6.1.1 地面压载对地层和隧道的影响
（1）地面压载对地层影响。
在地面进行大规模的弃土、堆土、河道填埋、造山造景、建造房屋等，实质上形成了对地层的压载。压载对一定范围的土体产生扰动，改变了原有地层应力状态，导致应力场和位移场的重新分布，这已从理论分析、数值计算、现场试验以及大量工程实践中都得到很好诠释。无论是早期的苏州虎丘塔倾斜、意大利比萨斜塔、20世纪初的加拿大特朗斯康谷仓倾覆，还是80年代的日本关西机场大量沉降等，都是因地面压载引起地基不均匀沉降的典型案例。苏州虎丘塔建于宋代961年，塔高47.5m，塔身向东北方向倾斜，塔顶距离中心线2.31m，倾斜2.78°。意大利比萨塔始建于1173年，高60m。建成后发生不均匀沉降，平均沉降2.0m，最大沉降4m，倾斜5.5°，顶端偏心5.27m。1913年加拿大特朗斯康谷仓当年投用即发生倾覆，谷仓高31m，基础为0.61m 厚的钢筋混凝土筏板基础。日本关西机场始建于1986年，1994年机场运营，它是通过人工填海建成的，填筑深度33m，设计沉降5.7～7.5m，预测主固结完成需要20年，但在1990年沉降就达8.1m，比原设计多填了3m 的填筑。
从这些建筑发生了的沉降或不均匀沉降可以看出，建筑重量（自身荷载和使用荷载）与地层的承载力不相匹配。对于上海这样的沿江沿海软弱地层来讲，土体强度更低，一经大规模压载引起的变形量将更大。20世纪50年代建成的上海展览馆发生的大量沉降就是很好的案例。不同加载规模、加载量、空间关系对地层的影响是不同，有如下规律：
①压载面积越大，加载量（或压载高度）越大，对地层的影响越大，影响深度越大，影响持续时间越长。
②压载面积一定，随着压载量的增加，对地层影响越深，影响越大。
③压载高度一定，随着压载面积的增加对地层的影响增大。
④压载对地层影响程度距离增加而减小。
⑤压载量越大，压载时间越长，地层固结沉降量越大，卸载后地层能恢复的回弹量越小。
因此，大规模、近距离、长时间加载对地层正常固结而言，其影响是巨大的。当压载超过地基承载力时就会破坏土层结构，对应力场、位移场的影响大，这些变化多属于非线性的。压载不仅对地层变形有很大影响，引起地层持续长时间固结，如在一定时期内土体固结未完成就进行盾构穿越施工，其潜在风险无疑是很大的。
（2）地面压载对隧道结构影响与病害现象。
地面加载对隧道的主要危害表现为衬砌环的横向收敛变形和拱底、拱顶的沉降，前者表现为隧道管片的弯曲变形及管片接头的相对错动、转动、张开或闭合，后者表现为衬砌环在地层内的整体位移。依照不同压载工况（压载规模、压载量、压载距离、压载时间等）和地层情况（土体力学性能）对隧道的影响是不同的，但一般都会发生程度不同的纵向沉降和横向收敛变形，产生新的结构病害或加剧既有病害发展，如引起管片及接头变形、管片接头张开、错台或压损、管片开裂或压损及渗漏水等，严重时会危及隧道结构安全，甚至必须停运对其进行加固，并有如下规律：
①隧道沉降变形和收敛变形均近似随压载量呈线性增长。地表突发局部加载容易对隧道造成较大损伤，且这些损伤难以在卸载后恢复。
②隧道沉降和收敛变形与地层的力学性能密切相关。对于埋置在均质地层中的隧道而言，地层越硬，地表大面积加载对隧道收敛值以及沉降值影响越小；反之，则影响越大。
③压载面积一定，压载高度（量）越大，对隧道变形影响越大。压载高度（量）一定，压载面积越大，对隧道的变形影响范围越大。当压载面积较大且覆盖隧道范围时，相当于全部压载，即压载对隧道的影响直接取决于压载高度。
（3）地面压载与空间关系的影响。
压载所分布的位置与隧道空间位置关系十分密切，压载与隧道距离越近，影响越大；反之，则对隧道的影响越小。当地面压载范围覆盖隧道时或距离隧道轴线越近，此类压载对隧道的沉降和收敛影响越大，造成的危害也就越大。当压载边线距离隧道竖向轴线超过π/4+φ/2范围时，对隧道变形影响明显变小。
①随着加载偏心距增加，附加土压力逐渐减小。
②随着加载偏心距的增加，隧道收敛变形先迅速下降然后趋于平缓，并且从横椭圆变形逐渐转变为斜椭圆变形。
③增加加载偏心距可以减小隧道接头变形量，正上方加载引起隧道变形主要发生在隧道左右肩部与顶部接头，且较为对称。偏压加载引起隧道变形主要发生在荷载对应的肩部与顶部接头。
（4）地层影响因素。
地层情况对隧道的收敛变形和沉降变形影响巨大，沿江沿海的沉积地层多具有“上软下硬”的特征，对应隧道及其下卧层的地层不同，压载所引起的隧道变形特征也表现出很大差异。如对应隧道断面深度及以下地层都为相同或力学性质相似的地层，隧道变形特征主要以纵向沉降为主；如隧道穿越的地层性能远差于隧道底部的地层力学性能，则隧道变形特征主要以横向收敛变形为主。
①当隧道全部位于软土地层中，如完全穿越上海软弱的④层地层中，且隧道底部具有较厚的软土层，隧道的变形主要以纵向不均匀沉降为主，同时会发生一定的收敛变形，但数据较小；若隧道底部位于较硬大土层内，当上部加载时隧道收敛变形变得非常明显。
②隧道穿越地层及下卧地层的软硬对加载敏感。在地表大面积加载作用下，均质软土地层越软收敛越大，均质地层越硬收敛越小。当隧道穿越地层及其下卧软土地层越厚，收敛变形不明显，隧道以沉降变形为主。当隧道穿越地层较软但其下卧地层较硬时，隧道表现为横向收敛变形为主的变形特点。
③下卧层的软硬程度对隧道收敛变形产生很大影响。而对于盾构隧道拱底沉降的大小则主要取决于下卧层的软硬程度，下卧层越软沉降越大，下卧层越硬沉降越小，穿越层的软硬程度基本不影响拱底沉降大小。
（5）加载对收敛变形影响。
在加载作用下，上软下硬地层组合中隧道各环水平直径与设计值之差ΔD 明显增加，呈现明显“横鸭蛋”变形，封顶块与邻接块以及标准块与拱底块之间的纵缝内侧受拉张开或纵缝附近混凝土开裂，标准块与邻接块纵缝内侧受压闭合或混凝土保护层受压剥落。邻接块与标准块纵缝外侧张开，外侧止水条失效导致渗漏水病害发生，因此，富水地区隧道上方大面积加载后往往出现腰部纵缝连续渗漏。
（6）压载对纵向变形的影响。
由于隧道纵向构造特性，当发生地面压载时，隧道纵向变形主要由弯曲变形和错台变形构成，理论研究分析和工程监测分析都已很好地反映隧道的纵向变形特性。规律如下：
①隧道埋深或上部覆土厚度、加载范围与加载大小、地层的土体模量、隧道初始状态等对隧道纵向变形均有很大的影响，隧道沉降随加载量增加而增大。
②隧道敷设地层及下卧地层的弹性模量对隧道沉降和受力具有明显影响。增大下卧层土体弹性模量可以显著减小隧道沉降，反之，减小下卧地层的弹性模量可以显著增大沉降量。当隧道下卧软土层时，随着压载的增加，地面加载作用下隧道更容易发生纵向变形；当隧道全部处于较硬的地层中，沉降量较小。因此，为了保证隧道的安全运营，应该禁止在埋设隧道的地面加载。
③就上海地区的软土通缝地铁隧道而言，地面加载作用下隧道纵向变形极易超过规范限定值。
④随着加载偏心距的增大，地面加载作用下隧道纵向变形越小，当加载偏心距大于2倍的隧道外径时，加载作用的影响很小。
⑤与地层相比，隧道自身的纵向和环向刚度要比土体大得多。因此，隧道的沉降变形一般小于相同标高的地层沉降。