5.2.2 案例二：某地铁隧道B区间上方道路加载案例
1）工程概况及超载情况
（1）工程概况。
2020年8月22日，通过对隧道监测数据分析发现某在建地铁线路B区间隧道收敛变形有较大的异常变化，收敛变形与理论设计值相比超过6cm，最大值为15.9cm。现场调查表明，隧道内部渗漏水现象明显，甚至出现了管片接头碎裂的结构损伤现象，严重威胁到隧道结构安全和通车重大节点任务。
盾构区间工程地质资料表明（图5-18），地铁隧道穿越③淤泥质粉质黏土层和④淤泥质黏土层，下卧⑥粉质黏土层（局部下卧⑤1-1黏土层），隧道顶部埋深为7.5～10m。盾构隧道通过6块管片拼装而成，外径为φ6.2m，内径为φ5.5m，该区间范围内主要土层的基本物理力学参数如图5-19所示。
图5-18 隧道地质及堆载纵横剖面示意
图5-19 盾构区间主要土层的物理力学参数
（2）超载概况。
发现隧道区间收敛变形出现异常变化后，地铁维护部门立即连同相关单位进行现场踏勘。经核查，隧道病害区段对应地面上方为某市政工程路口位置，近两年实施了明浜回填、新建道路基础填高、路面铺设等施工。如图5-20所示，新建道路位于地铁线路正上方，路面设计标高为4.63～6.75m，填土高度为0.1～2.43m。此外，该路段存在两条明浜，明浜宽度几乎与地铁隧道结构同宽，长度分布于R460（K1+080）和R560（K1+180）之间，且走向与地铁隧道几乎重合。2＃明浜水面深度约为0.3m、淤泥深度约为1.5m、淤泥底标高约为1.5m，3＃明浜水面深度约为1.7m、淤泥深度约为1m、淤泥底标高约为0.5m。大面积、大体量的持续加载施工以及明浜回填是造成下方地铁隧道重大变形病害的直接原因。
图5-20 地铁隧道正上方道路分布
2）地面超载对隧道结构的影响分析
发现隧道收敛大变形后，加密对隧道的监测检查。隧道收敛变形监测点位如图5-21所示。为更好地捕捉后续隧道大变形整治过程中的结构变形特征，采用重点截面自动化监测结合人工测量对隧道收敛变形进行监测。
（1）隧道收敛变形和接头张开。
如图5-22所示，地面道路施工影响下，隧道出库线和入库线均出现了不同程度的收敛变形。检查发现顶部管片纵缝明显张开，接头张开量如图5-23所示。出库线隧道的收敛变形大小相对入库线而言差别不是很大，并且与入库线远离明浜回填区域隧道结构的收敛变形基本一致（为6～8cm），可以认为出库线隧道的收敛变形主要是由正上方道路施工引起的。前期监测数据表明，道路施工前隧道的收敛变形为3cm 左右，与出库线隧道收敛变形大小相比，可以得到道路施工引起的隧道收敛变形增量为3～5cm。
图5-21 隧道收敛变形监测点位布置方案
图5-22 隧道收敛变形
堆载发生后，为进一步弄清楚隧道结构的变形情况，现场使用游标卡尺测量了封顶块（F）和两个链接块（L1和L2）之间的接头张开量，如图5-23所示。就入库线隧道而言，在R500-R530环区间内，F-L2之间的接头张开量明显大于F-L1之间的接头张开量；在R490-R500环以及R530-R540环区间内，两个接头的张开量大小基本一致。这主要原因在于入库线隧道上方两条明浜与隧道存在一定的偏差，由此导致入库线隧道出现了一定程度的偏载，隧道横截面出现了非对称的变形模式。与入库线隧道相比，出库线隧道的变形主要是由于道路施工引起的，作用在隧道上的附加荷载基本上对称分布，继而造成隧道横截面变形模式也是对称的，因此两个接头的张开量大小基本一致，平均张开量为12mm。
图5-23 接头张开量
（2）道路回填引发的结构病害。
在加荷载作用下，隧道结构会呈现明显的“横鸭蛋”变形，顶部和底部接头内表面张开、肩部接头外表面张开，由此造成隧道顶部接头螺栓受力较大、肩部接头内表面混凝土应力集中现象明显，肩部接头更容易出现密封垫失效，由此导致漏水漏泥现象发生。
隧道内部渗漏水通常表现为接头渗漏水（图5-24），表5-5为现场统计的管片内部渗漏水现象。从表5-5中可以看出，地面道路施工引起入库线隧道在R475-R550区域出现明显的渗漏水现象、而出库线C495-C500出现湿迹，原因在于明浜回填造成入库线隧道的收敛变形偏大，从而导致接头的张开明显，一旦接头挡水条和密封垫失效，便会形成渗漏通道。结合隧道收敛变形大小和渗漏水现象的规律可以看出，当隧道收敛变形大于7cm 后，隧道接头便开始出现渗漏水。
图5-24 管片病害
隧道在横向变形发展过程中，接头角部混凝土容易产生裂缝甚至是掉块现象。入库线隧道R520环收敛变形达到15.9cm，顶部接头出现了高达25mm的张开量，造成接头角部混凝土产生明显的裂缝（图5-24）。
表5-5 隧道区间渗漏水情况统计表
3）隧道大变形整治措施
根据上节中隧道结构的收敛变形和病害统计结果可知，压载引起了管片混凝土压碎、渗漏水等一系列的结构病害，严重威胁到隧道结构及运营安全。因此，隧道结构整治工作主要围绕横断面收敛变形进行，具体整治措施包括堵漏、侧向微扰动注浆、地面道路卸载和回填、钢板加固四个方面，堵漏和钢板加固与案例一一致，不再赘述。
注浆示意图如图5-25所示，由于出入库线隧道相距5.1m，并且入库线隧道的收敛变形大小及范围均大于出库线隧道，故对C495-C535环外侧4.2m 以及3.6m 位置进行2排注浆，对R455-R560环外侧4.2m、3.6m 位置以及内侧2.4m、2.7m 进行4排注浆，总计划注浆506孔。加固深度为隧道底以上5.2m 内，注浆孔沿隧道纵向孔距为1.2m，横向孔距为0.6m。本次治理工程于2020年8月25日进场，2020年8月26日开始注浆，至12月10日凌晨注浆结束，累计完成注浆353孔次。
入库线隧道正上方存在两条明浜，道路施工和明浜大量回填是造成隧道出现收敛大变形的主要原因（图5-22）。正上方的道路施工属于市政工程，不可能直接卸载到初始地面标高。结合实际工程的需要，采用EPS轻质材料对隧道正上方的道路施工区域进行回填处理，从而减小路面荷载、降低作用在隧道顶部的附加荷载，继而减轻道路施工对下卧隧道的变形影响。道路卸载回填的方案图和现场施工图分别如图5-26和图5-27所示，换填过程中涉及地表超挖，超挖深度确定的主要原则是：①保证路面设计高度不变；②道路换填以及明浜回填不会产生新的附加荷载。
图5-25 注浆示意
4）隧道大变形整治效果
隧道变形修复过程中，结合人工监测和自动化监测，对入库线470环-580环、490环-535环的垂直位移、水平位移、收敛变形以及封顶块接头张开量进行量测，监测点位如图5-25所示。
现场实际注浆孔位、注浆时间以及对应的隧道管片环号如图5-28所示，对比图5-28和图5-25，实际注浆孔的数量与初始方案相比有所减小。现场注浆过程中，500-530环的注浆密度明显高于其他管片环，且注浆时间更早，注浆顺序基本为RW1/RN1→CW2→RW2/RN2。注浆过程中，管片环会出现一定的水平位移，过大的水平位移会导致管片环横向错台变形的产生，从而引发环缝渗漏水问题。为了避免这个问题，纵向采用跳孔注浆的方式，并遵循“均匀、少量、多点、多次”的有序可控注浆原则进行。
图5-26 道路卸载回填方案
图5-27 道路卸载回填现场施工
图5-28 现场注浆方案
注浆过程中隧道的竖向位移和水平位移如图5-29所示。从图5-29（a）中可以看出，隧道发生了一定程度的隆起变形，最大隆起量约为11mm，出现在入库线隧道R510-R520区间内，由于注浆过程中也伴随着道路卸载，因此隧道的隆起变形是注浆和卸载共同作用的结果。从图5-29（b）中可以得到，注浆过程中入库线隧道的水平位移量大于出库线隧道，但是平均变形量分别约为2mm和1mm，且最大横向错台量小于2mm，对隧道横向水平位移影响比较小，说明注浆安排比较合理。
图5-29 整治过程中隧道发生的位移
注浆前后，隧道收敛变形如图5-30所示，图中注浆前后隧道收敛变形改善量指的是注浆前后隧道收敛变形的差值。总体而言，入库线隧道的收敛变形改善量最大值为7.2cm，出现在R525环；出库线隧道收敛变形改善量最大值为5.9cm，出现在C510环。由于在500-530环区域内注浆孔的密度高，使得该区域内隧道收敛变形改善量明显大于其他区域。
图5-30 注浆前后隧道的收敛变形
注浆过程中，隧道收敛变形随时间的变化趋势如图5-31所示。在R505-R535环区间内［图5-31（a）］，隧道收敛变形变化量整体呈现先增大后减小的趋势。在8月30日—9月2日以及9月26日—10月1日这两个时间段内注浆工作暂时停止，导致收敛变形变化量有所减小；11月29日以后，对若干已完成的注浆孔进行重复注浆，使得收敛变形量有所增加。在R470-R500环以及R540-R555环区间内，由于注浆点位比较少，收敛变形变化量明显小于R505-R535环。对比这两个区间的收敛变形变化量，说明注浆量对收敛变形具有明显的影响。出库线隧道收敛变形的变化趋势与入库线基本一致，不再赘述。
图5-31 注浆过程中隧道收敛变形的变化曲线
图5-32为注浆前后封顶块接头张开量的变化值随管片环号的变化关系，负值表示接头由张开向着闭合的趋势发展。注浆会引起隧道收敛变形的减小，封顶块接头的张开量也在减小，局部区域内入库线隧道接头张开量变化值略大于出库线隧道。整个监测区域而言，接头张开量变化值在-1～-4mm之间变化。
图5-32 注浆过程中接头张开量
钢板加固后，2021年3月29日重新布置了隧道收敛变形监测点，以2021年3月29日的收敛变形为初值，变形增量如图5-33所示。钢板加固区间内，入库线和出库线隧道收敛变形增量变化不大，说明钢板加固后隧道的变形已经趋于稳定。
图5-33 钢板加固后隧道的收敛变形
5）数值模拟分析
采用第3章介绍的堆载作用下盾构隧道变形数值分析方法，利用ABAQUS有限元软件建立数值计算模型，如图5-34所示，为简化数值计算模型，明浜回填直接采用荷载等效的方式进行模拟。土体力学参数采用摩尔-库伦模型进行模拟，相关取值参数参见图5-19，管片采用实体单元，螺栓采用只受拉的非线性弹簧单元进行模拟。
道路施工条件下入库线和出库线隧道的收敛变形如图5-35所示，数值模拟结果表明，入库线隧道收敛变形约为12cm，出库线隧道收敛变形约为7.8cm，隧道收敛变形与实测结果比较吻合。
图5-34 数值计算模型
图5-35 管片横向变形