茍玉軒,黃強(qiáng)兵,2,王立新,閆鈺豐,賈少春

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系,西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué)巖土與地下工程研究所,西安 710054； 3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)規(guī)模之大、速度之快，前所未有!這使我國(guó)城市地鐵建設(shè)面臨各種特殊地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)。但我國(guó)城市地質(zhì)條件復(fù)雜，存在明顯的地域性，從東部沿海地區(qū)城市為代表的軟土沉降問(wèn)題，到西南、中南地區(qū)的巖溶問(wèn)題，再到西部?jī)?nèi)陸的黃土濕陷性問(wèn)題，還有地裂縫、活動(dòng)斷裂這些特殊地質(zhì)問(wèn)題等[1-2]，其中地裂縫特殊地質(zhì)危害較為嚴(yán)重，西安市便是城市地鐵建設(shè)受地裂縫影響最為嚴(yán)重的城市，這里分布發(fā)育的地裂縫目前達(dá)到14條之多，在國(guó)內(nèi)外實(shí)屬罕見(jiàn)，且部分還處于活動(dòng)之中，城市地鐵隧道的建設(shè)由于要穿越地裂縫而勢(shì)必繞不開(kāi)這一問(wèn)題：地層錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的累積變形將導(dǎo)致地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，影響地鐵隧道的正常運(yùn)營(yíng)[3]。目前西安地鐵隧道穿越地裂縫地段均采用淺埋暗挖法，隧道結(jié)構(gòu)分段設(shè)縫、擴(kuò)大斷面的措施，來(lái)適應(yīng)地裂縫的大變形并在襯砌可能出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)補(bǔ)救，但這一選擇便意味著工期長(zhǎng)、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，尤其是當(dāng)?shù)罔F線(xiàn)路穿越多條地裂縫時(shí)這些問(wèn)題尤為突出!近期隨著西安地鐵第三期規(guī)劃建設(shè)的實(shí)施，具有更加安全、更低成本和更短工期等優(yōu)點(diǎn)的盾構(gòu)隧道能否穿越地裂縫一直爭(zhēng)論不休，多大的位錯(cuò)量地裂縫盾構(gòu)能通過(guò)，位錯(cuò)量多大時(shí)不能通過(guò)，通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝方式在地裂縫環(huán)境下適應(yīng)性又如何？這些問(wèn)題從西安地鐵建設(shè)開(kāi)始至今，一直沒(méi)有定論。

關(guān)于地裂縫場(chǎng)地地鐵隧道風(fēng)險(xiǎn)及設(shè)防問(wèn)題，許多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了大量研究，但以往相關(guān)研究基本集中于暗挖隧道方面，包括地裂縫活動(dòng)對(duì)暗挖隧道的影響機(jī)理及相應(yīng)的防治措施等[3-5]；而關(guān)于盾構(gòu)隧道穿越地裂縫場(chǎng)地的適應(yīng)性等方面的研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，僅黃強(qiáng)兵[5]、胡志平等[6]開(kāi)展過(guò)盾構(gòu)隧道穿越地裂縫帶的大型物理模型試驗(yàn)，分析了地裂縫活動(dòng)引起的盾構(gòu)管片變形破壞特征和影響范圍；袁利群[7]等研究了穿越出露及隱伏地裂縫的地鐵盾構(gòu)隧道兩種工況，發(fā)現(xiàn)隱伏地裂縫影響范圍和深度大于出露地裂縫，其后基本未見(jiàn)其他相關(guān)研究。

目前盾構(gòu)隧道的拼裝方式基本分為兩種，即通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝(圖1)。由于管片的拼裝方式對(duì)于管片襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為以及變形影響顯著[8]，錯(cuò)縫拼裝隧道相較于通縫拼裝的隧道由于提高了管片接頭剛度，繼而整體剛度也得到加強(qiáng)，變形較??；而通縫拼裝因?yàn)楦鳝h(huán)相同位置的接頭使得各環(huán)變形特性相同，變形能力又強(qiáng)于錯(cuò)縫[9]。目前國(guó)內(nèi)除了以上海地區(qū)為代表的城市采用的通縫隧道，大多數(shù)城市基本均采用錯(cuò)縫隧道[10]，但在地裂縫發(fā)育的西安地區(qū)，地裂縫錯(cuò)動(dòng)使地層產(chǎn)生差異沉降，需要考慮以通縫隧道“適應(yīng)”變形還是以錯(cuò)縫隧道“抵抗”變形，比較通縫和錯(cuò)縫盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在地裂縫錯(cuò)動(dòng)時(shí)的力學(xué)行為，能夠確定地裂縫場(chǎng)地地鐵盾構(gòu)隧道合適的管片拼裝方式。

圖1 盾構(gòu)隧道拼裝方式

基于此，選取西安典型的地裂縫場(chǎng)地地層，以擬建西安地鐵8號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道正交穿越地裂縫帶為工程背景，考慮地層-結(jié)構(gòu)法建立了三維有限元計(jì)算模型，研究地裂縫位錯(cuò)作用下不同拼裝方式的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為響應(yīng)，通過(guò)通縫和錯(cuò)縫拼裝的盾構(gòu)隧道沉降變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況的對(duì)比分析，提出盾構(gòu)隧道穿越地裂縫的拼裝方式的建議，以期為西安地鐵采用盾構(gòu)隧道穿越地裂縫場(chǎng)地的合理性和適應(yīng)性提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

西安地裂縫是構(gòu)造控制、超采地下水誘導(dǎo)而引起的典型城市地質(zhì)災(zāi)害。目前，西安地裂縫延伸長(zhǎng)度約160 km，其中地表出露超過(guò)70 km，覆蓋城區(qū)面積超過(guò)250 km2[1]。西安市啟動(dòng)了第三輪城市軌道交通線(xiàn)路的建設(shè)，其中最重要的是西安地鐵8號(hào)線(xiàn)，該線(xiàn)為市域環(huán)線(xiàn)，為西安市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)中的主要骨干線(xiàn)，設(shè)計(jì)線(xiàn)路幾乎穿越了所有14條地裂縫(與地裂縫相交29處)，如圖2所示。

面對(duì)地鐵8號(hào)線(xiàn)穿越如此之多的地裂縫，若仍然按照以往的線(xiàn)路設(shè)計(jì)在地裂縫段采取暗挖法，面對(duì)的成本過(guò)高、進(jìn)度過(guò)慢都是亟需解決的問(wèn)題。為此，建設(shè)單位擬選擇地鐵8號(hào)線(xiàn)地裂縫場(chǎng)地中活動(dòng)性較弱的地裂縫地段作為試驗(yàn)段，首次考慮嘗試采用盾構(gòu)直接通過(guò)地裂縫帶，目前正在進(jìn)行可行性論證研究，其中盾構(gòu)的選型即通縫和錯(cuò)縫盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在地裂縫錯(cuò)動(dòng)時(shí)的各自力學(xué)行為，將有助于分析地裂縫環(huán)境下的適應(yīng)性。

圖2 地鐵8號(hào)線(xiàn)與地裂縫相交示意

根據(jù)西安地鐵8號(hào)線(xiàn)穿越的地層情況，本次模型選取了f9地裂縫場(chǎng)地，涉及的具體地層呈現(xiàn)出明顯的階梯型錯(cuò)斷(圖3)，f9地裂縫總體走向NE75°，傾向SE，總長(zhǎng)度7.2 km，發(fā)育帶寬度30～140 m，地表出露總長(zhǎng)度約5.0 km[2]。地層及管片材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。盾構(gòu)隧道的外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，標(biāo)準(zhǔn)幅寬1.5 m，分塊采用“1+2+3”模式，如圖4所示。盾構(gòu)隧道拱頂埋深約為12 m，地裂縫傾角為80°。

圖3 f9地裂縫剖面

表1 材料參數(shù)

圖4 盾構(gòu)隧道截面(單位：m)

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

為了降低邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型邊界距離隧道邊界至少3倍隧道外徑[11]，空間上模型尺寸取為長(zhǎng)×寬×高=75 m×50 m×40 m，盾構(gòu)隧道縱向共計(jì)50環(huán)，隧道軸線(xiàn)與地裂縫正交于第26環(huán)，其中1～25環(huán)位于上盤(pán)，27～50環(huán)位于下盤(pán)。計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)

2.2 管片與接頭模擬

管片襯砌接頭主要控制盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)力學(xué)性態(tài)，關(guān)于盾構(gòu)隧道接頭的模擬，許多學(xué)者提出了不同計(jì)算模型，如彈簧模型[12-13]、實(shí)體單元模型[13-14]等。不同模型側(cè)重點(diǎn)不一，彈簧模型難以模擬隧道結(jié)構(gòu)與地層土體的共同作用，而實(shí)體單元模型卻有著計(jì)算量大和難以收斂的缺陷。為了反映地裂縫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍，因此模型尺寸較大，考慮到計(jì)算效率和管片與地層的相互作用，采用了殼-界面模型，即盾構(gòu)隧道管片采用殼單元模擬，管片之間和管片環(huán)之間通過(guò)殼接觸單元相連[15]。殼接觸單元除了在單元坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向有3個(gè)平動(dòng)自由度外，多了1個(gè)沿隧道縱向的轉(zhuǎn)角自由度，在受力后節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生3個(gè)方向的接觸力以及1個(gè)軸向彎矩

(1)

則其在單元坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的3個(gè)相對(duì)平動(dòng)位移和1個(gè)相對(duì)角位移[Δu](以殼單元中心點(diǎn)計(jì))可表示為

(2)

其中，fx和Δux分別為法向接觸力和法向相對(duì)位移；fy和Δuy以及fz和Δuz分別為切向接觸力和切向相對(duì)位移；my和Δφy分別為縱向彎矩和轉(zhuǎn)角；t為殼接觸單元頂面；b為接觸單元底面。如圖6所示。

圖6 接觸單元相對(duì)位移

由于增加了轉(zhuǎn)角自由度，這樣可以模擬管片接縫處的非線(xiàn)性。單元坐標(biāo)系的殼接觸單元?jiǎng)偠染仃囋谄胀ń佑|的基礎(chǔ)上由式(3)變?yōu)槭?4)

(3)

(4)

其中，kn為法向剛度；ks為切向剛度；kθy為繞縱軸的旋轉(zhuǎn)剛度。

則接頭處的變形位移[Δu]和單元的接觸力[F]之間的關(guān)系為

[F]=[K′]·[Δu]

(5)

殼接觸單元以界面接觸的形式，沿著管片接頭和環(huán)間接頭均勻布置若干。關(guān)于接頭剛度的取值，根據(jù)Gijsbers和Hordijk的研究，剪切接頭剛度很大程度上取決于施加的法向力，通常可假定為106kN/m[16]。因此，本次模擬環(huán)縫接頭的殼接觸單元剪切剛度取為106kN/m。

針對(duì)縱縫接頭的非線(xiàn)性轉(zhuǎn)動(dòng)行為的分析估算，首先由Jassen[17]提出，其假定了彈性混凝土行為并計(jì)算了轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，接頭剛度的計(jì)算

(6)

式中，b為管片幅寬；lt為接觸區(qū)域；Ec為混凝土彈性模量；N為法向力；M為彎矩。

Litsas等[18]通過(guò)比較理論計(jì)算和有限元模擬，發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果吻合較好，因此，采用近似計(jì)算接頭旋轉(zhuǎn)剛度。由于盾構(gòu)隧道管片襯砌通常處于壓縮狀態(tài)，其接縫也主要在壓力下工作，接頭通常是處于閉合狀態(tài)，計(jì)算時(shí)便可假定lt等于管片襯砌的厚度。

模型盾構(gòu)隧道每環(huán)管片由6塊組成，錯(cuò)縫拼裝時(shí)相鄰兩環(huán)錯(cuò)角為22.5°。以?xún)森h(huán)為例，管片拼裝模型如圖7所示，管片接頭模型如圖8所示。

圖7 管片拼裝模型

圖8 管片接頭模型

2.3 地裂縫及接觸單元

西安地裂縫主體傾向南，傾角為70°～80°，作正斷層式的活動(dòng)，如圖9所示。研究表明，地裂縫活動(dòng)屬于三維空間運(yùn)動(dòng)，即同時(shí)發(fā)生垂直位移、水平引張和水平扭動(dòng)，其中垂直位移量最大，拉張次之，水平最小[2]。工程上一般僅考慮地裂縫垂直位錯(cuò)。根據(jù)野外調(diào)查，地裂縫帶通常為粉土、細(xì)砂填充的軟弱結(jié)構(gòu)面，由于地裂縫的活動(dòng)會(huì)造成上、下盤(pán)土層發(fā)生互相嵌入或相對(duì)脫空，引入interface單元來(lái)模擬地裂縫的黏結(jié)滑移行為(圖10)。將兩側(cè)土體的相互作用考慮為“接觸”問(wèn)題，采用庫(kù)倫非線(xiàn)性摩擦模型，根據(jù)文獻(xiàn)[19-21]確定地裂縫接觸面參數(shù)。

圖9 西安地裂縫活動(dòng)方式示意

圖10 地裂縫與盾構(gòu)隧道相交示意

圖11 管片-土體接觸單元

實(shí)際施工中對(duì)盾構(gòu)管片與周?chē)馏w間采用注漿填充，在相互作用上表現(xiàn)為法向不可貫入，切向?yàn)镃oulomb摩擦模型，通過(guò)建立接觸單元(圖11)，保證地裂縫錯(cuò)動(dòng)時(shí)隧道與土體的分離和互不貫穿，達(dá)到管片與圍巖地層相互作用和協(xié)調(diào)變形的目的。接觸單元?jiǎng)偠瓤赏ㄟ^(guò)式(7)進(jìn)行估算

(7)

式中，kn為法向剛度；ks為切向剛度；α、β為比例因子(一般取0.1～10)；E為彈性模量；A為單元面積。

地裂縫及管片-土體接觸單元參數(shù)如表2所示。

表2 接觸單元參數(shù)

2.4 邊界及加載工況

地裂縫的活動(dòng)方式為上盤(pán)下降而下盤(pán)穩(wěn)定，其垂直位錯(cuò)量估算一般按照目前活動(dòng)速率與結(jié)構(gòu)使用年限(100a)來(lái)預(yù)測(cè)。因此在模型除頂面外的其他面均施加固定約束，在上盤(pán)底部逐級(jí)施加垂直方向的強(qiáng)制位移來(lái)近似模擬地裂縫的活動(dòng)，加載工況如表3所示。

表3 加載計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 隧道沉降變形特征

圖12為地裂縫位錯(cuò)s=50 cm作用下通縫和錯(cuò)縫拼裝的盾構(gòu)隧道拱頂縱向沉降變形對(duì)比曲線(xiàn)，從圖12可看出，隧道結(jié)構(gòu)在地裂縫位錯(cuò)作用下，通縫與錯(cuò)縫拼裝的隧道拱頂整體沉降規(guī)律基本一致，當(dāng)s=50 cm時(shí)表現(xiàn)的位錯(cuò)量已很大，通縫隧道的拱頂沉降量約為0.67 m，相比錯(cuò)縫隧道拱頂?shù)某两盗考s0.57 m來(lái)看，兩者相差約0.1 m，表明通縫隧道的沉降變形更大，如果單從盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形來(lái)看，地裂縫地段選擇變形較小的錯(cuò)縫隧道更加適合一些。

圖12 不同拼裝方式盾構(gòu)隧道拱頂沉降變形曲線(xiàn)(s=50 cm)

3.2 盾構(gòu)管片內(nèi)力變化特征

(1)軸力變化特征

圖13給出了不同位錯(cuò)量下通縫和錯(cuò)縫隧道管片拱頂縱向軸力的變化曲線(xiàn)。由圖13可知，通縫和錯(cuò)縫隧道的縱向軸力變化規(guī)律基本一致，即隨地裂縫上盤(pán)位錯(cuò)量的增加，管片頂部上盤(pán)軸力均為負(fù)，表現(xiàn)為受壓，隨著靠近地裂縫時(shí)負(fù)向增加但在地裂縫處突變減?。欢卤P(pán)軸力均為正，表現(xiàn)為受拉，隨著靠近地裂縫時(shí)正向增加但在地裂縫處突變減小，整體曲線(xiàn)呈現(xiàn)出反“S”形。圖中顯示兩種拼裝方式的盾構(gòu)隧道表現(xiàn)出的軸力相差不大，以沉降位錯(cuò)量s=50 cm時(shí)為例，通縫隧道軸力在上盤(pán)最大為-399 kN，在下盤(pán)最大為465 kN；而錯(cuò)縫隧道軸力在上盤(pán)最大為-453 kN，在下盤(pán)最大為472 kN，即通縫隧道的內(nèi)力相比錯(cuò)縫隧道偏小一些，但兩者差值不大。這是由于通縫隧道的變形更大一些，相較于整體剛度大而變形稍小的錯(cuò)縫隧道來(lái)說(shuō)能夠減小更多的內(nèi)力。根據(jù)縱向承載力驗(yàn)算，兩種拼裝方式的軸力尚處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，從數(shù)值上看，拼裝方式對(duì)軸力的影響有限。

圖13 不同拼裝方式盾構(gòu)隧道拱頂軸力變化曲線(xiàn)

(2)彎矩變化特征

圖14為地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下兩種拼裝方式的盾構(gòu)管片對(duì)應(yīng)的拱頂彎矩沿縱向變化曲線(xiàn)，從圖14可以明顯看到，曲線(xiàn)在地裂縫處的彎矩值均發(fā)生了突變，彎矩值整體不大，在遠(yuǎn)離地裂縫時(shí)基本為正，表明盾構(gòu)隧道的管片在遠(yuǎn)端時(shí)拱頂內(nèi)側(cè)受拉而外側(cè)受壓；而在地裂縫處彎矩產(chǎn)生了負(fù)向最大值，表明與地裂縫相交的管環(huán)以及附近相鄰的管環(huán)拱頂外側(cè)受拉而內(nèi)側(cè)受壓，這與文獻(xiàn)[5]的隱伏地裂縫活動(dòng)對(duì)盾構(gòu)隧道影響機(jī)制的模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致。對(duì)比通縫和錯(cuò)縫隧道的拱頂彎矩曲線(xiàn)，能看出通縫隧道的彎矩曲線(xiàn)在除地裂縫位置之外表現(xiàn)相對(duì)較為平穩(wěn)；而錯(cuò)縫隧道在地裂縫及相鄰管環(huán)的彎矩幅值波動(dòng)均較大，這是由于錯(cuò)縫拼裝的隧道各環(huán)管片接頭位置不同，雖然整體剛度增加，但環(huán)間剛度不均勻，管片出現(xiàn)了附加彎矩，從而導(dǎo)致錯(cuò)縫隧道的拱頂彎矩?cái)?shù)值上相對(duì)較大。此外，從影響范圍來(lái)看，也是錯(cuò)縫隧道要比通縫隧道更大一些。

圖14 不同拼裝方式盾構(gòu)隧道拱頂彎矩變化曲線(xiàn)

由于地裂縫附近的管環(huán)內(nèi)力變化較大且易出現(xiàn)開(kāi)裂[8]，為了分析管片環(huán)向內(nèi)力變化情況，提取了s=50 cm時(shí)上盤(pán)第25環(huán)和下盤(pán)第27環(huán)即與地裂縫相鄰的兩環(huán)的環(huán)向彎矩分布，得到如圖15和圖16所示的曲線(xiàn)(從下盤(pán)向上盤(pán)看順時(shí)針?lè)较?，?5°為單位，0°為拱頂，180°為拱底)。

圖15 上盤(pán)第25環(huán)環(huán)向彎矩(s=50 cm)

從圖15可以看出，通縫和錯(cuò)縫隧道的上盤(pán)第25環(huán)的彎矩分布變化規(guī)律基本一致，均在180°位置即拱底位置達(dá)到最大負(fù)彎矩，表明盾構(gòu)隧道在地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下，在拱底位置的管片易發(fā)生管片接頭擠壓破壞，這一結(jié)果同樣也與文獻(xiàn)[5]的模型試驗(yàn)結(jié)果相符合。此外，錯(cuò)縫隧道整體的環(huán)向彎矩?cái)?shù)值比通縫拼裝方式的更大，在拱底處通縫隧道最大負(fù)彎矩約為-16 kN·m，錯(cuò)縫隧道則達(dá)到了-30 kN·m，由于錯(cuò)縫隧道產(chǎn)生的附加彎矩，顯然其結(jié)構(gòu)需要承擔(dān)的內(nèi)力也更大。

圖16為s=50 cm時(shí)下盤(pán)第27環(huán)的彎矩環(huán)向分布，其彎矩的變化情況與上盤(pán)的基本相似，兩種方式拼裝的盾構(gòu)隧道也均在180°位置出現(xiàn)了最大負(fù)彎矩值，但是由于在地裂縫附近的下盤(pán)盾構(gòu)隧道會(huì)受到上盤(pán)隧道下沉?xí)r一定的牽引作用，以及地裂縫錯(cuò)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力，因此兩種拼裝方式的盾構(gòu)隧道在環(huán)向上受力更復(fù)雜。

圖16 下盤(pán)第27環(huán)環(huán)向彎矩(s=50 cm)

(3)剪力變化特征

圖17 上盤(pán)第25環(huán)環(huán)向剪力分布雷達(dá)圖(單位：kN)

圖17給出了地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下上盤(pán)第25環(huán)的環(huán)向剪力分布雷達(dá)圖。從圖17可以看出，通縫拼裝隧道的環(huán)向剪力分布較為對(duì)稱(chēng)，最大負(fù)剪力出現(xiàn)在管環(huán)兩側(cè)拱腰位置，易發(fā)生剪切破壞，而拱肩和拱腳位置次之，拱頂、底位置剪力最小；錯(cuò)縫拼裝的隧道環(huán)向剪力分布較復(fù)雜，最大正剪力出現(xiàn)在45°拱肩位置和270°拱腰位置，最大負(fù)剪力出現(xiàn)在315°拱肩和90°拱腰位置，表明隧道管環(huán)在受剪時(shí)出現(xiàn)了扭動(dòng)，而拱頂、底位置的剪力也表現(xiàn)為最小。兩種拼裝方式的隧道管環(huán)在拱頂、底受剪不明顯，而在管環(huán)兩側(cè)拱腰、拱肩及拱腳位置受剪較為嚴(yán)重。此外，從剪力數(shù)值上看，錯(cuò)縫拼裝隧道的剪力變化范圍較大，產(chǎn)生的剪力也明顯大于通縫隧道。

同樣地，圖18給出的下盤(pán)第27環(huán)環(huán)向剪力分布雷達(dá)圖中的規(guī)律與上盤(pán)第25環(huán)基本一致，兩種拼裝方式的盾構(gòu)隧道環(huán)向剪力在拱頂位置最小，而在兩側(cè)拱腰、拱肩和拱腳位置剪力較大，表明這些位置容易受到剪切破壞。

圖18 下盤(pán)第27環(huán)環(huán)向剪力分布雷達(dá)圖(單位：kN)

3.3 管片環(huán)間相對(duì)垂直位錯(cuò)量變化特征

在地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下還需要關(guān)注管片環(huán)之間的相對(duì)位錯(cuò)量，圖19給出了不同位錯(cuò)量下對(duì)應(yīng)的管片環(huán)之間的相對(duì)垂直位錯(cuò)沿縱向變化的曲線(xiàn)。明顯可以看出，兩種拼裝方式的隧道環(huán)間相對(duì)垂直位錯(cuò)量在遠(yuǎn)離地裂縫時(shí)曲線(xiàn)較為平緩，基本為整體變化；而隨著靠近地裂縫位置，曲線(xiàn)出現(xiàn)較大波動(dòng)并在地裂縫附近達(dá)到了最大值，其中通縫隧道環(huán)間相對(duì)垂直位錯(cuò)量最大達(dá)到了0.12 m，而錯(cuò)縫隧道僅為0.02 m，這一結(jié)果也與文獻(xiàn)[5]中的試驗(yàn)結(jié)果(當(dāng)s=50 cm時(shí)，位錯(cuò)超過(guò)15 mm)較為接近，且最大環(huán)間位錯(cuò)量同樣出現(xiàn)在地裂縫處。由于通縫隧道的環(huán)間位錯(cuò)過(guò)大，結(jié)構(gòu)安全更易受到影響。此外，通縫隧道管環(huán)相對(duì)垂直位錯(cuò)量較大位置發(fā)生在了下盤(pán)靠近地裂縫一側(cè)，上盤(pán)相鄰管環(huán)也受到影響，但變化相對(duì)較??；錯(cuò)縫隧道在地裂縫處以及相鄰的管環(huán)環(huán)間(即25環(huán)與26環(huán)、26環(huán)與27環(huán))出現(xiàn)了較明顯位錯(cuò)，且靠近上盤(pán)一側(cè)位錯(cuò)量稍大一些。從影響范圍看，通縫隧道在地裂縫附近的影響范圍即變形較大區(qū)域(上盤(pán)約7 m，即5環(huán)左右和下盤(pán)約12 m，即8環(huán)左右)相較于錯(cuò)縫隧道(上盤(pán)約8 m，即5環(huán)左右和下盤(pán)約9 m，即6環(huán)左右s)更大一些，該范圍曲線(xiàn)起伏相對(duì)較大，表明通縫拼裝隧道環(huán)間相對(duì)垂直位錯(cuò)量過(guò)大，結(jié)構(gòu)已然不安全，故選擇相對(duì)位錯(cuò)較小的錯(cuò)縫拼裝相對(duì)較好。

根據(jù)上述盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)沉降變形、管片內(nèi)力變化以及環(huán)間相對(duì)垂直位錯(cuò)量的分析，給出了地裂縫環(huán)境下不同拼裝方式盾構(gòu)隧道的適應(yīng)性評(píng)價(jià)如表4所示。由表4可知，通縫隧道僅能適應(yīng)地裂縫不活動(dòng)(隱伏)或活動(dòng)微弱的地段，而根據(jù)西安地區(qū)近年來(lái)地裂縫活動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，目前地裂縫的活動(dòng)速率大多在1.0～5.0 mm/a[2]，因此可以考慮采用錯(cuò)縫隧道穿越地裂縫。

圖19 相鄰管環(huán)相對(duì)垂直位錯(cuò)量沿縱向變化曲線(xiàn)

表4 不同拼裝方式盾構(gòu)隧道適應(yīng)性評(píng)價(jià)

4 結(jié)論

基于有限元數(shù)值模擬計(jì)算，分析了不同拼裝方式(通縫和錯(cuò)縫)盾構(gòu)過(guò)地裂縫地段結(jié)構(gòu)性狀及適應(yīng)性，得出如下結(jié)論。

(1)在相同地裂縫位錯(cuò)量作用下，通縫拼裝的盾構(gòu)隧道在結(jié)構(gòu)沉降變形方面大于錯(cuò)縫拼裝的盾構(gòu)隧道，僅從沉降變形角度來(lái)看，錯(cuò)縫拼裝的盾構(gòu)隧道更適合地裂縫場(chǎng)地。

(2)無(wú)論是通縫隧道還是錯(cuò)縫隧道，縱向軸力均表現(xiàn)為拱頂上盤(pán)受壓而下盤(pán)受拉；縱向在地裂縫處出現(xiàn)最大負(fù)彎矩，環(huán)向則在拱底出現(xiàn)最大負(fù)彎矩；通縫拼裝隧道環(huán)向剪力分布基本對(duì)稱(chēng)，而錯(cuò)縫拼裝環(huán)向剪應(yīng)力分布較復(fù)雜，但二者均表現(xiàn)為拱肩、拱腰和拱底部較大，拱頂部最小。

(3)地裂縫錯(cuò)動(dòng)作用下通縫和錯(cuò)縫拼裝的隧道結(jié)構(gòu)均在地裂縫附近產(chǎn)生突變變形現(xiàn)象，形成較大環(huán)間相對(duì)位錯(cuò)，通縫拼裝隧道結(jié)構(gòu)其最大環(huán)間位錯(cuò)出現(xiàn)在地裂縫帶靠下盤(pán)一側(cè)，而錯(cuò)縫拼裝隧道則出現(xiàn)在靠地裂縫帶上盤(pán)一側(cè)，且通縫隧道的影響范圍(上盤(pán)5環(huán)，下盤(pán)8環(huán))比錯(cuò)縫隧道(上盤(pán)5環(huán)，下盤(pán)6環(huán))更大。

(4)考慮到目前西安地裂縫的整體活動(dòng)性，建議地鐵盾構(gòu)隧道穿越地裂縫段時(shí)采用錯(cuò)縫拼裝的盾構(gòu)隧道更加適合。