西安地裂缝场地地铁隧道盾构法施工沉降分析

杨 兆,黄强兵,2,王立新,王友林

(1.长安大学地质工程系,西安 710054； 2.长安大学岩土与地下工程研究所,西安 710054； 3.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043；4.陕西省城市地质与地下空间工程技术研究中心,西安 710068)

引言

西安市地处内陆盆地，地质构造的特殊性与地下水的开采，导致地裂缝灾害十分发育，自20世纪50年代以来，西安市内共出现14条地裂缝，地裂缝自东北向西南广泛分布，遍布全城，在国内外罕见，部分地裂缝仍在活动，对在建的西安地铁构成严重威胁。针对西安地铁建设中的地裂缝问题，国内一些学者已开展大量的研究并取得一系列重要成果[1-5]。为了安全可控、未来便于维护，目前西安地铁穿越地裂缝地段均采用浅埋暗挖法(矿山法)通过，结构上采取分段设缝、扩大断面、预留净空及衬砌加强等特殊措施[1，2，4]。到目前为止，这种施工及应对措施基本是有效的，但也存在工期长、风险大、成本高等突出问题。而盾构法施工速度快且在安全性、施工质量及成本等方面均优于浅埋暗挖法，在地裂缝场地能否采用盾构通过？如果采取盾构法穿越地裂缝这种特殊地质场地或地段，会引起什么样的地表、地层沉降及结构变形与围岩压力变化特征？与无地裂缝的天然场地有何差别？盾构法施工过地裂缝带需要采取什么样的应对措施？随着西安城市轨道交通快速推进，规划线路之多，线路穿越地裂缝场地的次数越多，如果仍采用以往暗挖施工、隧道分段设缝与扩大断面等特殊措施通过，不仅成本高，防水压力大，而且建设进度也难以满足规划要求，于是盾构法施工过地裂缝场地便提上日程。

关于盾构法施工引起地表变形问题，国内外诸多学者开展了大量的研究，如1969年Peck[6]通过盾构隧道地表沉降的实测数据，提出用于计算盾构隧道施工所引起地表沉降值的Peck公式；唐晓武[7]等利用弹性力学Mindlin解，推导了盾构施工引起的地面变形计算公式；韩煊等[8]通过大量实测数据验证了Peck公式对中国大部分地区地铁隧道开挖引起地表沉降的适用性；张云等[9]针对盾构隧道所引起的地表变形问题提出了等代层概念，并结合工程实例，获取等代层的参数，研究等代层参数对于地表沉降的影响；房明等[10]采用三维有限元方法对新建隧道盾构下穿施工过程进行了动态模拟；陈春来等[12]基于Peck公式，对双线水平平行盾构法施工中土体损失所引起的三维土体沉降计算方法进行研究；朱合华[18]借助于模型试验方法，研究了盾构掘进过程顶进推力变化的规律，土体与盾壳之间摩擦作用的机理及其影响因素，对盾构千斤顶顶进推力的计算公式进行推导；何川[19]开展室内掘进实验，研究黄土地层盾构掘进对黄土扰动情况及施工关键参数等问题；梁荣柱[20]基于弹性力学Mindlin解，得出盾构掘进过程中地表竖向位移及深层土体水平位移解答，等等。上述研究均未涉及地裂缝场地以及盾构法施工穿越地裂缝带地表及隧道变形等方面的问题。

鉴于此，本文以西安地铁8号线盾构法穿越地裂缝场地为工程背景，基于有限元数值计算，对盾构施工引起的地表沉降、结构变形规律、影响范围进行分析，并与地裂缝场地传统CRD工法、天然场地盾构工法掘进对比，以期为地裂缝场地地铁盾构工法过地裂缝带施工与设计提供科学依据。

1 工程背景

目前西安市已开通运营地铁线路共有5条，为地铁1～4号线和机场城际线，里程长度共计161.46 km；在建线路共12条(段)，分别为：1号线三期，5号线一期，5号线二期，6号线一期，6号线二期，9号线(临潼线)一期，8号线，2号线二期，10号线一期，14号线、16号线一期。预计到2025年，形成12条线路运营、总长423 km的轨道网，由于西安市地裂缝贯穿整个市区(图1)，因此几乎所有地铁线路不可避免通过这些地裂缝带，对地铁建设构成严重安全隐患。

图1 西安地裂缝分布[1]

根据《西安市城市轨道交通第三期建设规划(2019-2024年)》，其中西安地铁8号线是西安市唯一的市域大环线，该线路穿越了西安地区的几乎全部14条地裂缝，相交共31处(图2)。建设单位首次考虑尝试采用盾构工法穿越地裂缝带，目前正在进行可行性论证研究，本文将通过数值模拟计算，揭示盾构施工引起的地表沉降、结构变形规律及影响范围，并与地裂缝场地传统CRD工法、天然场地盾构工法掘进结果对比，分析地裂缝环境下盾构穿越地裂缝场地的优越性和可行性。

图2 西安地铁与地裂缝相交示意[13]

f6地裂缝总体走向NE65°～75°，倾向SE，倾角75°～80°，发育带宽度达35～70 m，地质剖面见图3，该地裂缝与地铁8号线东线相交位置周围开发程度一般，以低层居民住房为主，远处有高层住房，周围有项目正在施工(图4)。根据现场调查，万寿中路沥青路面出现多处开裂，裂缝走向与f6走向基本一致，地表裂缝间距相等约为2 m，裂缝长3～4 m，宽0.5～1 cm。

图3 f6地裂缝地层剖面

图4 f6地裂缝周边建筑情况

2 有限元数值模拟

2.1 有限元模型的建立

本次采用大型有限元分析软件Midas GTS进行数值模拟分析，将盾构工法和传统CRD工法进行掘进进行对比分析。计算模型如图5所示，模型尺寸为：135 m(长)×50 m(宽)×40 m(高)，即竖向z为40 m，水平向y为50 m，纵向x为135 m，地裂缝倾角取80°，与隧道相交为75°，隧道分别采用盾构法错缝拼装与传统CRD工法掘进，隧道拱顶埋深9 m，暗挖隧道断面开挖跨度9 m，高为9.2 m，断面为马蹄型；盾构隧道的外径为6.2 m，内径为5.5 m，标准幅宽1.5 m，分块采用“1+2+3”，如图6所示。模型左右两端和前后两侧分别施加X方向和Y方向约束，底部施加Z方向约束，顶部为自由面。土体模型采用Mohr-Coulomb屈服准则，初支喷混、中隔壁、临时钢支撑、盾壳与衬砌等隧道结构均采用线弹性模型[10]。地裂缝采用interface接触单元来模拟，GTS软件所提供的interface接触单元可以模拟单元间的相对滑动或滑移， 能够较好地反映错动过程的力学特征，隧道结构采用板单元来模拟，地层等采用实体单元模拟。

图5 有限元计算模型

图6 隧道设计参数(单位：mm)

模拟计算过程中，初始地应力场只考虑土体产生的自重应力，不同土层土体均为连续介质，围岩及衬砌结构均不考虑膨胀。超前注浆加固区域通过改变相应区域围岩属性实现。

2.2 模型及计算参数

(1)计算参数

根据勘察资料显示地下水位位于地表以下10.0 m，地层分别为杂填土、新黄土、古土壤、老黄土、老黄土(水位下)、古土壤、粉质黏土、中砂；地裂缝属于软弱结构面，根据野外调查，地裂缝带常被粉土、粉细砂等填充，计算参数见表1[10，14，15，17]。

(2)计算工况

盾构法从地裂缝带下盘至上盘循环开挖模拟过程为：①开挖进尺为盾构管片幅宽1.5 m的地层，对注浆体单元赋以盾壳单元属性[16]，对开挖面施加掘进压力；②依次循环直至盾构机全部推进地层(盾构机长7.5 m)；③盾构机再次向前推进一个衬砌单元环长度，将第一环衬砌环注浆体单元与衬砌单元赋以初期注浆体单元与衬砌单元材料，对管片衬砌施加注浆压力；④为了反映注浆体的冷凝过程，将注浆材料此时属性延续3次盾构推进时间。当盾构机推进到第9环管片位置时，将第一环管片注浆材料属性赋予稳定注浆材料，同时消去注浆压力，管片仅承受地层应力，整个模拟过程不断推进直至施工完毕，如图7所示。

表1 有限元模型计算参数

图7 盾构推进过程模拟(单位：m)

图8 开挖断面

传统CRD工法从地裂缝带下盘至上盘循环开挖模拟过程为：①超前支护；②导洞一开挖支护；③导洞一封闭5 m后，导洞二开挖支护；④导洞二封闭10 m后，导洞三开挖支护；⑤导洞三封闭5 m后，导洞四开挖支护，如图8、图9所示。

图9 传统CRD法模拟

盾构掘进土压力为80 kPa，注浆压力为170 kPa[10]，隧道衬砌管片采用C35混凝土，管片接头影响结构力学性态。关于接头的模拟，目前有不同的计算模型，如弹簧模型[21]与实体单元模型[22]等。弹簧模型难以模拟隧道结构与地层土体的共同作用，而实体单元存在相对难以收敛的缺陷，考虑到接头对管片衬砌结构影响，本次采用刚度折减法，管片整体结构弹性模量折减20%[11]。传统CRD工法采用C25混凝土[17]，具体参数见表1。

2.3 监测点布设

图10 有、无地裂缝场地监测断面布置(单位：m)

模拟施工过程中在地表布设8个监测断面进行分析，如图10所示。地裂缝带场地工况(见图10(a))，在垂直于隧道中心线在下盘布设H1与H2断面，分别距地裂缝36，12 m；在上盘布设H3和H4断面，分别距地裂缝12，36 m，与下盘H1、H2断面对称。

3 计算结果及分析

3.1 地表沉降变形特征

(1)沿开挖方向地表沉降过程

图11 盾构法开挖引起地表沉降的变化曲线

(2)沿隧道轴线地表最终沉降规律

图12给出了沿隧道轴线地表最终沉降曲线。由图可知，在无地裂缝的天然场地，盾构施工引起地表变形曲线基本平缓，变形较小；而在地裂缝场地，盾构法与传统CRD法沿隧道轴线从地裂缝下盘至上盘开挖过程中，沉降曲线趋势基本一致，均在近地裂缝处曲线呈现台阶形；传统CRD工法开挖对地裂缝影响区长L1=57 m，下盘24 m，上盘33 m，地表最大沉降位于上盘，为20.57 mm；盾构掘进在初始阶段地表沉降速率较大，但随着施工的进行沉降速率逐渐减小，地地表最大沉降量为14.2 mm，约为CRD工法69.0%，地裂缝对盾构施工影响范围为下盘21 m，上盘24 m，影响区长L=45 m，相对CRD工法减小21.1%，并在地裂缝附近发生突变，地表在盾构穿越地裂缝前与穿越过程中发生差异沉降，需注意防护。相比于传统CRD工法，盾构法施工在地裂缝地段对地层的影响明显较小。

图12 沿隧道轴线地表最终沉降曲线

(3)地表变形与施工进尺之间的关系

图13为有、无地裂缝场地盾构开挖地表差异沉降曲线。无地裂缝的天然场地变化幅度较小，在初步施工阶段地表出现轻微隆起，但随着施工的进行，地表逐渐下沉，但沉降值很小(小于2 mm)；而地裂缝场地，当施工进尺为25 m，位于地裂缝下盘6 m处B点出现明显沉降，而上盘测点A未出现明显变化；当施工进尺为35 m及施工面距地裂缝22 m时，A点沉降速率增加；当开挖进尺为96 m时，B点进入平稳阶段，此时沉降量9.42 mm；施工进尺为110 m时，A点进入平稳阶段，此时沉降量为9.62 mm。

图13 有、无地裂缝场地盾构开挖地表差异沉降曲线

地裂缝带上、下盘测点沉降量随着施工的进行未出现显著差异，地裂缝存在使上盘测点A沉降时长大于下盘测点B沉降时长，A点受施工影响范围约为75 m，B点受施工影响范围约为69 m。

3.2 地表横向变形特征

图14为施工引起横向地表最终沉降的变化曲线。由图14可知，在有、无地裂缝的场地，盾构法施工引起的横向地表沉降曲线均呈现出凹槽形，具有对称分布特征，凹槽底部位于隧道中心。在无地裂缝的天然场地，地表横向沉降变形较小，在隧道中心处产生1.12 mm的最大沉降，影响范围约为4倍洞径，而在地裂缝场地，地表横向变形较为显著，最大沉降达10.31 mm，为天然场地的9.2倍，横向影响范围左右各约19 m，约6.1倍洞径，如图14(a)所示。地裂缝场地盾构法与传统CRD工法施工沉降对比发现，二者对地表横向变形产生的扰动变形曲线基本一致，均呈凹槽型，上盘沉降量(H3、H4断面)大于下盘(H1、H2断面)，靠近地裂缝处沉降量与沉降槽宽度均相应增加，传统CRD工法横向影响范围为50 m，约为5.5倍洞径，最大沉降量16.6 mm，而盾构法掘进对沉降影响范围与沉降量均明显小于CRD工法，其横向影响范围约38 m，最大沉降量10.3 mm，横向地表沉降与影响范围分别减小38%和24%(见图14(b))。

图14 施工引起横向地表最终沉降的变化曲线

关于隧道开挖引起地表沉降方面，Peck[6]曾提出了经典的估算隧道开挖引起地表沉降方法，其沉降断面凹槽如图15所示，基本符合正态分布曲线特征。

图15 盾构施工地面沉降

为了更加深入分析地裂缝场地盾构施工横向地表沉降特征，本次对地裂缝带影响较大的断面曲线进行拟合，如图16所示，地铁隧道盾构法穿越地裂缝地段引起的横向地层沉降符合高斯分布函数

式中y——沉降值；

x——距隧道中心横向距离，确定系数R2=0.999 6。

沉降槽宽度系数i=7.91(地表沉降曲线反弯点与隧道轴线的水平距离)。

图16 地表沉降槽拟合曲线

3.3 隧道拱顶底纵向沉降变化特征

图17 有、无地裂缝场地盾构施工引起拱顶累计沉降曲线

图17为有、无地裂缝场地下盾构施工引起隧道拱顶累计沉降变化曲线。由图17可知，在无地裂缝的天然场地中隧道拱顶纵向沉降曲线变化幅度较小，在部分施工段结构出现轻微隆起变形；而地裂缝场地，曲线变化幅度较大，位于地裂缝下盘较远处监测断面H1与隧道拱顶交点，在施工进尺为9 m时开始发生急剧沉降，当施工进尺为60 m时，进入平稳阶段，最大沉降量为15.05 mm，影响范围约为51 m；H2与隧道拱顶交点在开挖进尺为36 m时，发生急剧下沉，施工进尺达到91 m时进入稳定阶段，最大沉降量达14.79 mm，影响范围约为55 m；位于上盘监测断面H3与隧道拱顶交点在施工进尺为54 m时进入急剧下沉阶段，而当开挖进尺达到120 m时基本处于稳定阶段，最大沉降量为15.21 mm，影响范围约为66 m；H4断面与拱顶交点在施工进尺为81 m时进入急剧沉降阶段，当施工进尺为135 m时，此时仍未处于稳定阶段。沉降曲线之间存在类似的变化规律，但地裂缝的存在使沉降出现了差异，上盘隧道拱顶沉降时长与沉降量均大于下盘。

图18 隧道拱顶最终沉降曲线

图18为隧道拱顶最终沉降曲线。由图可知，在无地裂缝的场地，盾构施工引起拱顶沉降变化幅度较小，受施工影响发生沉降并伴有轻微隆起变形；在地裂缝场地，盾构法与CRD工法从下盘至上盘掘进，衬砌顶部沉降变化曲线基本一致，上盘沉降量大于下盘，穿越地裂缝带时出现差异沉降，因为穿越地裂缝带时，地裂缝为软弱结构面，围岩易受扰动变形，对衬砌结构产生影响。CRD工法拱顶最大沉降量22.1 mm，为盾构工法的1.30倍，CRD法相对于盾构法对土层扰动次数较多，产生的扰动变形较大，盾构工法对土层扰动次数较少，更适应地裂缝地段城市地铁隧道建设。

3.4 管片衬砌顶部围岩接触土压力

图19为隧道顶部围岩接触压力变化曲线。由图19(a)可知，在无地裂缝的场地，盾构施工引起拱顶围岩接触压力变化基本平稳，而在地裂缝场地，盾构法与CRD工法施工均导致拱顶围岩接触压力下盘增大、上盘减小，并在地裂缝附近产生突变或跳跃现象，CRD工法开挖导致围岩应力波动较大，对地裂缝影响区长L1=75 m即下盘42 m、上盘33 m，最大值位于上盘地裂缝附近，达210.0 kPa，而盾构法相比CRD工法，能够使隧道结构整体受力更为平稳，对地裂缝影响区长L=53 m即下盘42 m、上盘33 m，影响区范围和围岩接触压力相较于CRD工法分别减小约29.3%和35.8%。

图19 隧道顶部围岩接触压力变化曲线

4 结论

本文针对地裂缝场地盾构施工沉降问题，基于三维有限元数值模拟计算，分析了盾构施工引起的地表沉降、结构变形规律及影响范围，并与地裂缝场地传统CRD工法、无地裂缝的天然场地盾构工法掘进对比，验证了盾构施工过地裂缝场地的可行性，主要结论如下。

(1)地裂缝场地，盾构工法引起地表沉降变形曲线呈反“S”形，分为平稳变形阶段、急剧下沉阶段和稳定阶段，而无地裂缝的天然场地中曲线变化较平稳。

(2)在地裂缝场地，盾构法相对于传统CRD工法，减小了对周围土体的扰动，纵向地表影响范围和最大沉降量分别减小21.1%和31%，而横向地表影响范围和沉降量分别减小24%和38%。

(3)盾构法相比CRD工法穿越地裂缝对结构的扰动变形较小，隧道拱顶最大沉降量减小22.8%，而天然场中拱顶沉降曲线变化基本平稳。

(4)无论是盾构法还是CRD工法，穿越地裂缝均导致拱顶围岩接触压力在下盘增大、上盘减小，但相较于CRD工法，盾构法施工影响范围和围岩接触压力分别减小约29.3%和35.8%，而在无地裂缝的天然场地中拱顶围岩接触压力曲线变化幅度较小；盾构法使隧道结构整体受力体系更为平稳，对土体产生扰动变形较小，对于活动性较弱或不活动的地裂缝，可以采用盾构法穿越。

地裂缝场地隧道施工影响与隧道开挖推进方向、地裂缝带与隧道走向交角大小密切相关，从地裂缝下盘至上盘与从上盘至下盘开挖引起的沉降及应力场变化可能存在差异。限于篇幅，本文仅考虑了从地裂缝场地下盘至上盘盾构法与CRD工法施工工况，未考虑从上盘至下盘施工的情况以及地裂缝带与隧道走向相交角度等因素对施工的影响，这些问题有待后续进一步深入研究。