不同水位下盾构穿越断裂带的地表沉降研究★

王靖伟

(新疆大学建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

1 概述

随着中国西部地区经济社会的高速发展，国家“十四五”规划中的重大工程多数在西部地区，乌鲁木齐也迎来了“地铁时代”。但该区域由于大地构造上位于青藏断块的边缘地带，地质构造复杂，断裂发育，现今构造-地震活动十分强烈。断层是广泛发育的地质构造，其岩体松散破碎，且多数富水性良好，水文条件复杂[1]。根据地下水的埋藏条件，可以把地下水划分为包气带水、潜水和承压水三类。其中潜水是指埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上且具有自由水面的地下水; 承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的，含水层中承受静水压力的地下水。钻孔钻穿隔水顶板才能见到承压水，由于压力作用，承压水沿钻孔上升，达到一定的高度后稳定下来，此上升后的水面高程称为承压水位或者测压水位，各点的承压水位连线称为承压水面。在隧道工程施工中任何工艺方法都会对土体造成扰动，造成隧道产生地表沉降，其中断裂带和水称为影响盾构隧道施工的两个主要因素，特别是当断裂带与富水条件相结合的情况下，不正确的施工方法会造成地表沉降过大，严重时还会造成建筑物倾斜、地下管线破坏、桥梁道路损毁等灾害。

已有许多学者对隧道穿越断裂带或地下水的问题进行了研究。甘鹏路[2]首先总结了地表沉降发展的三个阶段和快速沉降阶段的影响范围，然后归纳了拱顶下沉量与地表沉降量的比值区间，最后采用经验公式对横、纵向地表沉降槽进行拟合，从三方面揭示了施工过程中富水软弱地层的地表沉降规律。郑刚等[3]对承压含水层减压降水对盾构隧道结构影响进行了有限元仿真模拟，模拟结果揭示了当隧道位于承压水不同位置时，抽水对隧道产生的变形影响也不同。王桐[4]研究了非对称水压力对隧道施工的影响，研究结果表明随着管片两侧水压力比值的增加，地表沉降的最大值也在增加。龚林金等[5]利用Midas GTS 模拟了隧道穿越不同倾角的断层破碎带的围岩变形情况，模拟结果揭示了不同倾角的断裂带对地表沉降的影响也不同。林志斌等[6]利用渗流应力耦合模型研究了地下水对软土盾构隧道施工的影响规律。姜克寒等[7]利用数值模拟软件对断层破碎带中泥水盾构的掘进参数进行优化，结果表明，过大的水仓压力会对地层产生较大的扰动，造成地表沉降量增大。

综上，已查到的文献大多只研究断裂带或不同水位的地下水对地表沉降的影响，针对不同水位条件下盾构隧道穿越断裂带的地表沉降却鲜有研究。以乌鲁木齐轨道交通2 号线02 合同段马料地站—平川路站盾构暗挖区间为研究对象，利用Midas GTS NX 数值模拟软件，研究盾构隧道在不同水位的潜水，承压水条件下穿越断裂带的地表沉降规律。为乌鲁木齐地铁2 号线马—平暗挖区间的安全施工提供理论依据，也对今后相似的工程有着指导价值。

2 马—平区间工程概况

马料地站—平川路站区间自马料地站起，沿马料地街路下向西南敷设，后以400 m 转弯半径向北转至平川路路下，之后进入平川路站止。本线路起点里程为ZDK17 +405．205，终点里程为ZDK18 +300．092，区间全长932．763 m，隧道埋深约在10．04 m ～17．92 m。区间穿越西山断裂带北支及高水头承压水地层(部分区域承压水水头高于地面) 。整段区间采用盾构法施工，两台盾构机由马料地站始发，至平川路站接收，其工程简图如图1 所示。

图1 马—平区间工程简图

2．1 断裂带概况

线路在马料地站—平川路站区间的ZDK17 +844．383 ～ZDK17 +901．047 之间大角度通过西山断裂东段北支(宽度52 m) ，与线路夹角约为66°。西山断裂带北支走向为NE，断面倾向为N，倾角多在40°以上，性质以向南的逆冲为主。该断裂形成于中更新世中晚期，最新活动时间为晚更新世晚期，属晚更新世活动断层[8]。断裂带岩性主要为煤层，洞身主要穿越地层为圆砾、泥岩，部分粉土。

2．2 水文概况

根据勘探揭示的地层结构，勘探深度内地下水分为第四系双层结构松散岩类孔隙潜水与承压水。

1) 松散层孔隙潜水:潜水主要埋藏于粉土中，水位埋深2 m ～8．5 m，稳定水位标高849．4 m ～860．8 m，含水层厚度9 m ～35 m。马料地站至断裂带(含) 段潜水换算涌水量15．21 m3/d，富水性贫乏，渗透系数0．902 m/d，经验给水度0．05。断裂带至平川路站段潜水换算涌水量454．102 m3/d，富水性中等，渗透系数7．18 m/d，经验给水度0．05。

2) 承压水:根据《乌鲁木齐市城市轨道交通2 号线一期工程承压水专项勘察与研究报告(农业大学站至平川路站(含) 区段) 》的资料显示，本区间承压水以西山断裂北支为界分为如下两个区段:

a．马料地站至断裂带(含) 段下层承压含水层可分为高承压区(自流区) 和微承压区两部分。高承压区含水层主要分布范围是马料地街北一巷到西山断裂北支，沿西山断裂北支方向呈条带状分布，含水层岩性为第四系圆砾层，顶板埋深30．8 m ～39．40 m，标高821．32 m ～832．5 m，底板埋深44．5 m ～57．2 m，标高806．36 m ～818．8 m，含水层厚度4．7 m ～19．0 m，自西山断裂北支向马料地街北一巷逐渐变薄。微承压区分布于马料地街北一巷到马料地站，含水层岩性为第四系圆砾，顶板埋深19．8 m ～23． 0 m，标高837． 8 m ～840． 0 m，底板埋深23．3 m ～25 m，标高834．3 m ～838．0 m，含水层厚度2 m ～3．5 m。承压含水层底板，岩性为侏罗系砾岩，局部夹有泥岩，顶板埋深44． 5 m ～57． 2 m，标高806． 36 m ～818．8 m。承压水(自流水) 水位埋深31．8 m ～42．2 m，标高831．3 m ～817．7 m，自流水头地面以上3 m ～6 m，标高866．72 m ～867．06 m，单井涌水量136．11 m3/d ～2 387．82 m3/d，富 水 性 中 等 ～ 丰 富，渗 透 系 数7．49 m/d ～34．46 m/d。隧底最大承压水头高度30．2 m。

b．断裂带至平川路站下层承压含水层分布不连续，主要分布范围是断层到其以北50 m，含水层岩性为第四系圆砾层，顶板埋深12．2 m ～17．2 m，标高842．9 m ～850．6 m，底板埋深16． 9 m ～18． 7 m，标高841． 4 m ～845．9 m，含水层厚度1．5 m ～4．7 m。承压含水层底板，岩性为侏罗系泥岩，局部夹有砂岩，顶板埋深16．9 m ～18．7 m，标高841．4 m ～845．9 m。下层承压水水位埋深11．1 m ～16．0 m，标高837．6 m ～851．4 m，自流水头地面以下1．91 m ～2．50 m，标高857．57 m ～858．24 m，单井涌水量202．78 m3/d，富水性中等，渗透系数12 m/d，释水系数4．44 ×10-4。隧底最大承压水头高度24．0 m。

3 数值模拟

3．1 概述

数值模拟采用Midas GTS NX 模拟软件建立三个模型，分别模拟当潜水水位在隧道底以下、隧道顶以上以及既包含潜水又包含承压水的条件下隧道穿越断裂带的地表沉降。

3．2 模型建立

为简化计算，做出如下假设: 设地表水平，土体为理想弹塑性体，隧道沿纵向水平，模型中采用全断面开挖。隧道埋深为15．6 m，盾构隧道直径为6．74 m，隧道施工时仅对距离隧道中心点3 倍～5 倍的土体范围内产生扰动，截取断裂带周围长113 m 的土体进行模拟，因此确定原型土层的尺寸范围为57．5 m(宽) ×57．5 m(深) ×113 m(长) 。断裂带用倾角为45°的煤层来表示。盾壳和注浆用板单元模拟，管片和岩土层用实体单元模拟。盾构掘进开挖时，假设掘进压力P将在盾构掘进面上产生作用。岩土层材料特性选择摩尔-库仑模型，结构材料特性选择弹性模型。各土层和结构使用的材料属性、结构特性见表1，表2。

表1 实体材料特性

表2 结构特性

建立好的隧道开挖模型如图2 所示，隧道模型如图3所示。管片内径为6 m，厚度为0．37 m，宽1．5 m。将盾构机推力P施加在两管片之间，P=5 000 kN/m2。故设隧道3 m 为一循环，共45 循环。每施作一循环，要对管片和岩土体之间进行喷混。为了提高计算精度，将隧道部分网格尺寸设为1 m(见图3) ，岩土层部分网格尺寸设为4 m。利用析取功能在外径的面上建立盾壳单元。因为盾构隧道防水处理较好，故不考虑渗流影响，求解类型选择应力。

图2 隧道开挖模型

图3 隧道内径网格划分

3．3 水位设置

在定义施工阶段界面可以定义模型水位。潜水水位使用定义整体水位命令，直接输入地下水位高度或选择预先定义的水位函数设置水位，设置的水位适用于整个模型。承压水水位使用定义网格组水位，将含承压水的网格组输入承压水水位。模型输入了整体地下水位并定义了网格组地下水的情况下，计算时优先按网格组地下水位考虑，只在未定义单元网格组地下水位的网格组上按整体地下水位计算。在分析控制界面中勾选自动考虑水压力命令。

设置3 种不同的水位条件。模型一:只有潜水，潜水位在隧道底以下，水位高度(从模型底面到水位面的距离) 为31 m，如图4 所示。模型二: 只有潜水，潜水位在隧道顶以上，水位高度为54．5 m，如图5 所示。模型三:既有潜水，又有承压水，其中潜水水位高度为54．5 m，承压水水位高度为59．5 m，其潜水和承压水所在地层如图6 所示，设置好的模型如图7 所示。3 个模型除水位设置不同外，其他条件均完全相同。

图4 模型一

图5 模型二

图6 潜水和承压水所在位置

图7 模型三

4 结果分析

计算完成后，3 个模型在隧道开挖结束后Z方向上的位移云图如图8 ～图10 所示，提取表面节点的位移数据，可以对3 个模型结果进行对比分析。

图8 模型一Z 方向位移云图

图9 模型二Z 方向位移云图

图10 模型三Z 方向位移云图

分别提取3 个模型的两个截面沉降数据，两个截面位置分别为x=32．2 m，x=56．4 m 处，其中x=32．2 m，x=56．4 m 处都经过断裂带。x=32．2 m 处模型一只存在隧道底以下的潜水;模型二只存在隧道顶以上的潜水;模型三存在潜水和承压水，其中承压水区在隧道底以下，隧道从承压水区上方穿过。x=56．4 m 处模型一只存在隧道底以下的潜水;模型二只存在隧道顶以上的潜水;模型三既存在潜水，又存在承压水，其中隧道穿过承压水区。x=32．2 m 处的对比结果如图11 所示，x=56．4 m处的对比结果如图12 所示。

图12 x=56.4 m 处沉降值对比

从图11 可知:在截面x=32．2 m 处地表沉降量最大的是模型一，其地表沉降量为1．23 mm ～-20．64 mm;其次为模型二，其地表沉降量为0．68 mm ～-8．84 mm; 地表沉降量最小的为模型三，其地表沉降量为1．27 mm ～-6．95 mm。

图11 x=32.2 m 处沉降值对比

从图12 可知:在截面x=56．4 m 处地表沉降量最大的是模型一，其地表沉降量为0．83 mm ～-19．13 mm;其次为模型二，其地表沉降量为0．39 mm ～-11．84 mm;地表沉降量最小的为模型三，其地表沉降量为0．49 mm ～-8．69 mm。

5 结论

通过数值模拟研究不同水位条件下盾构隧道穿越断裂带的地表沉降，可以得出如下结论:

1) 在盾构隧道经过断裂带的情况下，地下潜水水位在隧道底以下的地表沉降量比潜水水位在隧道顶以上的地表沉降量大。潜水水位在隧道底以下的最大地表沉降量约是潜水水位在隧道顶以上的最大地表沉降量的161% ～233%。

2) 在盾构隧道经过断裂带的情况下，当地下既包含潜水又包含承压水且承压水在隧道底以下时，其地表沉降量比只包含潜水的地表沉降量小。当地下既包含潜水又包含承压水且承压水在隧道底以下时，其最大地表沉降量是潜水水位在隧道底以下的最大地表沉降量的33．7%，是潜水水位在隧道顶以上的最大地表沉降量的78．6%。

3) 在盾构隧道经过断裂带的情况下，当地下既包含潜水又包含承压水且隧道穿过承压水区时，其地表沉降量比只包含潜水的地表沉降量小。当地下既包含潜水又包含承压水且隧道穿过承压水区时，其最大地表沉降量是潜水水位在隧道底以下的最大地表沉降量的45．4%，是潜水水位在隧道顶以上的最大地表沉降量的73．4%。

4) 在盾构隧道经过断裂带且地下既包含潜水又包含承压水的情况下，承压水在隧道底以下的地表沉降量比隧道穿过承压水的地表沉降量小，承压水在隧道底以下的最大地表沉降量大约是隧道穿过承压水的最大地表沉降量的80%。