Interaction Mechanism of Tunnel Excavation and Overlying Building Loads in Shallow-Buried Coastal Urban Tunnels

在沿海城市繁忙的街道之下，一个静默但至关重要的工程挑战正在发生，即隧道与上方地面交汇之处。在这些区域，大地往往是松散土壤、风化岩石和水的复杂混合物，且紧贴地表。当工程师在这样的地面下挖掘巨大的隧道时，他们移除了维持数世纪以来城市重量的物质。这种移除导致地面发生位移和沉降，这一过程可能威胁到直接位于上方的建筑物的稳定性。当地面处于饱和水状态时，情况变得更加复杂。在这种环境下，挖掘一个洞口会导致水流向隧道，从而改变维持土壤颗粒结合的压力。这种固体大地、流动水与沉重建筑重量之间的相互作用，创造了一种微妙的平衡，一旦被打破，就可能导致严重的破坏甚至坍塌。准确理解这些力量是如何协同作用的，对于城市在不断扩张其地下交通网络的过程中保持安全至关重要。

中国地质大学（北京）的研究人员致力于通过研究第二个青岛胶州湾海底隧道的一个特定路段，来破解这种复杂的相互关系。这条隧道是至关重要的基础设施，但其陆上段呈现出一系列独特的难题：它埋设得非常浅，跨度巨大，并且直接穿过水资源丰富的沿海环境下的现有建筑下方。为了理解这种相互作用的力学机制，团队并未依赖单一方法。相反，他们结合了三种方法：他们在实验室中构建了一个隧道和建筑物的比例缩小的物理模型，运行了考虑土壤中水流动的详细计算机模拟，并分析了来自实际隧道施工现场的实时数据。通过将这三条线索编织在一起，他们得以观察地面和建筑物在隧道挖掘过程中如何逐步做出反应。

该物理模型是真实世界的精确微缩版，构建在一个装有特制材料的大型箱体内，这些材料模拟了实际花岗岩和土壤的强度及水流特性。研究人员在模型上方放置了微型建筑，包括一个小砖结构和一个较高的框架建筑，并施加载荷以模拟它们的真实重量。随后，他们使用一种特定的方法在模型中挖掘隧道，该方法涉及分阶段移除土壤，首先从左侧开始，然后从右侧开始，由上而下进行。在挖掘过程中，他们观察了地面如何沉降以及水压如何变化。他们发现，最危险的时刻并非在隧道刚开挖时，而是在一个特定的挖掘阶段。当隧道右侧的上部区域正在建筑物的正下方进行挖掘时，发生了最显著的位移和应力释放。正是在这个精确时刻，隧道上方的地面沉降最多，且水压下降最快。

水的存在被证明是一个主要的放大效应。研究表明，当隧道挖掘时允许水从土壤中排出时，地面的沉降程度会比干燥条件下显著增加。在计算机模拟中，研究人员发现，与忽略水流的情况相比，考虑这种水流会导致隧道顶部的最大沉降量增加27.3%。这是因为随着水流向隧道内排出，有助于维持土壤颗粒结合的水压丧失，导致土壤压缩，进而使上方地面下沉。研究人员观察到，这种排水效应在隧道顶部附近最为剧烈，这也是为什么上部挖掘阶段如此关键的原因。水不仅仅增加了重量，它还从根本上改变了土壤的行为，使其变得更弱且更容易发生突然移动。

建筑物相对于隧道的位置在决定损坏分布方式方面也起到了决定性作用。当建筑物位于隧道正上方时，地面呈现出相对对称的沉降模式，但沉降区域变得更窄且更深，从而将应力集中在建筑物的地基上。然而，当隧道略微经过建筑物的侧面或呈一定角度经过时，地面的沉降并不均匀。相反，建筑物的其中一侧会比另一侧沉降更多，导致结构发生倾斜。这种不均匀的沉降产生了扭转力，并对建筑框架（特别是角部以及梁柱连接处）造成了额外的应变。研究强调，仅仅测量中心位置的地面沉降量是不够的；工程师还需要关注这些倾斜和扭转效应，因为这些效应对于建筑物的结构完整性同样具有危险性。

实验室模型和计算机模拟的结果与青岛实际隧道施工收集到的数据高度吻属。在现实世界中，随着隧道开挖面移动到建筑物下方，地面在上部拱顶开挖期间迅速沉降，证实了实验中所观察到的模式。这种一致性使工程师对结果充满信心。研究表明，对于类似的工程项目，监测安全性的最关键时期是上部隧道直接在建筑物下方进行开挖的时候。在此窗口期内，工程师不仅应密切关注地面的沉降量，还应关注水压下降的速度以及建筑物是否开始发生倾斜。通过将监测工作集中在这些特定的时刻和因素上，施工团队可以更好地保护上方的结构，并确保下方作业人员的安全。