地铁循环荷载作用下隧道软粘土沉降分析

地铁循环荷载作用下隧道软粘土沉降分析

苏玥

（同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海，200092）

摘  要：城市规模的增大导致了土地资源的紧缺，同时也造成了道路拥堵等恶劣的地面交通状况。地铁是最具代表性的城市轨道交通，它的优点是速度快，运量大，减少了人们花费在交通上的时间，同时，它对周围环境影响较小，符合绿色出行理念。我国上海地区广泛分布软粘土，承载力较小，在长期的地铁行车荷载作用下容易产生沉降。本文利用ABAQUS有限元软件，建立了地铁隧道模型，分析地铁列车荷载作用下引起的隧道软粘土沉降分布，并预测地铁隧道的长期沉降，从而为地铁工程设计、施工提供一定的理论基础。

关键词：循环荷载；沉降规律；软粘土

1引言

我国是人口大国，经济的快速发展带动了城市化的快速发展，大量人口涌入长三角、珠三角区域的大城市，城市规模的增大导致了土地资源的紧缺，同时也造成了道路拥堵等恶劣的地面交通状况。因此，人们出行更倾向于选择便捷的城市轨道交通。地铁是最具代表性的城市轨道交通，它的优点是速度快，运量大，减少了人们花费在交通上的时间，同时，它对周围环境影响较小，符合绿色出行理念。然而，我国上海地区广泛分布软粘土，承载力较小，在长期的地铁行车荷载作用下容易产生沉降，一旦沉降超过预期，会导致地铁隧道出现漏水、漏泥、管片断裂等现象，不仅影响地铁运行安全，还会对周围环境产生影响。因此研究软粘土在地铁循环荷载作用下的沉降规律，从而为地铁工程设计、施工提供理论基础十分必要。

目前，已有很多学者针对循环荷载作用下土体的力学行为进行了深入研究，取得了很多有价值的研究成果。周建等人[1]对饱和软粘土进行了循环三轴试验，研究了循环荷载对软粘土的软化情况的影响；陈颖平等人[2]分别用原状软粘土和重塑软粘土进行试验，研究了结构性软粘土在循环荷载作用下的破坏特性；王军等人[3]研究了循环荷载作用下筋土界面的剪切应力变化规律；翁效林等人[4]进行了排水状态下饱和黄土的循环交通荷载试验，研究了循环荷载对饱和黄土的竖向塑性累积应变的影响；Mohiuddin等[5]深入研究了钙质粉土在倾斜循环荷载下的动力响应特性；Chavand等[6]做了系统的试验研究，以了解饱和砂土在不排水循环荷载作用下的不同破坏模式。

本文利用ABAQUS有限元软件，建立了地铁隧道模型，分析地铁列车荷载作用下引起的隧道软粘土沉降分布，并预测地铁隧道的长期沉降，从而为地铁工程设计、施工提供一定的理论基础。

2有限元模型建立

2.1数值模型建立与参数选取

根据钻孔资料，获得试验段的土层分布情况。利用对称性，将模型半截面尺寸设定为60m×60m，隧道半径为4m，隧道埋深为13.2m，同时，考虑地下水的影响，根据钻孔资料，地下水位于地下2.8m。模型示意图如图1所示。

对于材料参数的取值，已有学者针对上海地区各土层的材料参数进行了研究[10]，利用工程类比

苏玥,1997年7月生，女，汉族，重庆市永川区人，同济大学硕士研究生在读。主要研究方向：地质工程

法，得到本次数值模拟计算所需的参数；采用有限元软件ABAQUS中自带的摩尔-库伦本构模型进行模拟。

图1 模型示意图图2 200天时的竖向位移分布云图（单位：mm）

2.2列车荷载的模拟

利用有限元软件ABAQUS中的子程序DLOAD来施加循环荷载。对列车荷载进行简化：

1）利用对称性，只取列车车轮的一半进行计算；

2）只采用4节车厢的荷载进行加载；

3）假设每节车厢车轮分布和轴载相同；

4）将轴载简化为线荷载。

2.3工况模拟

本次模拟过程分为如下两个步骤：

1）首先进行自重应力计算；

2）进行动力计算和静力固结计算。

列车的振动荷载是不连续的。当列车通过某一区段时，会产生振动荷载；列车通过后，将进入休息时间，直到下一辆列车到达。在列车通过时土体受到连续振动，列车通过后的休息时间土体在自重应力的作用下固结。在列车通过时的8秒，施加振动荷载；在4分钟的间歇时间，不再施加振动荷载，土体在自重应力的作用下固结，直到下一辆列车出现。不断地循环上述步骤，直到计算满足要求时停止。根据工况的最大循环加载次数，本次模拟计算的时间设定为200天。在有限元软件ABAQUS中的实现过程如下：

1）参数初始化，即设定循环荷载、循环加载次数；

2）运行程序，直到循环完成，即终止计算。

3计算结果分析

3.1云图分析

由图2可知，隧道周围土体的位移发展趋势是向外围扩散，沉降值逐渐减小，模型范围边界位移接近于0，说明200天时的沉降对周围环境影响较小。最大位移出现在隧道正下方，在本次模拟的时间内，最大沉降达到了10.3mm，故在设计和施工时，应注意在隧道下方进行支护。

图3 200天时的地表沉降发展曲线图4土体最终沉降量拟合曲线

由图3可知，位于隧道中心的土体沉降是最大的，最大沉降位于隧道正上方，最大沉降约为5.3mm，故在隧道中心位置应加强支护。越远离隧道中心，沉降越小。在距离隧道约5m的位置，沉降发展曲线的趋势发生变化，沉降减小得越来越快，故在距离隧道5m处应注意应力突然变化造成的土体沉降变化。在距离隧道30m的位置，沉降发展曲线的趋势又一次发生变化，沉降约呈线性减小。在远离距离隧道30m的位置，沉降减小趋势逐渐减缓，由此可知，地铁对周围环境的影响范围在距离隧道30m以内。

3.2最终沉降量预测

由图4可知，模型最大沉降量随着计算步数逐渐增大，在200天时，最大沉降量达到了10.3mm。最大沉降与时间呈现良好的曲线关系，根据曲线发展趋势可以合理推断，若模拟时间继续增加，土体沉降将继续增大，最终趋于收敛。为了预测土体的最终沉降量，曲线进行拟合，得到拟合曲线的数学表达式为：S=-19.77+19.76e-t/275，R2=0.99。

根据拟合结果可知，隧道周围土体的沉降量最终会达到19.77mm。本次计算时间内的沉降量约为最终沉降量的52.3%。

4结论

通过研究地铁循环荷载作用下软粘土的沉降变化，得到以下结论：

（1）在地铁循环荷载作用下，隧道周围土体的位移发展趋势是向外围扩散，最大位移出现在隧道正下方；

（2）在模拟达到200天时，最大沉降达到了10.3mm，且模型沉降长时间侯趋于收敛，通过拟合得出土体的最终沉降量为19.77mm。

（3）在远离距离隧道30m的位置，沉降减小趋势逐渐减缓，在地铁隧道运营中，因重点考虑30m以内的土体影响。

参考文献

[1]周建,龚晓南.循环荷载作用下饱和软粘土应变软化研究[J].土木工程学报,2000(05):75-78+82.DOI:10.15951/j.tmgcxb.2000.05.014.

[2]陈颖平,黄博,陈云敏.循环荷载作用下结构性软粘土的变形和强度特性[J].岩土工程学报,2005(09):1065-1071.

[3]王军,朱晨,刘飞禹,孔剑捷,姚嘉敏.法向循环荷载下筋土界面的剪切应力规律及预测[J].岩土工程学报,2022,44(05):954-960.

[4]翁效林,胡继波,贾阳,周尚琪.循环交通荷载作用下饱和重塑黄土变形特性研究[J/OL].岩土工程学报:1-10[2022-05-15].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1124.TU.20220412.1013.004.html

[5]Mohiuddin M. A. et al. Insight into the Behavior of a Caisson Anchor under Cyclic Loading in Calcareous Silt[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2022, 148(7)

[6]Chavan, Dhanaji and Sitharam, Thallak G. and Anbazhagan, P.. Failure Modes of Air Desaturated Sand in Undrained Cyclic Loading: A Systematic Experimental Investigation[J]. Indian Geotechnical Journal, 2021, : 1-21.

[7]Huang Q, Huang H, Ye B, et al. Evaluation of train-induced settlement for metro tunnel in saturated clay based on an elastoplastic constitutive model[J]. Underground Space, 2017:S2467967417300600.

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