任建喜，張楊洋

(西安科技大學建筑與土木工程學院，西安 710054)

斜穿地裂縫黃土地鐵隧道施工誘發(fā)的地表沉降及隧道變形規(guī)律研究

任建喜，張楊洋

(西安科技大學建筑與土木工程學院，西安 710054)

研究地裂縫影響區(qū)內(nèi)存在可弱化土體的不利因素情況下，西安黃土地區(qū)地鐵隧道暗挖斜穿地裂縫施工所誘發(fā)的地表及隧道相關(guān)變形規(guī)律。通過FLAC3D模擬預測施工變形規(guī)律，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，得到以下結(jié)論：(1)FLAC3D模擬表明，隧道暗挖施工穿越地裂縫時裂縫臨近處收斂值會在初期出現(xiàn)短暫負收斂現(xiàn)象；(2)地表在地裂縫影響帶的差異沉降發(fā)展集中在穿越前和穿越過程中，而拱頂上下盤差異沉降主要集中在穿越過程中；(3)當?shù)亓芽p影響帶內(nèi)存在可弱化土體強度的不利因素時，地表最終沉降的峰值點會向不利因素處移動；(4)拱頂最終沉降的峰值點基本在隧道軸線和裂縫的相交處，其受地表的土體弱化因素影響較小。

黃土地區(qū)；地鐵隧道；弱化因素；地裂縫；FLAC3D模擬；沉降規(guī)律；現(xiàn)場監(jiān)測

1 概述

淺埋暗挖法在城市復雜環(huán)境中修建地鐵雖具有較強的適應性[1]，然而其在西安地鐵建設中卻面臨穿越眾多地裂縫的重大挑戰(zhàn)：地裂縫作為一種地質(zhì)災害，一直以來都是困擾世界工程界的難題，西安恰處我國地裂縫發(fā)育最為強烈的汾渭盆地，城區(qū)已發(fā)現(xiàn)的地裂縫達14條之多，且部分仍處于活動狀態(tài)。在地裂縫如此廣布的城市進行地鐵這類線性軌道工程建設，國內(nèi)外這方面的理論和經(jīng)驗非常有限[2-5]。自1996年西安相關(guān)部門采取黑河供水、禁采地下承壓水措施的持續(xù)實施，地裂縫大多已進入緩慢蠕變活動狀態(tài)。然而黃土的濕陷性作為地裂縫的誘發(fā)因素之一，會在裂縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)形成應變集中場，暗挖過程本身也會引發(fā)圍巖應力重分布，兩者效應疊加，會加劇貫通裂縫的附加變形以及隱伏裂縫向貫通型裂縫突變[6，7]。因此，研究濕陷性黃土地區(qū)隧道暗挖穿越弱活動地裂縫所誘發(fā)的地層活動對保障隧道自身及臨近建(構(gòu))筑物仍有十分重要的工程價值。

彭建兵[6，8]、黃強兵[5，9]、范文[10]等針對地裂縫活動與隧道及地層變位的關(guān)系以及災害控制開展了大量物理模型試驗及數(shù)值模擬，得出了諸多結(jié)論，門玉明[11]等也從計算模型上進行了研究分析。然而已有研究尚未對隧道穿越地裂縫，當?shù)亓芽p影響區(qū)內(nèi)存在可弱化土體的不利因素時對地層的變形影響開展研究，并且已有的理論及模擬研究側(cè)重地裂縫錯動對既有隧道及地層的分析，而針對穿越過程中地層的變形發(fā)展分析相當有限。以西安地鐵3號線某標段斜穿地裂縫隧道暗挖工程為依托，通過運用FLAC3D模擬及結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，研究暗挖穿越過程中當施工及地裂縫影響區(qū)內(nèi)存在土體軟化因素時地層及隧道變形規(guī)律，其研究結(jié)果可為西安地鐵其余線路暗挖穿越地裂縫時的設計和安全施工提供參考。

2 工程背景

本文所研究的區(qū)段處于西安地鐵3號線胡家廟—通化門區(qū)間，盾構(gòu)始發(fā)井至胡家廟車站的暗挖段。區(qū)間周邊分布有數(shù)個商品批發(fā)商場，交通負荷大。

區(qū)段所穿越的地裂縫位于f4地裂縫的中段，穿越處地裂縫傾向SE，傾角約85°，與隧道軸線夾角35°～60°，處于隱伏狀態(tài)，南側(cè)為上盤，力學性質(zhì)以傾滑、張裂為主，該段地裂縫活動性弱，暗挖施工階段可認為無地裂縫構(gòu)造活動及抽排承壓水引發(fā)的裂縫錯動。

區(qū)段濕陷性土層厚度小于9.5 m，最大埋深約10 m，屬非自重濕陷性黃土，濕陷等級按Ⅱ級設防。隧道主要穿越飽和軟黃土、古土壤及老黃土。潛水層水位約9.5～11.6 m，排泄方式主要為側(cè)向徑流排泄。圖1為研究區(qū)段的平面布置以及測點布置，圖中粗虛線為f4地裂縫，細虛線為模型計算范圍，地表沉降測點共計39排。

3 隧道暗挖施工及監(jiān)測

3.1 隧道暗挖施工

開挖前1個月將水位降低至仰拱下不小于1 m以保證無水作業(yè)，并保持水位穩(wěn)定[1]。

3.1.1 斷面形式

該區(qū)段斷面為單線單導洞馬蹄形隧道，如圖1所示，共設3種斷面形式，B型斷面為地裂縫設防段(B′為特殊變形縫斷面)(圖2)，采取預留凈空+分段設變形縫的方案。CRD進洞(20 m)后采用短臺階+臨時仰拱法施工；C斷面采用臺階法；D斷面為人防段(8 m)CRD法施工。

圖1 區(qū)段平面布置及測點布置(單位：m)

圖2 B(B′)斷面結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3.1.2 支護參數(shù)

(1)采用φ42×3.5 mm，L=3 m小導管預注漿，沿拱部周邊150°打設，環(huán)間距300 mm，縱間距1 500 mm，打設角度為22°，搭接長度不小于1 m，水泥漿-水玻璃雙液漿，注漿壓力0.3～0.5 MPa。

(2)格柵縱向連接筋：φ18 mm(φ20 mm)，環(huán)向間距1.0 m，內(nèi)外雙層布置。

(3)鎖腳錨管同注漿小導管，每榀每腳2根，在拱腳及橫撐位置設置，打設角度45°。

(4)鋼筋網(wǎng)：單層φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格150 mm×150 mm。

(5)拱頂及邊墻噴射混凝土C25，250(300) mm厚；臨時中隔板(墻)厚260 mm。

(6)回填注漿：注漿管φ32×3.25 mm，L=0.5 m，縱向5 m布設1次，每環(huán)5(7)根。

3.2 監(jiān)測

對于城市地鐵工程，受影響因素相對較多，必須通過及時有效的監(jiān)測來反饋施工并優(yōu)化設計以及確保周邊環(huán)境安全。本工程監(jiān)測等級為一級，測點的布設及布置依據(jù)相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

4 暗挖斜穿地裂縫FLAC3D模擬

4.1 模型建立

采取三維建模來反映進洞順序不同以及斜交地裂縫所引發(fā)的空間效應。綜合邊界條件、圣維南原理、模型計算效率以及本文研究重點，對模型進行了適當簡化，即原CRD進洞段同樣按照臺階法處理，隧道間距按最近距離2 m模擬。地裂縫作為斷層面，必須采用接觸面來模擬。FLAC3D中接觸面采用無厚度的Goodman接觸面單元，接觸面采用摩爾庫倫剪切模型，可以模擬接觸面的開裂和錯動滑移等現(xiàn)象。因模型尺寸遠大于裂縫寬度，加之地裂縫以垂直位移為主、水平張拉次之、水平扭動較小，因此在研究以垂直位移為主的沉降變形時，可忽略地裂縫寬度對模型的影響，可以采用FLAC3D中的接觸面單元來模擬。地層及注漿區(qū)采用實體單元摩爾庫倫模型，支護結(jié)構(gòu)統(tǒng)一采用實體單元彈性模型處理。

計算模型如圖3所示，模型尺寸210 m×76 m×30 m，共282 240個單元298 423個節(jié)點，接觸面設置為傾角90°夾角45°。因模型南北面分別為始發(fā)井和車站邊界，因此可將四周及底面設置為節(jié)點法向約束。因本文主要研究暗挖過地裂縫隧道自身及地表變形規(guī)律，故未施加臨近建構(gòu)筑物荷載。

圖3 計算模型

4.2 模擬參數(shù)及開挖過程

如圖1所示，在圍擋北門處存在一磚砌雨污水井，因場地限制，部分降水井抽水及雨水排至該井。水作為土體強度的控制因素之一加之黃土自身的濕陷性特征，必須考慮該雨污水井對臨近土體強度的弱化；表土層作為新進堆積黃土其具有更強的濕陷性，該井距離裂縫最近距離約5 m，處于地裂縫主變形區(qū)，而地裂縫本身作為降水入滲的導水通道，勢必加劇地表的沉降。綜上，若以非進洞注漿段及非污水井影響區(qū)為標準土層，則本文采取沿裂縫北側(cè)1 m、南側(cè)5 m、寬度30 m范圍內(nèi)，土體強度降低為標準土層強度0.8倍的方式，處理裂縫區(qū)土體的軟化問題。向北進洞段20 m地表注漿范圍采取土體強度提高為標準土層強度1.2倍的方式處理。根據(jù)地層實勘情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)，最終確定的標準土層參數(shù)見表1。

表1 標準土層計算參數(shù)

臨時仰拱體積模量(K)取1.8×1010Pa，剪切模量(G)取1.35×1010Pa，一次襯砌K取2.1×1010Pa，G取1.5×1010Pa。接觸面參數(shù)的確定參考相關(guān)文獻[12-13]并結(jié)合試算最終定為:Kn取7.5×106Pa，Ks取2.2×104Pa，摩擦角10°，黏聚力5 000 Pa，抗拉強度為0。

如圖1所示，A、B同時進洞，D滯后B約15 m，C滯后A約30 m。左右線中軸線與裂縫相交處距離南洞口分別約70 m和60 m。進洞順序及開挖工法采用FISH編程進行嚴格控制，基本符合現(xiàn)場實際。一襯施作前釋放的圍巖壓力按30%計算[14]。

4.3 模擬結(jié)果分析

4.3.1 斷面收斂

圖4為左線第10排、裂縫臨近處第16、第17排斷面處上臺階拱腰處的收斂變化曲線。

圖4 收斂變化曲線

因第16排處收斂斷面位于地裂縫同隧道縱向相交區(qū)的中部，該變形主要受上盤主導，而第17排處斷面主要位于下盤區(qū)域，因此分別將第16、第17排斷面定為裂縫區(qū)上下盤的代表斷面。由圖4可知，45 m處收斂斷面作為裂縫影響區(qū)外的對比斷面，其收斂變化與常規(guī)暗挖收斂規(guī)律相同。但上下盤收斂變化存在明顯差異：(1)地裂縫前后臨近處收斂均出現(xiàn)負收斂現(xiàn)象(即凈空變大)，這主要是由于開挖臨近裂縫處時，裂縫處橫向約束迅速減小以及淺埋所帶來的上部荷載突然增大所產(chǎn)生綜合效應；(2)對于收斂過程中，下盤為正收斂-負收斂-正收斂，而上盤缺失先期的正收斂，這很可能是由于裂縫與隧道斜交，上部荷載的施加路徑不同導致；(3)收斂量值上，裂縫區(qū)收斂大于影響區(qū)外收斂，上盤收斂小于下盤并存在明顯突增。

4.3.2 拱頂下沉

依據(jù)進尺同裂縫的相對位置，以A洞暗挖進尺為標準，分別給出當A洞暗挖至60、80、100 m時3種代表性進尺時左線拱頂?shù)南鲁燎€，如圖5所示。

圖5 代表性進尺下拱頂沉降曲線

進尺60 m時，尚距裂縫約10 m，該階段隨著進尺的增加接觸面上的剪應力隨之增大，當達到接觸面抗剪強度時會出現(xiàn)上盤整體錯動，60～70 m段因有土體支撐，故在60 m處出現(xiàn)拐點；當進尺達80 m時，已過地裂縫10 m，原上盤70 m處拱頂點繼續(xù)下沉，下盤70～80 m洞頂因開挖隨之下沉；當開挖至100 m時，上下盤70 m處洞頂均未見繼續(xù)下沉。

4.3.3 地表沉降

圖6是一襯做完未拆除臨時仰拱時左線隧道軸線對應地表在代表性進尺時的最終沉降圖，地表沉降同拱頂沉降有相似規(guī)律，曲線出現(xiàn)的錯臺現(xiàn)象也與已有研究成果吻合。不同的是最大沉降點并未出現(xiàn)在地裂縫處，而是向南偏移約4 m，這主要是為模擬雨污水井而將裂縫南端5 m范圍內(nèi)土體參數(shù)降低所致。圖5、圖6為120～135 m段沉降是由北洞向南開挖引起。

圖6 代表性進尺下左線地表沉降曲線

圖7為變形放大50倍后的地表網(wǎng)格變形圖，由圖7可看出，暗挖穿越地裂縫時會誘發(fā)隧道上方地裂縫處一定寬度范圍的土體產(chǎn)生錯動。綜合拱頂及地表沉降規(guī)律，裂縫處是否存在沉降突變，主要與掌子面和地裂縫的縱向距離有關(guān)，當穿越裂縫時會發(fā)生上下盤的同步突變，地裂縫可近似視為位移邊界條件。

圖7 地表網(wǎng)格變形

5 監(jiān)測結(jié)果分析

5.1 收斂監(jiān)測結(jié)果

如圖8所示，在最終收斂量上第16、第17排處斷面收斂大于裂縫影響區(qū)外的第10排收斂量；收斂速率上3排收斂前期較為接近，5～15 m為裂縫區(qū)斷面的加速收斂階段，并且上盤第16排斷面慢于下盤第17排趨于穩(wěn)定。收斂變化趨勢實測與模擬趨勢基本吻合，至于模擬出現(xiàn)的負收斂現(xiàn)象實測未出現(xiàn)，可能與受限于現(xiàn)場測量條件和負收斂階段短暫有關(guān)，第16排斷面收斂速率在前期稍低于第10排斷面，這可能是負收斂的一種表現(xiàn)。實測值普遍小于模擬，可能是實際監(jiān)測滯后導致。

圖8 左線收斂對比曲線

5.2 代表性進尺下地表沉降

從圖9曲線A、B、D可以看出，當掌子面穿越地裂縫前，其前方的先期沉降在地裂縫處存在突變，地層變形受到阻斷，此時地裂縫相當于位移邊界條件，對于右線B和D曲線，最大沉降點約在當前進尺的中部位置，而曲線A最大沉降點恰出現(xiàn)在當前進尺60 m處，原因一方面為南側(cè)土體和井壁存在接觸關(guān)系，土體受向上的剪力和掌子面至裂縫段土體的支撐作用，隨著進尺增加，該支撐段開始出現(xiàn)塑性區(qū)，造成承載力下降，最大沉降點逐步向前移動，另一方面該60 m處為雨污水井位置，該區(qū)域土體強度存在突變，故左線在此達到最大沉降；由左線A、C、E曲線可知，當掌子面剛穿越裂縫后，裂縫后方的地層沉降進一步發(fā)展，裂縫后方隧道通過支護系統(tǒng)與前方地層構(gòu)成縱向連接，傳遞沉降變形。

圖9 實測代表性進尺下隧道軸線地表點沉降曲線

5.3 拱頂累計沉降

受現(xiàn)場施工限制，一般拱頂下沉監(jiān)測滯后于工作面5 m左右，這往往錯過了速率發(fā)展最快的部分階段，故僅分析所測得的拱頂累計沉降，如圖10所示。

圖10 實測拱頂沉降曲線

左線拱頂最大下沉發(fā)生在約73 m處達23 mm，右線為60 m處15 mm，左右線拱頂下沉最大位置基本在裂縫與軸線相交處，這與前文模擬結(jié)果相吻合。拱頂下沉受外界影響較小，這主要與地裂縫的張開量隨深度的增加而減小，裂縫處的抗剪強度增加有關(guān)。另外，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)在開挖至地裂縫處時，掌子面未見明水，但含水量明顯增大，土體松軟，當一襯完成后一周左右裂縫處約10 m范圍混凝土由于吸水飽和洞壁開始濕潤，后期拱頂出現(xiàn)滴水現(xiàn)象，期間進行過多次注漿，但始終無法達到根治效果，加之8、9月份雨水較多，區(qū)段排水管道不暢，滲水明顯加重。

5.4 隧道軸線對應地表累計下沉

由圖11看出，進洞段20 m范圍地表沉降控制較明顯，最大沉降左線出現(xiàn)在60 m處沉降達84.86 mm，右線為48 m處達63.57 mm，最大沉降點并未出現(xiàn)在裂縫處，距裂縫相交點分別約15 m和7 m。這主要與裂縫南側(cè)約8 m的雨污水井有關(guān)，該井附近土體受水反復浸潤造成多次擾動及固結(jié)沉降，強度弱化顯著。本區(qū)段暗挖基本處于3～9月份，處于裂縫活動相對強烈時段[6]，加之雨季大量雨水沿地裂縫下滲，弱化裂縫區(qū)土體，加劇地表沉降。對于實測未出現(xiàn)模擬呈現(xiàn)的裂縫處顯著差異沉降，這主要與后期表土層的蠕變和變形協(xié)調(diào)有關(guān)。

圖11 實測隧道軸線地表點累計沉降曲線

6 結(jié)語

(1)淺埋暗挖穿越地裂縫時，裂縫臨近處會出現(xiàn)一定的負收斂現(xiàn)象，這與地裂縫處豎向剪力銳減帶來上部荷載突增以及裂縫與隧道夾角有關(guān)。裂縫臨近處收斂速率存在明顯突增并且需經(jīng)歷較長時間方進入穩(wěn)定階段。

(2)在暗挖穿越地裂縫前及穿越過程中，對于弱活動隱伏地裂縫仍具有顯著的變形特征，地表及支護系統(tǒng)在裂縫處存在較大沉降差，因此在此階段應加強地表管線的沉降監(jiān)測及加強穿越段支護的縱向強度。

(3)當?shù)亓芽p影響范圍內(nèi)存在可弱化土體的不利因素時，地表最終沉降峰值點并非在裂縫處而是會向不利點移動，因此在穿越地裂縫時務必處理好諸如水等不利因素，合理設計降排水路徑，另外建議盡量避免在雨季時段進行暗挖穿越。

(4)洞頂沉降受外部因素影響相對較小，其最大沉降點基本在隧道與地裂縫相交處，因此建議在二襯施作前應適當加強對裂縫處的拱頂下沉監(jiān)測。

[1] 王夢恕.21世紀我國隧道及地下空間發(fā)展的探討[J].鐵道科學與工程學報，2004，1(1):7-9.

[2]邵生俊，楊春明.濕陷性黃土隧道的工程性質(zhì)分析[J].巖土工程學報，2013，35(9):1580-1590.

[3]陳志新，袁志偉，彭建兵，等.渭河盆地地裂縫發(fā)育基本特征[J].工程地質(zhì)學報，2007，15(4):441-447.

[4]門玉明，石玉玲.西安地裂縫研究中的若干重要科學問題[J].地球科學與環(huán)境學報，2008，30(2):172-176.

[5]黃強兵.地裂縫對地鐵隧道的影響機制及病害控制研究[D].西安:長安大學，2009.

[6]彭建兵.西安地裂縫災害[M].北京:科學出版社，2012.

[7]王景明.地裂縫及其災害的理論與應用[M].西安:陜西科學技術(shù)出版社，2000.

[8]彭建兵，陳立偉，黃強兵，等.地裂縫破裂擴展的大型物理模擬試驗研究[J].地球物理學報，2008，51(6):1826-1834.

[9]黃強兵，彭建兵，石玉玲，等.地裂縫活動對地鐵區(qū)間隧道地層應力與位移影響的試驗研究[J].巖土工程學報，2009，31(10):1525-1532.

[10]范文，鄧龍勝，彭建兵，等.地鐵隧道穿越地裂縫帶的物理模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27(9):1917-1923.

[11]門玉明，張結(jié)紅，劉洪佳，等.西安地鐵隧道穿越地裂縫帶的計算模型探討[J].地球科學與環(huán)境學報，2011，33(1):95-100.

[12]鄭萬坤.西安地鐵地裂縫區(qū)間隧道運行期襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的力學響應數(shù)值分析[D].西安:西安理工大學，2009.

[13]王海剛，劉明坤，賈三滿，等.基于FLAC3D的北京高麗營地裂縫模擬[J].南水北調(diào)與水利科技，2014，11(5):86-90.

[14]黃鴻健.堡鎮(zhèn)隧道高地應力軟弱圍巖段施工大變形數(shù)值模擬預測研究[J].鐵道標準設計，2009(3):93-95.

Study on Settlement Laws of Ground Surface and Tunnel Deformation Induced by Construction of Loess Metro Runnel Crossing Ground Fissure

EN Jian-xi， ZHANG Yang-yang

(School of Architecture and Civil Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054, China)

This paper aims for laws of deformation of ground surface and tunnel induced by construction in presence of some adverse factors that may weaken soil in the area influenced by ground fracture due to undercut subway tunnel crossing ground fissure. On the basis of conducting FLAC simulation prediction with the actual measured data， conclusions are drawn as followings: (1)FLAC3D results show that undercut crossing ground fissures at the crack near the convergence appears briefly at a early stage with negative convergence; (2) development of differential settlement of surface in crack zone concentrates before and during the crossing process， but differential settlement of roof performance focuses during the process of passing; (3)when some unfavorable factors that weaken soil intensity are existed， the peak point of final ground settlement moves towards the point with unfavorable factors; (4) the final settlement peak point of roof is located approximately at the intersection of tunnel axis and the ground fissure， and is less influenced by the surface soil weakening factors.

loess soil area; Metro tunnel; Weakening factor; Ground fissure; FLAC3D numerical simulation; settlement laws; In-site monitoring

2015-04-01；

2015-04-26

高等學校博士學科點專項科研基金資助(20096121110004)

任建喜(1968—),男, 教授, 博士研究生導師,E-mail:renjianxi1968@163.com。

1004-2954(2015)09-0112-06

U459.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.025