上软下硬地层中盾构隧道衬砌荷载与力学特性研究：现场监测与数值模拟

针对上软下硬地层（upper-soft and lower-hard stratum）中盾构隧道衬砌应力分布不均、设计理论不足的问题，研究人员通过南昌地铁1号线现场监测与精细化数值模拟，揭示了同步注浆压力对软土层荷载的显著影响（峰值达稳定值1.9倍），验证了竖向土压力"中间大两端小"的非均匀分布规律，并提出地层界面处侧向土压力突变特征。该研究为复合地层盾构隧道设计优化提供了重要依据，成果发表于《Soils and Foundations》。

　　

在城市轨道交通网络快速扩张的背景下，盾构隧道频繁穿越上软下硬复合地层（upper-soft and lower-hard stratum），这种显著的地质差异会导致管片衬砌（segmental lining）承受不均匀应力，加剧施工风险。现有设计方法通常将复合地层简化为均质地层计算荷载，难以准确量化实际工况，特别是在开挖断面内岩土参数差异较大时，可能高估隧道基底荷载，导致衬砌结构配筋不足。更棘手的是，针对此类地层的围岩压力理论公式选择尚不明确，Terzaghi理论、全土柱理论等传统方法的适用性备受质疑。

为解决这些问题，南昌地铁1号线东延工程的研究团队开展了系统性研究。通过在粉质黏土-砾石层（silty clay-gravel layer）和均质砂层（homogeneous sand layer）两个典型断面进行长期现场监测，结合考虑螺栓接头（bolt joints）和螺栓预紧力（bolt preload）的精细化数值模拟，首次全面揭示了施工阶段衬砌荷载演变规律与力学响应特征。相关成果发表于岩土工程领域权威期刊《Soils and Foundations》。

研究采用三项关键技术：1）基于振动弦式土压力计（vibrating wire earth pressure cells）和水压计（water piezometers）的长期荷载监测系统；2）嵌入式混凝土应变计（embedded concrete strain gauges）测量管片内力；3）建立包含螺栓接触、预紧力及钢筋笼（reinforcement cage）的三维有限元模型（C3D8R/C3D10M单元），采用Mohr-Coulomb（M-C）本构模型模拟土体行为。

主要研究发现

3.1 实测荷载特性
同步注浆（synchronous grouting）对上部软土层影响显著，其产生的最大土压力达稳定值1.9倍（310 kPa→160 kPa）。在盾尾脱出2环后，上部粉质黏土层需20环掘进才能使土压稳定，而下部砾石层因渗透系数高仅需5环。水压监测显示，软土层超孔隙水压力影响范围达15环，验证了流体-固体耦合效应。

3.3 理论与实测对比
竖向土压力呈现"中间大两端小"的非对称分布，拱顶实测最大值仅为Terzaghi理论值的72%。地层界面处侧向土压力存在突变，采用Shi氏法（考虑滑裂面宽度调整）的计算结果与实测值吻合度最佳。传统修正惯用法（modified routine method）会高估基底反力，因未考虑硬土层的承载贡献。

4.2 衬砌力学特性
在均质砂层中，管片弯矩（bending moment）呈蝶形分布，仰拱处弯矩（-115.13 kN·m）大于拱顶；而上软下硬地层中，拱顶弯矩（-80.49 kN·m）反超仰拱，且地层界面上方出现应力集中。轴力（axial force）分析表明，硬土层对管片内力发展形成约束，导致软硬交界处轴力梯度变化显著（1932 kN→1325 kN）。

结论与意义
该研究首次通过现场实测揭示了同步注浆压力在上软下硬地层中的分层消散规律，明确了竖向土压力的非均匀分布特征及地层界面处的应力突变现象。提出的考虑滑裂面形状与侧压系数关系的荷载计算方法，较传统理论更符合实际工况。数值模拟证实硬土层的刚性约束会抑制管片内力发展，建议在设计中对地层界面区域采用高强混凝土或增加配筋率。这些发现为复合地层盾构隧道设计提供了重要理论支撑，尤其对同步注浆参数优化和衬砌薄弱环节加固具有直接指导价值。

未来研究可拓展至软土-硬岩等其他类型复合地层，并考虑地下水渗流与土体的耦合作用以提升模型精度。本文建立的"监测-理论-模拟"三位一体研究方法，为类似地质条件下的隧道工程提供了可借鉴的技术框架。