在“十四五”末将建成运营里程超过1 000km的轨道交通线网；北京轨道交通运营里程达到783km，轨道交通占公共交通出行比例提升至56%；广州现有轨道交通运营里程为590km，计划于2023年开工建设总长度258.1km的10个轨道交通项目；深圳现有轨道交通运营里程为431km，将于2022年建成15条线路、总长约570km的轨道交通网络；成都轨道交通发展迅速，在2020年12月一次集中开通了5条地铁线路，运营总里程达到了558km，计划到2024年底，成都市将形成总长超700km的轨道交通网络；武汉现有轨道交通总运营里程435km，按规划到2024年将形成14条线路、总长606km的地铁网络。
图1-1 1978—2021年我国内地建成轨道交通总里程
地下轨道交通网络因运载量大、准时、速度快，已成为现代化城市重点建设推进的项目，由于地铁具有吸聚人流的先天优势，地铁沿线土地也纷纷成为商用住宅、综合体等各类设施开发的黄金地段。然而，对于已建成并处于稳定状态的地铁隧道而言，在其邻近范围内的各类工程开发活动必然会对其安全运营构成一定威胁。地铁隧道一旦发生安全事故，其抢修难度大、成本高，甚至会出现无法修复而只能废弃的情况。因此，对于邻近地铁的各类工程活动影响必须予以严格管控。
对于运营期地铁隧道而言，常见的周边施工干扰有基坑开挖、新建楼房、新建盾构隧道、桩基施工、地面绿化堆载或开挖河道卸载等工程作业。工程施工扰动会破坏盾构结构的原有平衡状态，引起隧道应力重分布，导致隧道产生一定的纵向和横向变形，情况严重时会引发接缝张开、管片开裂和螺栓失效等病害，引发地铁隧道大面积渗漏水，甚至引起隧道结构失稳，威胁隧道的正常运营。因此，有必要对地铁隧道周边的工程活动实施严格管控，并对相关工程活动的影响机理与变形控制技术进行深入研究。
（1）地面加载事故案例。
林永国等［1］报道了上海打浦路越江隧道2＃井以东第70环衬砌管片因地面堆载而发生沉降的案例。该隧道段自1970年通车后，在1973—1987年间对该洼地进行了填平处理，其间进行四次土方填筑和混凝土层铺筑的工程，每次地表单位面积的荷载增量为10～20kPa，四次总共约70kPa，实测显示每次加荷后沉降量增加20～40mm，四次加荷后总沉降增量为110mm。
2013年1月18日，由于邻近地块土方施工，将大量弃土堆积在华南某盾构隧道上方及周边两侧，此次突发堆土高度平均为4m，最高为6m，此次堆土诱发隧道最大不均匀沉降22.84mm。2018年12月8日，由于地块进行场地平整，再次发生高达6m 的违规弃土，此次堆土导致隧道累计沉降高达27.8mm，椭圆度达到17‰，管片出现较多的纵向贯通性裂缝，同时也发现大量湿渍、裂缝以及明显错台（图1-2）［2］。
图1-2 因堆载引起的隧道渗漏水（左）与结构裂缝（右）
2009年9月26日，因小涞港河道回填施工，导致上海地铁9号线中春路—九亭区间盾构隧道产生持续不均匀下沉，到2010年4月21日，7个月时间内的沉降量最大达28mm，地铁差异沉降曲率半径达到10 000m 左右（图1-3）。在河道清理前，隧道上方覆土厚度为9.5m，2010年4月17日河道开始逐步开挖，至2010年5月16日，挖深达5.5m，卸荷比（卸荷量与总荷载量的比）达0.58。由于短期内隧道上方土方卸荷量太大，导致卸载部位的隧道大幅上抬，在1个月的时间内地铁隧道隆起量最大达21.3mm［3］。
图1-3 河道回填与开挖引起某下卧盾构隧道纵向变形情况
2008年12月，上海某地铁区间盾构隧道地面突发大量堆土，引起了隧道渗漏水及结构损伤病害，部分衬砌环甚至出现顶部混凝土块状脱落及螺栓断裂现象，严重威胁到结构及运营安全。图1-4所示［4］为该事故案例的纵剖面图，堆土范围从280环至600环，平均堆高为4m，局部最大堆高为7m。堆载区域内隧道水平直径变化值达到14.5cm，变形最大的576环，其水平直径与设计值相比超过15cm。后经及时卸载和纠偏治理及结构加固，终于稳定了隧道结构，该隧道的结构受损及渗漏水的现场照片如图1-5所示［4］。
图1-4 隧道上方堆载纵剖面示意图
图1-5 堆载引起隧道结构病害现场图
据不完全统计，仅2014年，全国各地地铁沿线突发堆土多达数十起。2004—2013年，邻近工程导致的上海地铁隧道事故中有报道的，因地表超载导致隧道产生明显病害的就达8起之多。
（2）卸载事故案例。
Hwang等［5］报道了台北某盾构隧道由于邻近基坑开挖引起的变形破坏案例。既有隧道附近进行了基坑开挖作业，以建造一个15层建筑的4层地下室，开挖分6个阶段进行，深度为15.9m。基坑由厚度为800mm、长度为32.5m 的地下连续墙支撑，并由5层钢支撑。为最大限度地减少墙体变形，采用地下连续墙技术，在场地的跨中附近设置了600mm厚的隔墙。基坑开挖过程中由于隧道的收敛变形已经超过了有关监测标准，因此停止了基坑的挖掘作业以保证隧道安全，并开始长期监测R134 裂缝宽度的变化。图1-6所示为2009年9月9日至12月25日之间测量的隧道收敛，可以注意到R55和R150之间的隧道变形显著，隧道的水平向最大收敛变形达到25mm。
图1-6 55～195环管片收敛变形监测数据
林平等［6］报道了宁波轨道1号线某区间邻近基坑开挖引起隧道变形位移的案例，邻近基坑的区间隧道60～260环，最小间距为7.15m。施工后不久出现区间隧道发生渗漏水问题，并出现多处纵向裂缝，同时纵向拼装缝明显变大，有张开现象。之后发现隧道结构底部出现纵向裂缝，隧道整体水平位移达到33.6mm，远超过±10mm控制标准，且持续增大。图1-7所示为典型区间隧道管片的沉降历时曲线，由图1-7可知隧道整体沉降及水平位移主要发生在土方开挖阶段，其间沉降最大变化量为-30.49mm，速率为-2.18mm/d；水平位移最大变化量为49.5mm，速率为4.13mm/d。
陈仁朋等［7］介绍了宁波地铁1号线某区段隧道的管片由于邻近基坑开挖卸载作用导致的变形与破坏情况。宁波地铁1号线是连接宁波东西主城区的主要线路，区间双线隧道总长约46.5m，双线隧道轴线间水平距离为12～15m，拱顶埋深为9～15m，平均埋深为11.9m。隧道衬砌内外径分别为φ5.5m 和φ6.2m，衬砌环宽为1.2m，厚35cm，每环管片由6块管片通过弯螺栓连接而成，管片混凝土强度等级C50。邻近基坑位于双线隧道北侧，基坑围护结构由钻孔灌注桩结合两道钢筋混凝土内支撑组成，混凝土强度等级C30。当基坑开挖第3步期间（至-11.4m），左线隧道底部出现纵向裂纹并伴有渗漏水。左线隧道40～414环管片均不同程度出现受损，包括错台加大、渗漏水、管片开裂、盾尾充填油脂渗出等现象。同时，现场监测数据也表明左线隧道发生了较大变形和位移。左线隧道163环处水平位移增量最大值大小为33.5mm，第221环处监测到的水平收敛、竖向收敛和沉降增量分别为21.9mm、16mm和25.3mm。
图1-7 区间隧道左线沉降历时曲线（2012年）
以上这些工程案例说明，隧道顶部堆载以及顶部的基坑开挖（卸载）等工程行为可能引起邻近隧道结构过大的变形，严重时甚至导致对其产生不同程度破坏，在软土地区这种作用尤其明显。因此，研究软土地区盾构隧道在堆卸载作用下的变形机理，对于保证施工期间地铁的稳定安全有着极其重要的工程意义。