西安地裂缝地段浅埋暗挖地铁隧道施工沉降规律

2020-02-12徐明祥黄强兵王庆兵李明锷

水文地质工程地质 2020年1期

徐明祥，黄强兵，2，王庆兵，李明锷，雷建

(1.长安大学地质工程系，陕西西安 710054；2. 长安大学岩土与地下工程研究所，陕西西安 710054； 3.北京市政路桥集团股份有限公司，北京 100045)

自20世纪以来，尤其是1976年唐山大地震发生后，由于过量抽取地下水，西安市区先后出现了14条地裂缝带，其活动时间之长和规模之大，在国内外十分罕见。地裂缝所到之处，不少地面建(构)筑物和地下设施遭到破坏，迄今为止已造成数十亿元的直接经济损失。西安市中长期城市轨道交通网络规划23条线路，几乎不可避免地穿越多条地裂缝。针对西安地铁建设中的地裂缝问题，国内一些专家学者开展了大量相关研究并取得了一系列重要研究成果[1-6]。然而，地裂缝地段地铁暗挖隧道施工地层沉降方面的研究鲜有报道。实际工程中地裂缝地段降水、开挖施工均可能产生较大的地层及地表沉降，对隧道及周边建(构)筑物安全构成威胁，因此开展地裂缝地段地铁隧道暗挖施工地层及地表沉降的研究具有十分重要的意义和工程实用价值。

关于地铁施工引起地表沉降问题，Peck最早在1969年基于大量的工程实测数据提出一种利用高斯方程来预测地铁隧道开挖引起地表沉降的经验公式[7]。韩煊等[8]根据大量地铁实测数据验证了Peck公式预测我国大部分地区地铁隧道开挖引起地表沉降的适用性，给出了部分地区经验公式的参数建议值，并指出Peck公式在浅埋和超浅埋暗挖隧道地表沉降预测的局限性。张成平等[9]针对软围岩富水条件下的重叠隧道开挖实测数据分析得出地表沉降槽局部曲率和斜率明显大于水平近距隧道。还有学者基于Peck公式对实测资料的反演分析得出了不同施工方法、地层条件、不同埋深情况下的地表沉降量、地层损失率、沉降槽宽度的变化规律[10]。时亚昕等[11]、段宝福等[12]对浅埋暗挖隧道引起地表沉降的预测方法和理论进行了研究。国外有学者采用经验法(Peck)、解析法(Loganathan和Poulos)和数值法(FDM)估算了Qom地铁隧道开挖引起的地表沉降量[13]。

此外，浅埋暗挖隧道施工过程及相关沉降控制技术也有学者开展了不少研究，并取得了一些重要成果[14-20]。张成平等[14]根据普氏平衡拱理论,对浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷进行了研究,并结合地层条件和施工情况给出了诱发地表塌陷的原因，并提出了相应的控制技术。黄俊等[18]采用FLAC3D对重叠隧道暗挖四步台阶法施工引起的地层三维变形规律进行了数值模拟研究，得到隧道开挖过程中开挖引起的地层变形和失水引起的地层变形量值,并区分一般地层和含水、含砂地层的环境控制标准；任建喜等[19]对暗挖区间进行数值模拟，并结合实测数据分析黄土地层隧道交叉中隔墙法(即CRD工法)施工引起的围岩及地表变形规律；姚宏伟等[20]对CRD工法的开挖工序、临时支护型式、开挖步距以及临时支护拆除方式等关键技术进行优化研究。总体上来看，地铁隧道开挖引起的地表沉降目前仍然缺少精确计算方法，上述研究主要针对浅埋暗挖法引起的地表及隧道变形，没有涉及到城市地裂缝这种软弱地质带问题，地裂缝带的存在对地铁隧道暗挖施工、地表沉降及附近建(构)筑物的安全均存在较大影响。

本文基于有限元数值模拟方法，结合施工实测数据，对城市地铁隧道穿越地裂缝带浅埋暗挖施工引起的地层、地表及隧道变形规律进行研究，以期揭示地裂缝地段浅埋暗挖施工对附近地层、地表及隧道结构变形的影响，为西安地铁穿越地裂缝带浅埋暗挖隧道施工提供科学依据和技术参考。

1 工程概况

西安地铁丈八四路站—丈八一路站盾构区间(暗挖段)位于西安市锦业路(图1)，里程范围为YDK21+841.181—YDK22+006.181，本区间在YCK21+953.400处设置1座施工竖井及横通道；区间有f8地裂缝穿过，区间隧道采用浅埋暗挖法施工。

丈八四路站—丈八一路站盾构区间(暗挖段)沿线西高东低，场地地面貌单元为皂河冲洪积一级阶地，场地现地面标高介于409.74～411.92 m，最大相对高差约2.18 m。f8地裂缝从本场地通过，地裂缝在该段的走向约NE43°，倾向SE，倾角约80°，与线路夹角47°。区间25 m深度内地层主要为人工填土、粉质黏土、中砂、局部薄砂层粉细砂及粉土透镜体等。地下水位位于地面以下7.8 ～8.8 m，区间拱顶埋深9.5 ～14.0 m之间，施工前将地下水降到隧道拱底下5.0 m后开始施工。本文选取施工段右线YDK21+843-YDK21+943长100 m范围为研究对象进行数值模拟，分析地表及隧道变形规律。右线隧道断面为A型断面，宽9.00 m，高9.22 m(图2)。

图1 暗挖隧道平面布置示意图Fig.1 Layout of the underground tunnel

图2 隧道A型断面(单位：mm)Fig.2 Type A section of the tunnel (mm)

2 有限元数值模拟

2.1 有限元模型的建立

本次数值模拟选取右线一段标准断面YDK21+843～YDK21+943建立有限元计算模型(图3)，长×宽×高=135 m×70 m×50 m，区间隧道埋深9.5 m。模型采用 Mohr—Coulomb 屈服准则，模型共计划分了61 977个单元，89 131个节点。计算中，初始地应力场只考虑土体自重产生的自重应力，属于不同层的土体在计算中均视为均匀连续介质，围岩及混凝土均不考虑体积膨胀。模型中周围土层均采用实体单元，为简化模型超前支护加固区采用改变相应土层属性来实现，不考虑二次衬砌。钢拱架和喷射混凝土的共同作用采用板单元模拟(图4)。地裂缝作为一种地层的软弱带，模拟计算时采用interface接触单元来实现(图5)。

图3 有限元计算模型Fig.3 Schematic diagram of the FE numerical calculation model

图4 隧道衬砌与支护Fig.4 Lining and support of the tunnel

图5 地裂缝与隧道斜交示意图Fig.5 Schematic diagram of the oblique intersection between the ground fissure and tunnel

2.2 模型及计算参数

地裂缝一般被粉土、细沙等松散物质填充，计算参数如表1所示。根据工程地质勘察报告，丈八四路站—丈八一路站穿越地层主要为人工填土，黄土状土及粉质黏土，简化后各土层计算参数见表2。

表1 地裂缝计算参数

表2 地层计算参数

2.3 边界条件及计算工况

计算时给模型的x和y方向施加水平约束，模型底部施加z方向的垂直约束，模型顶部为不加约束的自由面。在此基础上对隧道施工过程中的相互影响进行分析。导洞开挖时先进行超前注浆加固地层，之后进行右上导洞、右下导洞、左上导洞、左下导洞的开挖。右上导洞封闭成环5 m后，开挖右下导洞。右上导洞封闭成环15 m后，开挖左上导洞。左上导洞封闭成环5 m后，开挖左下洞。右下、左上、左下导洞分别滞后右上洞5 m、15 m、20 m(图6)。

图6 CRD工法开挖模拟示意图Fig.6 Schematic diagram of the CRD excavation simulation

2.4 监测点的布设

在模拟开挖过程中选取三个断面对应位置进行地表沉降和拱顶沉降变形的数据进行分析。如图8所示，在垂直于隧道中心线方向选取H1、H2、H3三个断面进行监测，其中H1里程位置为Y21+923，该断面距离地裂缝45 m，完全位于地裂缝上盘；H2断面与隧道中心线交于Y21+893，与地裂缝相距15 m，与H1断面相距30 m；H3断面与隧道中心线相交于Y21+863，该断面位于地裂缝下盘。a、b为距地裂缝5 m的两侧差异沉降监测点,V1、V2、V3分别为隧道轴线与H1、H2、H3测线在地表的交点。

图7 监测断面布置图(单位：m)Fig.7 Monitoring section layout (m)

3 计算结果及分析

3.1 地表沉降变形特征

(1)沿开挖方向地表测点沉降过程

为了分析开挖过程中沿开挖方向地表沉降变形规律，分别提取了H1、H2、H3三个断面与隧道中心线在地表的交点V1、V2、V3在隧道开挖过程中的沉降数据，绘制开挖过程隧道中心轴线方向地表沉降变形曲线(图8)。从图8可以看出随着开挖的进行，地表沉降变形曲线呈反S型规律性变化，越靠近地裂缝位置沉降越明显，在地裂缝附近(V2和V3监测点)地表沉降大致可以分为三个阶段：缓慢变化阶段、急剧下沉阶段和稳定阶段。其中在缓慢变化阶段上盘表现为地表下沉，下盘表现为隆起趋势。

图8 沿隧道轴线开挖引起的地表沉降计算值Fig.8 Calculated surface settlement caused by excavation along the axis of the tunnel

地裂缝上盘较远处的测点V1，当开挖进尺为10 m即开挖面距监测断面H1为10 m时，地表受到扰动开始下沉，沉降量较小仅为0.5 mm，此后开始进入急剧下沉阶段；当开挖进尺为65 m即开挖工作面离开监测断面40 m时进入平稳阶段，沉降量达到13 mm，随后趋于稳定。位于地裂缝上盘的靠近地裂缝带的测点V2，当开挖进尺30 m即开挖断面距监测断面H2为20 m时，受到开挖扰动开始下沉，然后进入急剧下沉阶段；当开挖进尺为90 m即距监测断面40 m后基本不再继续沉降，此时沉降量达到17 mm。而位于地裂缝下盘的测点V3，当开挖进尺75 m即开挖断面距监测断面H3为5 m时，地表受到开挖扰动发生轻微沉降；此后开始进入急剧下沉阶段，当开挖进尺为115 m即距监测断面35 m时进入平稳阶段，其沉降量达到12 mm；随着开挖的进行地表不再下沉,地表沉降最终稳定。

位于上盘距地裂缝较远的测点V1开挖影响进尺为55 m,V2测点的开挖影响进尺为60 m，而位于下盘的V3测点开挖影响进尺为40 m，明显小于与距地裂相同位置的测点V2。所以穿越地裂缝带浅埋暗挖隧道上盘的开挖影响进尺范围大于下盘。

图9 隧道轴线地表特征点实测沉降曲线Fig.9 Measured settlement curves of the surface monitoring points along the tunnel axis

图9给出了施工过程中的地表特征点沉降监测曲线，与图8计算结果对比，实测地表沉降随开挖进尺规律与数值模拟曲线基本一致，但地表最终沉降量大于数值计算结果。地裂缝上盘V1测点最终沉降量接近70 mm，上盘V2测点接近75 mm,下盘V3测点沉降约50 mm。这是因为施工之前地下水位要降至隧道拱底5 m以下，降水水位达15 m以上，土体因孔隙水压力逐渐消失，土颗粒间有效应力增加，降水后的土层发生渗流固结引起地表沉降。时间上渗流固结产生的沉降随时间逐渐增加；空间上施工和隧道变形对土层产生扰动也会引起地表沉降，这种“时空效应”所产生的结果明显大于数值模拟计算结果。目前二者作用关系还不够明确，后续将进一步探讨。由于施工过程的复杂性和不确定性，在施工停滞阶段沉降继续，曲线出现错台状。

(2)沿隧道纵向地表最终沉降变化规律

图10是沿隧道纵向地表最终沉降变化曲线。由图可知，沿隧道轴线由地裂缝上盘向下盘的开挖过程中地表纵向最终沉降曲线呈现凹槽并伴有台阶型，上盘因开挖引起的地表最终沉降明显大于下盘地表，沉降凹槽底部即最大沉降位置位于上盘距地裂缝带5 m左右的位置，最大沉降值达到20 mm。同时地裂缝下盘靠近地裂缝附近地表最终沉降出现错台现象，说明当隧道开挖通过地裂缝带进入其下盘时在一定范围内出现了类似于上盘的明显沉降，但沉降量比上盘要小得多。根据沿隧道轴线开挖方向地表最终沉降曲线变化特征，可以判定地裂缝带暗挖施工的大致影响范围：上盘约45 m、下盘约35 m，暗挖施工总的影响区范围L约为80 m，上盘影响范围大于下盘。在上盘距地裂缝5 m处地表沉降最明显，响应最大，施工时需要引起重视。

图10 沿隧道轴线地表最终沉降曲线Fig.10 Final ground surface settlement curve along the tunnel axis

隧道轴线地表最终沉降实测曲线与数值模拟计算结果对比，不难看出实测曲线与数值模拟计算结果曲线走势一致，沉降最大值出现在上盘距地裂缝5 m左右，最大沉降值达77 mm，地裂缝处亦出现沉降错台，上盘最终沉降值也大于下盘，由于“时空效应”致使地表整体沉降实测值大于数值计算值。

(3)地裂缝附近地表变形与开挖进尺之间的关系

图11给出了地裂缝带附近两侧的地表差异沉降监测点a、b点随开挖进尺的累积沉降变化曲线。a、b测点分别位于下盘、上盘距地裂缝5 m处(图7)。当开挖进尺为50 m时即工作面距地裂缝15 m时，上盘测点b开始出现明显下沉，此时下盘a测点未出现变化。当开挖进尺为70 m即工作面距地裂缝5 m时，位于下盘的测点a开始下沉，b测点处于急剧下沉阶段。当开挖进尺为100 m时即工作面距地裂缝35 mm时，下盘测点b进入平稳阶段，最终沉降约为9 mm而a测点沉降值继续增大。当开挖进尺为110 m即工作面距地裂缝45 m时，进入平稳阶段，最终沉降约为17 mm。

总体上来看，地裂缝带附近两侧监测点的沉降随开挖进尺的增大有显著差异。地裂缝的存在使上盘监测点b沉降过程变长，下盘监测点a的缓慢下沉阶段不明显；上盘测点b比下盘测点a的最终沉降量约大8 mm。

图11 地裂缝两侧监测点差异沉降计算值Fig.11 Calculation of the differential settlement of the monitoring points on both sides of the ground fissure

图12给出了地裂缝两侧地表监测点的差异沉降实测曲线，当开挖工作面通过监测点上方后，地表沉降速率具有增大现象，与数值模拟结果(图11)相比该监测曲线在开挖进尺100 m附近并没有出现沉降平稳阶段，实际施工过程中平稳阶段滞后于数值模拟结果。

图12 地裂缝两侧地表差异沉降实测值Fig.12 Settlement curves of differential settlements during the construction on both sides of the ground fissure

3.2 地表横向变形特征

图13为H1、H2、H3监测断面的横向地表沉降曲线。沉降曲线呈凹槽型，沉降槽底部均位于隧道中心处。H1位于地裂缝上盘45 m处，在左右距隧道中心20 m处开始产生缓慢沉降，随后沉降值快速增大，在隧道中心处产生约13 mm的最大沉降量，隧道开挖影响范围为横向40 m，约4.5倍洞径。H2位于地裂缝上盘15 m处，在左距隧道中心25 m处开始产生缓慢沉降，随后沉降值快速增大，在隧道中心处产生17 mm沉降；H2右侧与地裂缝相交处产生沉降错台，沉降差异值约为3 mm，隧道开挖影响范围为50 m，约5.5倍洞径。位于地裂缝下盘15 m处的H3，在左右距隧道中心15 m处开始产生缓慢沉降，随后沉降值快速增大，在隧道中心处产生12 mm的最大沉降量。在与地裂缝相交处产生沉降错台，沉降差异值约为3 m，隧道开挖影响范围为30 m范围约3倍洞径。隧道上盘、下盘产生差异沉降约5 mm。

图13 横向地表沉降曲线Fig.13 Horizontal surface settlement curve

由此可认为地裂缝带的存在会对监测断面的沉降槽产生影响；使上盘沉降值大于下盘，上盘沉降槽宽度大于下盘沉降槽宽度，在上盘靠近地裂缝位置处，沉降槽宽度、沉降值均有增大现象，在横断面与地裂缝相交处出现沉降错台。

对无沉降错台的断面H1沉降槽进行曲线拟合(图14)，拟合曲线为高斯回归曲线，表明穿越地裂缝带浅埋暗挖隧道施工引起的地表沉降符合高斯分布。

拟合公式为：

式中：y——沉降数值；

x——距隧道中心的横向距离，确定系数R2=0.97。

沉降槽宽度系数i=7.56，即隧道中线至沉降槽曲线反弯点距离，其控制着沉降槽的宽度与范围。

图14 地表沉降槽拟合曲线Fig.14 Fitting curves of the ground settlement grooves

3.3 隧道拱顶底纵向沉降变化特征

由于施工条件限制，一般隧道施工中拱顶变形监测通常在隧道封闭成环之后，尤其是CRD工法隧道施工导致监测滞后较长，会错过隧道变形发展最快阶段，故在此仅给出拱顶最终沉降的实测数据。

为了分析开挖过程中沿开挖方向拱顶沉降变形规律，分别提取了H1、H2、H3三个断面与隧道拱顶交点在隧道开挖过程中的沉降数据，绘制开挖过程隧道中心轴线方向拱顶沉降变形曲线(图15～16)。

图15 开挖过程中隧道拱顶监测点累积沉降Fig.15 Cumulative settlement of the tunnel vault monitoring points during excavation

由图15可以看出开挖过程中的拱顶沉降曲线与地表沉降曲线(图8)类似。位于地裂缝上盘较远处的H1与拱顶交点在开挖工作面距拱顶测点10 m时开始产生沉降，但缓慢沉降阶段持续较短；随后开挖面离开测点20 m时进入平稳阶段，最终沉降量约为16 mm，沉降过程约为开挖进尺30 m。位于地裂缝上盘靠近地裂缝带的H2与拱顶交点在开挖工作面距拱顶测点15 m时开始产生沉降，随后在开挖面离开测点40 m时进入平稳阶段，最终沉降量约为20 mm，沉降过程约为开挖进尺55 m。位于地裂缝下盘的H3断面与拱顶交点在开挖工作面距拱顶测点5 m时开始产生明显沉降，随后在开挖面离开监测点21 m时进入平稳阶段，最终沉降量约为16 mm，沉降过程约为开挖进尺26 m。当开挖面位于测点拱顶上方时拱顶沉降速率均达到最大。

三个断面与拱顶交点沉降曲线存在相似变化规律，但是由于地裂缝的存在产生差异。地裂缝使上盘拱顶靠近地裂缝的测点沉降过程变长，上盘隧道拱顶沉降过程长于下盘，上盘最终沉降量大于下盘。隧道拱顶测点沉降量大于地表相应测点沉降量约5 mm。

图16 隧道拱顶拱底最终位移计算值Fig.16 Calculation of the final displacement of the tunnel arch roof and arch bottom

图16是隧道拱顶最终沉降量和拱底最终位移变化曲线。由图可知，沿隧道轴线开挖方向在上盘地裂缝带处有明显的差异沉降，尤其是上盘位置出现明显的沉降凹槽。拱顶凹槽底部即最大沉降位置位于上盘距地裂缝带5 m左右，沉降值达25 mm；拱顶隆起也呈现凹槽型，最小隆起位移距上盘地裂缝带13 m处且只有5 mm左右，最大隆起值位于地裂缝带处达27 mm。根据隧道拱顶位移曲线可以判定地裂缝带暗挖施工对拱顶和拱底的影响区范围：拱顶总影响区L约为50 m，影响范围主要位于上盘；拱底影响区L约为55 m，影响范围主要位于地裂缝带两侧。当隧道施工至此范围内时应加强监测并采取加强支护的方式，避免隧道和地层变形过大。

图17是隧道最终沉降实测曲线，可以看出该曲线规律与数值模拟结果(图16)一致，整体沉降值略小于数值模拟结果。在上盘距地裂缝5 m处出现沉降凹槽，沉降值约18 mm，上盘最终沉降值约12 mm。