振动荷载作用下地下结构上浮模拟试验研究

Simulation Experimental Study of Underground Structures Uplift under Vibration Loads

摘要

基于地铁盾构隧道受列车振动荷载与地下水的影响，设计一种地下结构浮力测试模拟装置，在综合考虑地下水位、地层因素的影响下开展模拟试验，研究振动荷载对地下结构上浮的影响。结果表明：若地下结构同时受振动荷载和地下水作用，则地下水是引起地下结构所受浮力变化的主要因素，水位变化带来的影响更大，而振动荷载会加剧地下结构所受浮力的变化幅度；在振动荷载作用下，同一埋深下地层的渗透性越好，地层孔隙水压进入稳定阶段所需时间越短；地下水位每上升10 cm，砂卵石、砂土和软黏土地层中的孔隙水压分别增大约0.80，0.93和1.00 kPa，地下结构底部孔隙水压亦随水位上升而增大；施加振动荷载后，浮力测试圆筒在3种地层中的最大累计上浮值较振动前分别增加1.88%，5.68%和67.62%，且地下结构同时受地下水浮力以及下卧土层回弹的带动而上浮。振动荷载与地下水对地下结构纵向变形影响不容忽视，应对相关地下结构进行定期沉降监测，必要时加大监测频率。

Abstract

Based on the influence of train vibration loads and groundwater on subway shield tunnel, a simulation device for testing the buoyancy of underground structure was designed. Simulation experiments were carried out to study the effect of vibration loads on the uplift of underground structures, comprehensively considering the effects of the water table and stratum factors. The results show that if the underground structure is subjected to both vibration loads and groundwater, the groundwater will be the main factor causing the change of the buoyancy on the underground structure, and the change of the water table will have a greater effect, while the vibration loads will aggravate the change magnitude of the buoyancy on the underground structure. Under vibration loads, the better the permeability of the formation at the same buried depth, the less time it takes for the pore water pressure of the formation to enter the stabilization stage. For every 10 cm rise of the water table, the pore water pressure in the sandy pebble, sandy soil, and soft clay strata increases by about 0.80, 0.93, and 1.00 kPa, respectively, and the pore water pressure at the bottom of the underground structure also increases with the rise of the water table. After the vibration loads are applied, the maximum cumulative uplift values of the buoyancy test cylinders in the 3 strata increase by 1.88%, 5.68% and 67.62%, respectively, compared with those before vibration, and the underground structure is uplifted by the buoyancy of the groundwater as well as by the rebound of the underlying soil layer. The impact of vibration loads and groundwater on the longitudinal deformation of underground structures should not be ignored, so it is recommended that the regular settlement monitoring of relevant underground structures should be conducted, and the monitoring frequency should be increased if necessary.

Graphical abstract

关键词

盾构隧道 / 地下结构 / 振动荷载 / 地下水位 / 纵向变形 / 模拟试验

Key words

Shield tunnel / Underground structure / Vibration load / Water table / Longitudinal deformation / Simulation experiment

在现有地下工程的修建、运营过程中，难免出现地下结构上浮的现象，其根本原因是地下水位的上升引起地下结构浮力变化，导致地下设施抗浮能力不足，并由此引起结构物漏水、变形、基底损伤等结构性病害^［1］。为避免地下结构上浮缩短结构使用寿命，保证结构的安全稳定性，有必要对地铁隧道等地下结构开展上浮变化规律研究，控制好地下建筑在施工、运营阶段的上浮量。

近年来，地铁隧道上浮相关研究众多^［2-5］，众多学者主要聚焦于施工期与运营期的地铁隧道上浮。关于施工期地铁隧道的上浮研究，申路等^［6］在研发一种新型聚合物塑料双浆液的基础上，设计并开展了在此浆液环境下的管片上浮模型试验，基于试验分析了施工期隧道管片抗浮性能；钟小春等^［7］揭示了浆液浮力的非线性变化规律，在此基础上优化了管片上浮计算模型；Geng等^［8］将管片的上浮过程划分为同步注浆浆液初凝前和初凝后2个阶段，为分析这2个阶段中的管片受力情况，构建力学模型并通过实测数据验证其可靠性；胡宇琛等^［9］通过ABAQUS软件模拟盾构隧道施工过程，分析了管片上浮对不同掘进参数的敏感度；SHI等^［10］通过数值模拟方法研究了富水地层中管片上浮对管片结构的影响，为降低管片的上浮程度，提出了优化注浆材料配比和改进注浆工艺等策略；杨永志等^［11］依托北京地铁新机场线3号风井—草桥站盾构区间工程，分析了该区间管片上浮的原因；韦生达等^［12］基于Euler-Bernoulli梁理论，建立了管片上浮纵向分析改进模型，在考虑埋深因素下分析了施工期隧道上浮特征；WANG等^［13］通过构建三维有限元模型，分析了注浆压力、浆液初凝和终凝时间、以及盾构掘进时的顶推力等因素，结果表明缩短初凝时间和增加顶推力可以有效抑制管片的上浮。但上述研究所得隧道的上浮规律、抗浮特性均仅针对施工期，未考虑运营期隧道可能受到的列车荷载影响。

运营期隧道方面的研究多为列车荷载与地下水对结构上浮的影响。对于列车荷载因素的影响，叶森立^［14］依托东莞2号线总结提出了列车振动下隧道上浮整治技术；刘奕韬^［15］基于上海地铁现场实测数据，分析了列车荷载作用下隧道周围地层的竖向位移变形规律，并对不同频率次数列车荷载引起的隧道沉降进行了模拟；葛世平等^［16］考虑了长期循环荷载作用效应，基于改进的弹塑性本构模型，分析了多种工况下的软黏土沉降发展规律。赵迪^［17］和李磊^［18］通过有限元仿真的方法，对列车振动影响下的隧道沉降进行了分析计算。在考虑地下水的影响方面，张书丰等^［19］对南京河西地区某隧道沉降进行分析，明确了地下水位下降对隧道沉降影响最为显著；毛喜云^［20］分析了基坑开挖降水对邻近隧道的影响主要表现为指向开挖区的隆起变形；木林隆等^［21］研究了在竖向渗流作用下地下结构底板处孔隙压力、浮力与对应水力梯度间的关系；曹鹏飞等^［22］以南昌地铁4号线为研究对象，通过现场调研与数值仿真的方法，分析了地下水位变化对管片环不同位置的纵向受力、变形规律，结论认为管片拱顶部应变受水位变化影响大；张鑫磊等^［23］设计了一种用于控制地下管廊位移的支撑抗浮装置，并研究了该装置在地层土液化情况下的抗浮机制。然而，对于此类受地下水影响而上浮的地铁隧道，运营期会不可避免地同时受到列车振动荷载与地下水的双重影响，而现有研究并未同时考虑这2种影响因素的共同作用。

为此，本文依托某市地铁盾构隧道运营区段沉降监测结果，设计一种地下结构浮力测试模拟装置并开展室内模型试验，研究振动荷载与地下水位对不同地层中地下结构的上浮影响，并通过模拟工况，对施加振动荷载前后和水位上升下降不同状态下，地下结构的受力和变形情况进行分析。

1 某运营期隧道沉降情况

某位于冲积平原区域的城市，在气候上属于亚热带湿润季风类型，年均降水量在1 567.7~1 654.7 mm，表现为雨水充沛；降水分布不均匀，汛期集中在4~6月，且汛期降水量约占全年总量的一半；年际间降水量差异较大，最大与最小年降水量相差可达1倍以上。该市地层主要由粉砂、细砂、粗砂、中砂、砾砂及圆砾等砂性土组成，地铁隧道覆土厚度多在6~25 m。

由于砂性土地层的渗透性强，砂土地层中的盾构隧道在不同深度位置受到的静水压力不同，而压力差将导致隧道产生一定的浮力。在该市地铁运营过程中发现，多个区段发生管片错台并引起隧道渗漏水，但病害处隧道沉降较少。为合理分析降水量的影响以及探究病害原因，在该市地铁隧道中选取代表性区段进行每半年1期、总计6年共12期的沉降监测，其中某区间的监测结果及其中3个相邻典型测点的累计沉降情况^［24］如图1所示。图中沉降取正表示上升。通过图1可发现以下沉降规律：1—4期内各测点处出现了一定程度的上升，但6年内隧道沉降的最大值未超过3 mm；监测期间，线路沉降存在明显波动，即线路并非一直沉降，有时还会上升，但同一期监测中各监测点的沉降或上升趋势总体上是一致的；各监测点的沉降或上升幅度存在差异，总体表现为沉降幅度较大的监测点上升幅度也大；随时间推移各隧道沉降监测点呈现出一定的周期性上升和下降趋势；3个典型测点在前4期总体表现为上升，在此之后呈沉降，且上升和下降均为波动性变化，第6期后波动在一定范围内且基本呈稳定趋势，未发生进一步沉降。根据上述分析可知，运营期盾构隧道在地铁列车振动与地下水影响下表现为一定的上浮现象。

2 模拟试验

地下结构发生上浮的根本原因是地下水位变化导致浮力增大，而运营期地铁盾构隧道所受浮力的大小还与列车振动荷载的影响有关。为准确分析振动荷载与地下水位对地下结构所受浮力变化影响，设计一种地下结构浮力测试装置并开展模拟试验，研究2种因素对地下结构浮力变化的影响规律。该装置主体包括土箱、吊秤和浮力测试圆筒，结构如图2所示，具体实物如图3所示。

土箱长×宽×高为88.0 cm×82.5 cm×105.0 cm，四周为3 cm厚度的有机玻璃；土箱内置有样本土体，浮力测试圆筒放置于土箱几何中心，填埋样本土体所形成的土层地表没过圆筒底部约5 cm。圆筒分为上、下2个组成部分，且对接位置两侧分别设置有焊接角码，可通过连接螺栓将这2个组成部分固定并构成整体结构；圆筒上部与吊秤通过垫有减振弹簧的螺栓连接。为模拟地下结构受到的振动荷载，在圆筒内部设置可调频式激振器（振机功率100 W，转速3 000 r · min^－1），并根据实际情况调整试验所需的振动荷载。激振器的外围设置有挡护台，一方面可对激振器进行保护，另一方面可在其上方放置适当重量的配重块，以保持箱内整体结构（包括测试圆筒、配重块、位移计、角码与螺栓）的自重大于最高水位时圆筒所受浮力。

在圆筒顶部两侧安装竖向位移计，在圆筒下卧土中心处布设孔隙水压力计，具体实物如图4所示。位移计用来调节浮力测试圆筒的位置，既能保持工况水位处于低误差范围内，又能测量圆筒的竖向位移。受限于试验环境条件，传统孔隙水压力计尺寸较大，无法适配所设计的浮力测试试验装置，为更方便地测量底层孔隙水压，根据孔隙水压力计工作原理设计了一种孔隙水压力计，主体包括滤头和数显传感器两部分，其中滤头为可隔断土压力的透水石，滤头和传感器通过胶管连接。孔隙水压力计竖向等间距多层布设，相邻孔隙水压力计间距5 cm，用以监测土层孔隙水压力变化，通过静水环境测试对比，所设计孔隙水压力计灵敏度良好，且性能稳定。

试验时通过调节进水量使样本土体达到饱和状态。为更准确地反映地下水位对孔隙水压的影响，根据相邻孔隙水压力计的布设间距5 cm，设置水位与圆筒底部间距离h分别为5，10，15，20，25，30和35 cm，即每次使水位上升约5 cm，进水量共调整7次。每次调整水位后，装置静置30 h后进行激振工况试验。试验时通过竖向位移计测量圆筒的竖向位移；通过读取吊秤的数显减小值测量圆筒所受到的浮力。为在研究过程中同时考虑振动荷载因素和地下水位因素对结构的影响，共设置4组工况见表1。此外，考虑地层因素同样会对地下结构浮力产生影响，根据样本土体不同，设置3组对照试验，试验样本土体分别为砂卵石、砂土和软黏土地层。

3 模拟试验结果

为研究振动荷载与地下水位对地下结构的影响，通过一系列模拟试验探究不同地层（包括砂卵石、砂土和软黏土）中地下结构所受浮力、下卧土层孔隙水压力分布以及结构竖向位移的响应规律。圆筒作为模拟结构，分析在振动荷载作用下不同地层中地下水位与结构浮力的关系、水位上升阶段下卧土层孔隙水压力、振动荷载作用下的圆筒竖向位移变化趋势。以下是针对不同工况的具体试验结果及其分析。

3.1　结构浮力

图5为振动荷载作用下，不同地层中地下水位与地下结构浮力的关系，其中试验值（装置振动前、后数据）通过圆筒的称量数据计算得到，理论值根据阿基米德原理计算得到。由于圆筒结构对称，可认为圆筒浮力即为圆筒底部接触面所受水压力的总和，方向竖直向上。由图5可知，3种地层中，圆筒在振动荷载作用前后所受到的浮力增量均与水位变化正相关，说明地下结构浮力变化趋势主要受地下水位变化影响，较少受振动荷载影响。

为更直观地研究地下结构所受地下水浮力的变化，对试验所测数据进行拟合，以拟合曲线的斜率作为圆筒浮力增量变化率K，并以此判定浮力随水位的变化趋势。计算发现结构在静水中的浮力增量变化率K_静水为24.60 N · cm^－1，3种地层中各工况下的曲线拟合所得斜率结果如表2。结合试验现场情况，得到各工况下的地下水浮力增长量变化规律。

（1）工况1中，砂卵石、砂土和软黏土地层中的圆筒浮力增量变化率K分别为24.99，14.41和13.72 N · cm^－1，水位上升是引起圆筒浮力增大的主要原因；各地层颗粒间的孔隙大小存在差异，其中砂卵石地层大粒径颗粒多，孔隙率最大，因此水位上升阶段圆筒在砂卵石地层浮力增长最大，且接近理论值。

（2）工况2中，砂卵石、砂土地层中圆筒浮力与水位保持同步下降；软黏土地层中的圆筒浮力与水位则不同，水位由35 cm下降至30 cm时圆筒所受浮力保持增大，这是因为软黏土地层渗透系数小，孔隙率低，且土层结合地下水呈泥质流塑状态，圆筒周围地下水无法完全快速排出。

（3）工况3中，结构浮力变化曲线较工况1更贴近理论值曲线，振动前后，砂卵石、砂土和软黏土环境下结构的浮力增量变化率K分别增长0.39%，3.40%和23.57%。同水位变化下，振动后圆筒所受到的浮力更大，这是因为装置振动产生的附加应力作用于土颗粒骨架和地下水，在土体颗粒结构重调整的同时，又导致地下水渗流速度的加快。

（4）工况4中，结构所受浮力均与水位保持同步下降，这与工况2中软黏土地层的变化趋势不同，主要是由于振动荷载作用于土颗粒骨架和地下水，使土体颗粒结构重调整，圆筒周围地下水可以排出。

结合图5和表2进一步分析各地层内圆筒的浮力变化差异，得出如下结论。

（1）水位上升阶段，振动前同水位变化下圆筒在软黏土中的浮力增长最小，约为砂卵石地层中的54.90%。这是因为水位上升使软黏土呈泥质流塑状态，软黏土颗粒附着性增强，导致圆筒底部与软黏土地层粘连，圆筒与地下水的有效接触面积减小，进而导致同水位下软黏土中圆筒所受浮力增长偏小。由此可见，圆筒浮力变化受地层渗透性的影响，同一水位下圆筒所处地层渗透系数越大，结构所受浮力变化越大，结构更易产生上浮。

（2）水位上升阶段，振动前圆筒在各地层中所受浮力均小于振动后的，振动荷载会加剧地下结构所受浮力变化。软黏土中，圆筒受振动荷载作用前后的K值增幅均远大于同工况另2种地层中的，可见振动荷载影响程度与样土种类、土层渗透系数等相关；水位变化时，砂土地层中圆筒受影响较小，软黏土地层中则受影响更大。

（3）地下结构浮力的变化同时受振动荷载与地下水变化2种因素的影响，其中地下水变化对地下结构浮力的作用影响更大。

3.2　下卧土层孔隙水压力

考虑到试验得出“地下水变化对地下结构浮力影响更显著”的结论，以及该市全年多月份处于涨水期的现实情况，进一步分析水位上升阶段下卧土层孔隙水压力。图6—图8为水位上升过程中，水位与圆筒底部距离分别为5，15，25和35 cm时，3种地层在振动荷载状态下圆筒下卧土层孔隙水压力的时程曲线。可以看出，所有曲线的最终状态均为孔隙水压力变化趋于稳定。结合模型试验与图6—图8进一步分析，得到如下结论。

（1）圆筒受振动荷载下，砂卵石地层中下卧土层孔隙水压无明显增大或减小变化，呈现上下波动的动态平衡状态。由于砂土、软黏土地层渗透性弱于砂卵石的，砂土、软黏土地层中圆筒下卧土中产生超孔隙水压，振动初期孔隙水压力曲线呈现增大趋势，后保持稳定。

（2）在振动荷载作用下，同一埋深下地层孔隙水压变化受地层渗透性影响大。由于砂卵石、砂土地层渗透性良好，孔隙水压消散速率快，而受荷状态下软黏土地层无法将水排出，导致孔压无法在短时间内消散，所需维稳时间更长。可见地层渗透性越好，孔隙水压进入稳定阶段所需时间少。

（3）埋深0 cm处，当水位分别为5，15，25和35 cm时，砂卵石地层中的孔隙水压分别稳定在6.0，7.0，7.8和8.4 kPa，砂性土地层中的分别在6.4，7.2，8.1和9.2 kPa，软黏土地层中的分别在8.5，9.0，10.1和11.5 kPa；地下水位每上升10 cm，砂卵石、砂土和软黏土环境下卧土地层中的孔隙水压力分别增大约0.80，0.93和1.00 kPa，这意味着，振动荷载作用下的地下结构底部孔隙水压随水位上升而增大，且地层渗透系数越小、孔隙水压越大。

（4）振动荷载作用下，砂卵石、砂土地层中的孔隙水压均随埋深增大而增大；而软黏土地层中则相反，这是因为软黏土地层渗透系数小、透水性弱，土体内水难以排出，圆筒附近层内的超孔隙水压无法快速消散，持续振动荷载作用下浅层土体孔隙水压累积，导致地层中孔隙水压力随地层埋深增大而减小。

3.3　结构竖向位移

地下水变化而引起圆筒浮力发生变化时，吊钩承重将减小，而弹簧将被拉长，由此导致圆筒向竖向发生位移。图9为振动荷载作用下的圆筒竖向位移变化趋势。以圆筒初始位置为竖向位移零点，当某水位状态下竖向位移大于0时，表示该水位下圆筒位置高于初始位置。从图9可以得到如下结论。

（1）水位上升阶段，加载前圆筒仅受水位变化影响，圆筒浮力随水位上升而增大，结构发生上浮；施加振动荷载后，由于加载状态下土体中产生超孔隙水压力，土颗粒间有效应力减小，地层孔隙增大，导致地层发生回弹，此状态下地下结构受地下水浮力作用产生上浮趋势的同时，还受下卧土层回弹影响带动上浮。此外，当水位低于30 cm，圆筒在砂卵石地层中竖向位移增长最大；当水位高于30 cm，圆筒在软黏土地层中竖向位移增长最大，在砂卵石地层中竖向位移增长最小。

（2）水位下降阶段，圆筒在砂卵石、砂土地层中上浮值随水位的降低同步减小，而软黏土中圆筒位移表现为“先上浮、后沉降”。水位由35 cm下降至30 cm阶段，软黏土中圆筒所受浮力保持增大，且土内孔隙水压累积过大，地层处于回弹状态，同时带动圆筒持续上浮，地下水与地层的共同影响下导致圆筒呈现“先上浮、后沉降”的位移变化趋势，最终结构累计变形表现为上浮。可见，地下水通过浮力直接影响圆筒的同时，也间接通过影响地层变形对圆筒上浮产生作用。

（3）施加振动荷载前，圆筒受地下水位变化影响下，在砂卵石、砂土和软黏土地层中最大累计上浮值分别为8.00，8.80和10.50 mm；施加振动荷载后，圆筒在砂卵石、砂土和软黏土地层中最大累计上浮值分别为8.15，9.30和17.60 mm，较振动前分别增大了1.88%，5.68%和67.62%，其中砂卵石、砂土地层中圆筒最大累计上浮值发生在水位最高处，而软黏土地层中发生在水位下降过程中。

（4）圆筒在砂卵石中所受浮力始终大于在砂土地层中的，而实测圆筒在砂卵石地层中的最大累计上浮量小于砂土地层中的。可见，圆筒呈现出上浮现象，一方面由地下水浮力直接影响，另一方面通过振动荷载进一步增大圆筒浮力，导致振动荷载作用下的圆筒上浮变形明显增加。因此列车振动类荷载与地下水变化对地下结构纵向变形影响不容忽视，地下结构保持定期沉降监测，必要时加大监测频率。

4 结 论

（1）结合现实情况设计了地下结构浮力测试模拟装置，考察振动荷载和地下水共同影响下的地下结构所受浮力变化，发现地下水位变化是引起地下结构浮力变化的主要原因，且地下水位变化对地下结构浮力的作用影响更大，而振动荷载会加剧地下结构所受浮力变化幅度。

（2）在振动荷载作用下，处同一埋深下的地层孔隙水压受地层渗透性影响，其中地层渗透性越好，孔隙水压进入稳定阶段所需时间越少，且地层渗透系数越大，孔隙水压越大；地下水位每上升10 cm，砂卵石、砂土和软黏土环境下卧土地层中的孔隙水压力分别增大约0.80，0.93和1.00 kPa，地下结构底部孔隙水压随水位的上升而增大。

（3）施加振动荷载后，模拟试验中的圆筒装置在砂卵石、砂土和软黏土地层中最大累计上浮值较振动前分别增大了1.88%，5.68%和67.62%，其中砂卵石、砂土地层中最大累计上浮值发生在水位最高处，而软黏土地层中发生在水位下降过程中。地下结构受地下水浮力作用产生上浮趋势的同时，还受下卧土层回弹影响带动上浮。

（4）振动荷载作用下，受地下水浮力直接影响的圆筒呈上浮变形明显增加的现象。因此列车振动类荷载与地下水位变化对地下结构纵向变形影响不容忽视，建议对同时受两方面因素影响的地下结构保持定期沉降监测，必要时应加大监测频率。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52378398)

江西省主要学科学术和技术带头人领军人才项目(20232BCJ22009)

江西省自然科学基金资助项目(20242BAB26077)