隧道穿越管线渗漏区土岩复合地层沉降研究

关三飞，张玉凤，于辰雨，陈德刚，杜明庆，张素磊

（1.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033；2.青建集团股份公司，山东 青岛 266071)

针对隧道穿越管线渗漏区土岩复合地层沉降的问题，国内外专家学者们进行了相关研究，代表性研究成果如下。

李加辉等[1]基于有限元软件Midas/GTS 建立三维数值模型对曲线盾构隧道施工引起的地表沉降槽偏移规律展开研究，并依托工程实例检测对结果进行对比验证。汪维东等人[2]基于室内模型试验得出管线渗漏条件对地表沉降、管线沉降以及隧道结构受力均产生不利影响。王海涛等人[3]对砂土地区隧道开挖-管线渗漏相互作用条件下地层变形机理展开室内模型试验研究，得出不同渗漏区大小条件下地层位移变化规律。结果表明：随着渗漏范围的增加，地表整体沉降由负增长逐步转化为正增长，且最大值增长规律呈二次函数形式。段超杰[4]采用两阶段分析法，通过理论公式、数值分析以及工程实例应用的手段对地铁隧道施工过程中管线渗漏诱发的结构及地层位移与受力规律预测分析，最终提出相对应的处治措施。跃敬亭[5]基于模型试验及数值分析手段研究了管线渗漏水对城市浅埋地铁隧道施工的影响规律，结果表明由于渗漏水对围岩的软化性质，加速了隧道开挖后土体的失稳速率以及塌方程度。WangH T 等人[6-7]基于Pasternak 地基模型建立隧道施工扰动下渗漏管线的变形计算公式，并通过试验进行了验证。武天仪[8]以郑州地区典型粉土地层为工程背景，基于模型试验及数值分析方法对交通荷载-管线渗漏双重因素影响下的地层稳定性展开分析。杨光[9]基于不同数值软件预测了不同工况下管线渗漏水对地层的影响范围，结果表明管线渗漏范围与管线压力、管线埋深以及管线破裂程度密切相关。

目前针对地铁隧道穿越管线渗漏区变形机理课题的研究，主要针对单一土层，少见针对土岩复合地层的研究成果，而复合地层在实际工程中更为常见，因此，该方面的研究尚不完善。为此，本文拟依托某地铁工程，对土岩复合地层地铁隧道穿越管线渗漏区变形机理及控制技术进行深入研究，旨在揭示土岩复合地层地铁隧道穿越管线渗漏区灾变机理，同时也为土岩复合地层地铁隧道穿越管线渗漏区地层沉降风险控制提供依据。

1 非饱和土流固耦合计算模型

以某地铁实际背景为依托建立图1 所示的数值计算模型，模型尺寸为宽60m×高50m，隧道埋深12m，隧道半径3m、管道半径0.6m。隧道上覆土层及岩层厚度分别为hs、hr，管道埋深hp。计算过程中约束模型的底部、左侧、右侧法向位移，上表面为自由面。土层及岩层均采用M-C 本构模型，详细参数见表1，其中土层渗透系数1×10-7m/s，岩层渗透系数1×10-9m/s，入渗速率1×10-4m/s。

图1 数值计算模型

表1 模型力学参数

3 管线渗漏对土岩复合地层隧道开挖稳定性研究

3.1 管线渗漏对隧道开挖稳定性的影响

图2 为不同渗漏扩散时间下的饱和度云图，随着扩散时间的增加，渗漏范围逐渐增大，当扩散至土岩分界面时，由于岩层渗漏系数显著小于土层，因此扩散速率急剧下降，渗流将在土岩分界面上向两侧扩散，而向岩层扩散的速率显著低于土层。

图2 不同渗漏时间下地层饱和度云图

地下管线渗漏水是造成地下隧道施工事故的重要诱因，受地下管线渗漏影响，渗漏区土层趋于饱和，其力学参数被弱化，在隧道施工扰动下管线渗漏区成为隧道上部的不利地层，对隧道及管线结构的整体稳定性产生不利影响。图3 为不同渗漏扩散时间下地表沉降曲线。渗漏区随着渗流扩散时间的增长而增大，由于考虑了地层参数随饱和度的关联劣化作用，因此，渗漏扩散时间越长地层参数劣化越显著，因此隧道开挖扰动下地层稳定性越低，从图3 可见地表沉降随着渗漏扩散时间的增大显著增大，当渗漏扩散时间为300h 时，地表沉降可达12.4mm，已严重影响路面正常交通或使用状态。

图3 不同渗漏时间下地表沉降曲线（3m+6m）

以隧道上覆地层中心轴线为研究目标对不同埋深位置的地层沉降规律进行分析，不同渗漏扩散时间下的地层沉降分布见图4，管线渗漏严重影响地层沉降规律。渗漏时间为25h 时，隧道开挖扰动下管线上部沉降达8.95mm，下部沉降为5.32mm，而沉降随着埋深增加而增长，其中在土岩界面处沉降速率增大，而隧道拱顶沉降达到了7.65mm，可见，管线上部地层的沉降显著高于下部沉降。随着管线渗漏时间的增长，渗漏范围扩大，地层渗漏区参数劣化后导致隧道开挖后管线上部地层沉降越大，因此地表整体沉降更为显著。当管线渗漏时间达到150h 时，此时渗漏区已接近土岩分界面，隧道上覆土层的结构整体稳定严重降低，在隧道开挖扰动下土层沉降量已大于岩层沉降，当管线渗漏时间达到300h时此现象更为显著，可见管线渗漏对土层参数劣化效应致使其稳定性降低，进而对威胁地层整体稳定性。

图4 隧道上覆地层沉降曲线

上述分析可见，管线渗漏对地层沉降产生显著影响，接下来对管线渗漏对隧道开挖扰动下的地层塑性区进行分析。图5 给出了同渗漏扩散时间下隧道开挖扰动下地层塑性区分布，结合图2 的地层饱和度云图，可知渗漏时间为25h 时，扩散区域仅在管道附近，因此隧道开挖扰动下，地层塑性区紧邻隧道周边及管线渗漏区附近，由于地表沉降过大也出现张拉屈服现象；当渗漏时间达到50～100h 后，渗漏区域持续扩展，由于渗漏范围仍分布于土层中，对岩层影响很小，因此隧道开挖后岩层中的塑性区仍保持不变，且土层中的塑性区与其渗漏区范围息息相关。当渗漏时间达到150h 小时后，渗漏区范围已位于土岩分界面上方，考虑到地层参数随其饱和度的劣化效应，隧道开挖扰动下上覆土层由于其承载能力降低，因此隧道开挖后在土岩分界面下部的岩层中出现了塑性屈服现象；随着渗漏继续扩展，渗漏至岩层时渗漏扩展速率显著下降，渗漏区在土层中持续扩展、饱和度也增大。当渗漏时间达到300h 后，隧道开挖扰动下管道下部土层均进入塑性屈服状态，而隧道拱顶上方的岩层也出现较大范围的塑性区。可预见的是，当渗流区扩展至岩层时，岩层稳定性亦会出现较大幅度的下降，将会严重威胁隧道施工安全；此外当渗流区在土层中进一步扩展时，地层稳定性逐渐降低、沉降量增大，当隧道上覆岩层不足以承担其松动荷载及形变荷载时，不可避免的发生坍塌。

图5 隧道开挖扰动下地层塑性区分布

4 结论

本文通过FLAC3D 模拟，建立了隧道穿越管线渗漏区土岩复合地层流固耦合地层模型，研究单一工况不同渗漏时间的隧道开挖扰动下地表沉降以及塑性区发展，研究表明，随着管线渗漏时间的增长，渗漏范围扩大，地层渗漏区参数劣化后导致隧道开挖后管线上部地层沉降越大，地表整体沉降更为显著，最终当渗漏扩散时间为300h 时，地表沉降可达12.4mm，已严重影响路面正常交通或使用状态。地层塑性区也由最初的隧道周边及管线渗漏区附近的土层，逐渐向下扩展，直至土岩分界面下部的岩层也出现较大范围塑性屈服现象。