斜穿地裂缝黄土地铁隧道施工诱发的地表沉降及隧道变形规律研究

任建喜，张杨洋

(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)

斜穿地裂缝黄土地铁隧道施工诱发的地表沉降及隧道变形规律研究

任建喜，张杨洋

(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)

研究地裂缝影响区内存在可弱化土体的不利因素情况下，西安黄土地区地铁隧道暗挖斜穿地裂缝施工所诱发的地表及隧道相关变形规律。通过FLAC3D模拟预测施工变形规律，并与实际监测数据进行对比分析，得到以下结论：(1)FLAC3D模拟表明，隧道暗挖施工穿越地裂缝时裂缝临近处收敛值会在初期出现短暂负收敛现象；(2)地表在地裂缝影响带的差异沉降发展集中在穿越前和穿越过程中，而拱顶上下盘差异沉降主要集中在穿越过程中；(3)当地裂缝影响带内存在可弱化土体强度的不利因素时，地表最终沉降的峰值点会向不利因素处移动；(4)拱顶最终沉降的峰值点基本在隧道轴线和裂缝的相交处，其受地表的土体弱化因素影响较小。

黄土地区；地铁隧道；弱化因素；地裂缝；FLAC3D模拟；沉降规律；现场监测

1 概述

浅埋暗挖法在城市复杂环境中修建地铁虽具有较强的适应性[1]，然而其在西安地铁建设中却面临穿越众多地裂缝的重大挑战：地裂缝作为一种地质灾害，一直以来都是困扰世界工程界的难题，西安恰处我国地裂缝发育最为强烈的汾渭盆地，城区已发现的地裂缝达14条之多，且部分仍处于活动状态。在地裂缝如此广布的城市进行地铁这类线性轨道工程建设，国内外这方面的理论和经验非常有限[2-5]。自1996年西安相关部门采取黑河供水、禁采地下承压水措施的持续实施，地裂缝大多已进入缓慢蠕变活动状态。然而黄土的湿陷性作为地裂缝的诱发因素之一，会在裂缝两侧一定范围内形成应变集中场，暗挖过程本身也会引发围岩应力重分布，两者效应叠加，会加剧贯通裂缝的附加变形以及隐伏裂缝向贯通型裂缝突变[6，7]。因此，研究湿陷性黄土地区隧道暗挖穿越弱活动地裂缝所诱发的地层活动对保障隧道自身及临近建(构)筑物仍有十分重要的工程价值。

彭建兵[6，8]、黄强兵[5，9]、范文[10]等针对地裂缝活动与隧道及地层变位的关系以及灾害控制开展了大量物理模型试验及数值模拟，得出了诸多结论，门玉明[11]等也从计算模型上进行了研究分析。然而已有研究尚未对隧道穿越地裂缝，当地裂缝影响区内存在可弱化土体的不利因素时对地层的变形影响开展研究，并且已有的理论及模拟研究侧重地裂缝错动对既有隧道及地层的分析，而针对穿越过程中地层的变形发展分析相当有限。以西安地铁3号线某标段斜穿地裂缝隧道暗挖工程为依托，通过运用FLAC3D模拟及结合现场监测，研究暗挖穿越过程中当施工及地裂缝影响区内存在土体软化因素时地层及隧道变形规律，其研究结果可为西安地铁其余线路暗挖穿越地裂缝时的设计和安全施工提供参考。

2 工程背景

本文所研究的区段处于西安地铁3号线胡家庙—通化门区间，盾构始发井至胡家庙车站的暗挖段。区间周边分布有数个商品批发商场，交通负荷大。

区段所穿越的地裂缝位于f4地裂缝的中段，穿越处地裂缝倾向SE，倾角约85°，与隧道轴线夹角35°～60°，处于隐伏状态，南侧为上盘，力学性质以倾滑、张裂为主，该段地裂缝活动性弱，暗挖施工阶段可认为无地裂缝构造活动及抽排承压水引发的裂缝错动。

区段湿陷性土层厚度小于9.5 m，最大埋深约10 m，属非自重湿陷性黄土，湿陷等级按Ⅱ级设防。隧道主要穿越饱和软黄土、古土壤及老黄土。潜水层水位约9.5～11.6 m，排泄方式主要为侧向径流排泄。图1为研究区段的平面布置以及测点布置，图中粗虚线为f4地裂缝，细虚线为模型计算范围，地表沉降测点共计39排。

3 隧道暗挖施工及监测

3.1 隧道暗挖施工

开挖前1个月将水位降低至仰拱下不小于1 m以保证无水作业，并保持水位稳定[1]。

3.1.1 断面形式

该区段断面为单线单导洞马蹄形隧道，如图1所示，共设3种断面形式，B型断面为地裂缝设防段(B′为特殊变形缝断面)(图2)，采取预留净空+分段设变形缝的方案。CRD进洞(20 m)后采用短台阶+临时仰拱法施工；C断面采用台阶法；D断面为人防段(8 m)CRD法施工。

图1 区段平面布置及测点布置(单位：m)

图2 B(B′)断面结构(单位：mm)

3.1.2 支护参数

(1)采用φ42×3.5 mm，L=3 m小导管预注浆，沿拱部周边150°打设，环间距300 mm，纵间距1 500 mm，打设角度为22°，搭接长度不小于1 m，水泥浆-水玻璃双液浆，注浆压力0.3～0.5 MPa。

(2)格栅纵向连接筋：φ18 mm(φ20 mm)，环向间距1.0 m，内外双层布置。

(3)锁脚锚管同注浆小导管，每榀每脚2根，在拱脚及横撑位置设置，打设角度45°。

(4)钢筋网：单层φ6.5 mm钢筋网，网格150 mm×150 mm。

(5)拱顶及边墙喷射混凝土C25，250(300) mm厚；临时中隔板(墙)厚260 mm。

(6)回填注浆：注浆管φ32×3.25 mm，L=0.5 m，纵向5 m布设1次，每环5(7)根。

3.2 监测

对于城市地铁工程，受影响因素相对较多，必须通过及时有效的监测来反馈施工并优化设计以及确保周边环境安全。本工程监测等级为一级，测点的布设及布置依据相关规范执行。

4 暗挖斜穿地裂缝FLAC3D模拟

4.1 模型建立

采取三维建模来反映进洞顺序不同以及斜交地裂缝所引发的空间效应。综合边界条件、圣维南原理、模型计算效率以及本文研究重点，对模型进行了适当简化，即原CRD进洞段同样按照台阶法处理，隧道间距按最近距离2 m模拟。地裂缝作为断层面，必须采用接触面来模拟。FLAC3D中接触面采用无厚度的Goodman接触面单元，接触面采用摩尔库伦剪切模型，可以模拟接触面的开裂和错动滑移等现象。因模型尺寸远大于裂缝宽度，加之地裂缝以垂直位移为主、水平张拉次之、水平扭动较小，因此在研究以垂直位移为主的沉降变形时，可忽略地裂缝宽度对模型的影响，可以采用FLAC3D中的接触面单元来模拟。地层及注浆区采用实体单元摩尔库伦模型，支护结构统一采用实体单元弹性模型处理。

计算模型如图3所示，模型尺寸210 m×76 m×30 m，共282 240个单元298 423个节点，接触面设置为倾角90°夹角45°。因模型南北面分别为始发井和车站边界，因此可将四周及底面设置为节点法向约束。因本文主要研究暗挖过地裂缝隧道自身及地表变形规律，故未施加临近建构筑物荷载。

图3 计算模型

4.2 模拟参数及开挖过程

如图1所示，在围挡北门处存在一砖砌雨污水井，因场地限制，部分降水井抽水及雨水排至该井。水作为土体强度的控制因素之一加之黄土自身的湿陷性特征，必须考虑该雨污水井对临近土体强度的弱化；表土层作为新进堆积黄土其具有更强的湿陷性，该井距离裂缝最近距离约5 m，处于地裂缝主变形区，而地裂缝本身作为降水入渗的导水通道，势必加剧地表的沉降。综上，若以非进洞注浆段及非污水井影响区为标准土层，则本文采取沿裂缝北侧1 m、南侧5 m、宽度30 m范围内，土体强度降低为标准土层强度0.8倍的方式，处理裂缝区土体的软化问题。向北进洞段20 m地表注浆范围采取土体强度提高为标准土层强度1.2倍的方式处理。根据地层实勘情况及监测数据，最终确定的标准土层参数见表1。

表1 标准土层计算参数

临时仰拱体积模量(K)取1.8×1010Pa，剪切模量(G)取1.35×1010Pa，一次衬砌K取2.1×1010Pa，G取1.5×1010Pa。接触面参数的确定参考相关文献[12-13]并结合试算最终定为:Kn取7.5×106Pa，Ks取2.2×104Pa，摩擦角10°，黏聚力5 000 Pa，抗拉强度为0。

如图1所示，A、B同时进洞，D滞后B约15 m，C滞后A约30 m。左右线中轴线与裂缝相交处距离南洞口分别约70 m和60 m。进洞顺序及开挖工法采用FISH编程进行严格控制，基本符合现场实际。一衬施作前释放的围岩压力按30%计算[14]。

4.3 模拟结果分析

4.3.1 断面收敛

图4为左线第10排、裂缝临近处第16、第17排断面处上台阶拱腰处的收敛变化曲线。

图4 收敛变化曲线

因第16排处收敛断面位于地裂缝同隧道纵向相交区的中部，该变形主要受上盘主导，而第17排处断面主要位于下盘区域，因此分别将第16、第17排断面定为裂缝区上下盘的代表断面。由图4可知，45 m处收敛断面作为裂缝影响区外的对比断面，其收敛变化与常规暗挖收敛规律相同。但上下盘收敛变化存在明显差异：(1)地裂缝前后临近处收敛均出现负收敛现象(即净空变大)，这主要是由于开挖临近裂缝处时，裂缝处横向约束迅速减小以及浅埋所带来的上部荷载突然增大所产生综合效应；(2)对于收敛过程中，下盘为正收敛-负收敛-正收敛，而上盘缺失先期的正收敛，这很可能是由于裂缝与隧道斜交，上部荷载的施加路径不同导致；(3)收敛量值上，裂缝区收敛大于影响区外收敛，上盘收敛小于下盘并存在明显突增。

4.3.2 拱顶下沉

依据进尺同裂缝的相对位置，以A洞暗挖进尺为标准，分别给出当A洞暗挖至60、80、100 m时3种代表性进尺时左线拱顶的下沉曲线，如图5所示。

图5 代表性进尺下拱顶沉降曲线

进尺60 m时，尚距裂缝约10 m，该阶段随着进尺的增加接触面上的剪应力随之增大，当达到接触面抗剪强度时会出现上盘整体错动，60～70 m段因有土体支撑，故在60 m处出现拐点；当进尺达80 m时，已过地裂缝10 m，原上盘70 m处拱顶点继续下沉，下盘70～80 m洞顶因开挖随之下沉；当开挖至100 m时，上下盘70 m处洞顶均未见继续下沉。

4.3.3 地表沉降

图6是一衬做完未拆除临时仰拱时左线隧道轴线对应地表在代表性进尺时的最终沉降图，地表沉降同拱顶沉降有相似规律，曲线出现的错台现象也与已有研究成果吻合。不同的是最大沉降点并未出现在地裂缝处，而是向南偏移约4 m，这主要是为模拟雨污水井而将裂缝南端5 m范围内土体参数降低所致。图5、图6为120～135 m段沉降是由北洞向南开挖引起。

图6 代表性进尺下左线地表沉降曲线

图7为变形放大50倍后的地表网格变形图，由图7可看出，暗挖穿越地裂缝时会诱发隧道上方地裂缝处一定宽度范围的土体产生错动。综合拱顶及地表沉降规律，裂缝处是否存在沉降突变，主要与掌子面和地裂缝的纵向距离有关，当穿越裂缝时会发生上下盘的同步突变，地裂缝可近似视为位移边界条件。

图7 地表网格变形

5 监测结果分析

5.1 收敛监测结果

如图8所示，在最终收敛量上第16、第17排处断面收敛大于裂缝影响区外的第10排收敛量；收敛速率上3排收敛前期较为接近，5～15 m为裂缝区断面的加速收敛阶段，并且上盘第16排断面慢于下盘第17排趋于稳定。收敛变化趋势实测与模拟趋势基本吻合，至于模拟出现的负收敛现象实测未出现，可能与受限于现场测量条件和负收敛阶段短暂有关，第16排断面收敛速率在前期稍低于第10排断面，这可能是负收敛的一种表现。实测值普遍小于模拟，可能是实际监测滞后导致。

图8 左线收敛对比曲线

5.2 代表性进尺下地表沉降

从图9曲线A、B、D可以看出，当掌子面穿越地裂缝前，其前方的先期沉降在地裂缝处存在突变，地层变形受到阻断，此时地裂缝相当于位移边界条件，对于右线B和D曲线，最大沉降点约在当前进尺的中部位置，而曲线A最大沉降点恰出现在当前进尺60 m处，原因一方面为南侧土体和井壁存在接触关系，土体受向上的剪力和掌子面至裂缝段土体的支撑作用，随着进尺增加，该支撑段开始出现塑性区，造成承载力下降，最大沉降点逐步向前移动，另一方面该60 m处为雨污水井位置，该区域土体强度存在突变，故左线在此达到最大沉降；由左线A、C、E曲线可知，当掌子面刚穿越裂缝后，裂缝后方的地层沉降进一步发展，裂缝后方隧道通过支护系统与前方地层构成纵向连接，传递沉降变形。

图9 实测代表性进尺下隧道轴线地表点沉降曲线

5.3 拱顶累计沉降

受现场施工限制，一般拱顶下沉监测滞后于工作面5 m左右，这往往错过了速率发展最快的部分阶段，故仅分析所测得的拱顶累计沉降，如图10所示。

图10 实测拱顶沉降曲线

左线拱顶最大下沉发生在约73 m处达23 mm，右线为60 m处15 mm，左右线拱顶下沉最大位置基本在裂缝与轴线相交处，这与前文模拟结果相吻合。拱顶下沉受外界影响较小，这主要与地裂缝的张开量随深度的增加而减小，裂缝处的抗剪强度增加有关。另外，现场发现在开挖至地裂缝处时，掌子面未见明水，但含水量明显增大，土体松软，当一衬完成后一周左右裂缝处约10 m范围混凝土由于吸水饱和洞壁开始湿润，后期拱顶出现滴水现象，期间进行过多次注浆，但始终无法达到根治效果，加之8、9月份雨水较多，区段排水管道不畅，渗水明显加重。

5.4 隧道轴线对应地表累计下沉

由图11看出，进洞段20 m范围地表沉降控制较明显，最大沉降左线出现在60 m处沉降达84.86 mm，右线为48 m处达63.57 mm，最大沉降点并未出现在裂缝处，距裂缝相交点分别约15 m和7 m。这主要与裂缝南侧约8 m的雨污水井有关，该井附近土体受水反复浸润造成多次扰动及固结沉降，强度弱化显著。本区段暗挖基本处于3～9月份，处于裂缝活动相对强烈时段[6]，加之雨季大量雨水沿地裂缝下渗，弱化裂缝区土体，加剧地表沉降。对于实测未出现模拟呈现的裂缝处显著差异沉降，这主要与后期表土层的蠕变和变形协调有关。

图11 实测隧道轴线地表点累计沉降曲线

6 结语

(1)浅埋暗挖穿越地裂缝时，裂缝临近处会出现一定的负收敛现象，这与地裂缝处竖向剪力锐减带来上部荷载突增以及裂缝与隧道夹角有关。裂缝临近处收敛速率存在明显突增并且需经历较长时间方进入稳定阶段。

(2)在暗挖穿越地裂缝前及穿越过程中，对于弱活动隐伏地裂缝仍具有显著的变形特征，地表及支护系统在裂缝处存在较大沉降差，因此在此阶段应加强地表管线的沉降监测及加强穿越段支护的纵向强度。

(3)当地裂缝影响范围内存在可弱化土体的不利因素时，地表最终沉降峰值点并非在裂缝处而是会向不利点移动，因此在穿越地裂缝时务必处理好诸如水等不利因素，合理设计降排水路径，另外建议尽量避免在雨季时段进行暗挖穿越。

(4)洞顶沉降受外部因素影响相对较小，其最大沉降点基本在隧道与地裂缝相交处，因此建议在二衬施作前应适当加强对裂缝处的拱顶下沉监测。

[1] 王梦恕.21世纪我国隧道及地下空间发展的探讨[J].铁道科学与工程学报，2004，1(1):7-9.

[2]邵生俊，杨春明.湿陷性黄土隧道的工程性质分析[J].岩土工程学报，2013，35(9):1580-1590.

[3]陈志新，袁志伟，彭建兵，等.渭河盆地地裂缝发育基本特征[J].工程地质学报，2007，15(4):441-447.

[4]门玉明，石玉玲.西安地裂缝研究中的若干重要科学问题[J].地球科学与环境学报，2008，30(2):172-176.

[5]黄强兵.地裂缝对地铁隧道的影响机制及病害控制研究[D].西安:长安大学，2009.

[6]彭建兵.西安地裂缝灾害[M].北京:科学出版社，2012.

[7]王景明.地裂缝及其灾害的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社，2000.

[8]彭建兵，陈立伟，黄强兵，等.地裂缝破裂扩展的大型物理模拟试验研究[J].地球物理学报，2008，51(6):1826-1834.

[9]黄强兵，彭建兵，石玉玲，等.地裂缝活动对地铁区间隧道地层应力与位移影响的试验研究[J].岩土工程学报，2009，31(10):1525-1532.

[10]范文，邓龙胜，彭建兵，等.地铁隧道穿越地裂缝带的物理模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(9):1917-1923.

[11]门玉明，张结红，刘洪佳，等.西安地铁隧道穿越地裂缝带的计算模型探讨[J].地球科学与环境学报，2011，33(1):95-100.

[12]郑万坤.西安地铁地裂缝区间隧道运行期衬砌结构和围岩的力学响应数值分析[D].西安:西安理工大学，2009.

[13]王海刚，刘明坤，贾三满，等.基于FLAC3D的北京高丽营地裂缝模拟[J].南水北调与水利科技，2014，11(5):86-90.

[14]黄鸿健.堡镇隧道高地应力软弱围岩段施工大变形数值模拟预测研究[J].铁道标准设计，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

高等学校博士学科点专项科研基金资助(20096121110004)

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

1004-2954(2015)09-0112-06

U459.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.025