西安地裂縫場地地鐵隧道盾構法施工沉降分析

楊 兆,黃強兵,2,王立新,王友林

(1.長安大學地質工程系,西安 710054； 2.長安大學巖土與地下工程研究所,西安 710054； 3.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043；4.陜西省城市地質與地下空間工程技術研究中心,西安 710068)

引言

西安市地處內陸盆地，地質構造的特殊性與地下水的開采，導致地裂縫災害十分發育，自20世紀50年代以來，西安市內共出現14條地裂縫，地裂縫自東北向西南廣泛分布，遍布全城，在國內外罕見，部分地裂縫仍在活動，對在建的西安地鐵構成嚴重威脅。針對西安地鐵建設中的地裂縫問題，國內一些學者已開展大量的研究并取得一系列重要成果[1-5]。為了安全可控、未來便于維護，目前西安地鐵穿越地裂縫地段均采用淺埋暗挖法(礦山法)通過，結構上采取分段設縫、擴大斷面、預留凈空及襯砌加強等特殊措施[1，2，4]。到目前為止，這種施工及應對措施基本是有效的，但也存在工期長、風險大、成本高等突出問題。而盾構法施工速度快且在安全性、施工質量及成本等方面均優于淺埋暗挖法，在地裂縫場地能否采用盾構通過？如果采取盾構法穿越地裂縫這種特殊地質場地或地段，會引起什么樣的地表、地層沉降及結構變形與圍巖壓力變化特征？與無地裂縫的天然場地有何差別？盾構法施工過地裂縫帶需要采取什么樣的應對措施？隨著西安城市軌道交通快速推進，規劃線路之多，線路穿越地裂縫場地的次數越多，如果仍采用以往暗挖施工、隧道分段設縫與擴大斷面等特殊措施通過，不僅成本高，防水壓力大，而且建設進度也難以滿足規劃要求，于是盾構法施工過地裂縫場地便提上日程。

關于盾構法施工引起地表變形問題，國內外諸多學者開展了大量的研究，如1969年Peck[6]通過盾構隧道地表沉降的實測數據，提出用于計算盾構隧道施工所引起地表沉降值的Peck公式；唐曉武[7]等利用彈性力學Mindlin解，推導了盾構施工引起的地面變形計算公式；韓煊等[8]通過大量實測數據驗證了Peck公式對中國大部分地區地鐵隧道開挖引起地表沉降的適用性；張云等[9]針對盾構隧道所引起的地表變形問題提出了等代層概念，并結合工程實例，獲取等代層的參數，研究等代層參數對于地表沉降的影響；房明等[10]采用三維有限元方法對新建隧道盾構下穿施工過程進行了動態模擬；陳春來等[12]基于Peck公式，對雙線水平平行盾構法施工中土體損失所引起的三維土體沉降計算方法進行研究；朱合華[18]借助于模型試驗方法，研究了盾構掘進過程頂進推力變化的規律，土體與盾殼之間摩擦作用的機理及其影響因素，對盾構千斤頂頂進推力的計算公式進行推導；何川[19]開展室內掘進實驗，研究黃土地層盾構掘進對黃土擾動情況及施工關鍵參數等問題；梁榮柱[20]基于彈性力學Mindlin解，得出盾構掘進過程中地表豎向位移及深層土體水平位移解答，等等。上述研究均未涉及地裂縫場地以及盾構法施工穿越地裂縫帶地表及隧道變形等方面的問題。

鑒于此，本文以西安地鐵8號線盾構法穿越地裂縫場地為工程背景，基于有限元數值計算，對盾構施工引起的地表沉降、結構變形規律、影響范圍進行分析，并與地裂縫場地傳統CRD工法、天然場地盾構工法掘進對比，以期為地裂縫場地地鐵盾構工法過地裂縫帶施工與設計提供科學依據。

1 工程背景

目前西安市已開通運營地鐵線路共有5條，為地鐵1～4號線和機場城際線，里程長度共計161.46 km；在建線路共12條(段)，分別為：1號線三期，5號線一期，5號線二期，6號線一期，6號線二期，9號線(臨潼線)一期，8號線，2號線二期，10號線一期，14號線、16號線一期。預計到2025年，形成12條線路運營、總長423 km的軌道網，由于西安市地裂縫貫穿整個市區(圖1)，因此幾乎所有地鐵線路不可避免通過這些地裂縫帶，對地鐵建設構成嚴重安全隱患。

圖1 西安地裂縫分布[1]

根據《西安市城市軌道交通第三期建設規劃(2019-2024年)》，其中西安地鐵8號線是西安市唯一的市域大環線，該線路穿越了西安地區的幾乎全部14條地裂縫，相交共31處(圖2)。建設單位首次考慮嘗試采用盾構工法穿越地裂縫帶，目前正在進行可行性論證研究，本文將通過數值模擬計算，揭示盾構施工引起的地表沉降、結構變形規律及影響范圍，并與地裂縫場地傳統CRD工法、天然場地盾構工法掘進結果對比，分析地裂縫環境下盾構穿越地裂縫場地的優越性和可行性。

圖2 西安地鐵與地裂縫相交示意[13]

f6地裂縫總體走向NE65°～75°，傾向SE，傾角75°～80°，發育帶寬度達35～70 m，地質剖面見圖3，該地裂縫與地鐵8號線東線相交位置周圍開發程度一般，以低層居民住房為主，遠處有高層住房，周圍有項目正在施工(圖4)。根據現場調查，萬壽中路瀝青路面出現多處開裂，裂縫走向與f6走向基本一致，地表裂縫間距相等約為2 m，裂縫長3～4 m，寬0.5～1 cm。

圖3 f6地裂縫地層剖面

圖4 f6地裂縫周邊建筑情況

2 有限元數值模擬

2.1 有限元模型的建立

本次采用大型有限元分析軟件Midas GTS進行數值模擬分析，將盾構工法和傳統CRD工法進行掘進進行對比分析。計算模型如圖5所示，模型尺寸為：135 m(長)×50 m(寬)×40 m(高)，即豎向z為40 m，水平向y為50 m，縱向x為135 m，地裂縫傾角取80°，與隧道相交為75°，隧道分別采用盾構法錯縫拼裝與傳統CRD工法掘進，隧道拱頂埋深9 m，暗挖隧道斷面開挖跨度9 m，高為9.2 m，斷面為馬蹄型；盾構隧道的外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，標準幅寬1.5 m，分塊采用“1+2+3”，如圖6所示。模型左右兩端和前后兩側分別施加X方向和Y方向約束，底部施加Z方向約束，頂部為自由面。土體模型采用Mohr-Coulomb屈服準則，初支噴混、中隔壁、臨時鋼支撐、盾殼與襯砌等隧道結構均采用線彈性模型[10]。地裂縫采用interface接觸單元來模擬，GTS軟件所提供的interface接觸單元可以模擬單元間的相對滑動或滑移， 能夠較好地反映錯動過程的力學特征，隧道結構采用板單元來模擬，地層等采用實體單元模擬。

圖5 有限元計算模型

圖6 隧道設計參數(單位：mm)

模擬計算過程中，初始地應力場只考慮土體產生的自重應力，不同土層土體均為連續介質，圍巖及襯砌結構均不考慮膨脹。超前注漿加固區域通過改變相應區域圍巖屬性實現。

2.2 模型及計算參數

(1)計算參數

根據勘察資料顯示地下水位位于地表以下10.0 m，地層分別為雜填土、新黃土、古土壤、老黃土、老黃土(水位下)、古土壤、粉質黏土、中砂；地裂縫屬于軟弱結構面，根據野外調查，地裂縫帶常被粉土、粉細砂等填充，計算參數見表1[10，14，15，17]。

(2)計算工況

盾構法從地裂縫帶下盤至上盤循環開挖模擬過程為：①開挖進尺為盾構管片幅寬1.5 m的地層，對注漿體單元賦以盾殼單元屬性[16]，對開挖面施加掘進壓力；②依次循環直至盾構機全部推進地層(盾構機長7.5 m)；③盾構機再次向前推進一個襯砌單元環長度，將第一環襯砌環注漿體單元與襯砌單元賦以初期注漿體單元與襯砌單元材料，對管片襯砌施加注漿壓力；④為了反映注漿體的冷凝過程，將注漿材料此時屬性延續3次盾構推進時間。當盾構機推進到第9環管片位置時，將第一環管片注漿材料屬性賦予穩定注漿材料，同時消去注漿壓力，管片僅承受地層應力，整個模擬過程不斷推進直至施工完畢，如圖7所示。

表1 有限元模型計算參數

圖7 盾構推進過程模擬(單位：m)

圖8 開挖斷面

傳統CRD工法從地裂縫帶下盤至上盤循環開挖模擬過程為：①超前支護；②導洞一開挖支護；③導洞一封閉5 m后，導洞二開挖支護；④導洞二封閉10 m后，導洞三開挖支護；⑤導洞三封閉5 m后，導洞四開挖支護，如圖8、圖9所示。

圖9 傳統CRD法模擬

盾構掘進土壓力為80 kPa，注漿壓力為170 kPa[10]，隧道襯砌管片采用C35混凝土，管片接頭影響結構力學性態。關于接頭的模擬，目前有不同的計算模型，如彈簧模型[21]與實體單元模型[22]等。彈簧模型難以模擬隧道結構與地層土體的共同作用，而實體單元存在相對難以收斂的缺陷，考慮到接頭對管片襯砌結構影響，本次采用剛度折減法，管片整體結構彈性模量折減20%[11]。傳統CRD工法采用C25混凝土[17]，具體參數見表1。

2.3 監測點布設

圖10 有、無地裂縫場地監測斷面布置(單位：m)

模擬施工過程中在地表布設8個監測斷面進行分析，如圖10所示。地裂縫帶場地工況(見圖10(a))，在垂直于隧道中心線在下盤布設H1與H2斷面，分別距地裂縫36，12 m；在上盤布設H3和H4斷面，分別距地裂縫12，36 m，與下盤H1、H2斷面對稱。

3 計算結果及分析

3.1 地表沉降變形特征

(1)沿開挖方向地表沉降過程

圖11 盾構法開挖引起地表沉降的變化曲線

(2)沿隧道軸線地表最終沉降規律

圖12給出了沿隧道軸線地表最終沉降曲線。由圖可知，在無地裂縫的天然場地，盾構施工引起地表變形曲線基本平緩，變形較??；而在地裂縫場地，盾構法與傳統CRD法沿隧道軸線從地裂縫下盤至上盤開挖過程中，沉降曲線趨勢基本一致，均在近地裂縫處曲線呈現臺階形；傳統CRD工法開挖對地裂縫影響區長L1=57 m，下盤24 m，上盤33 m，地表最大沉降位于上盤，為20.57 mm；盾構掘進在初始階段地表沉降速率較大，但隨著施工的進行沉降速率逐漸減小，地地表最大沉降量為14.2 mm，約為CRD工法69.0%，地裂縫對盾構施工影響范圍為下盤21 m，上盤24 m，影響區長L=45 m，相對CRD工法減小21.1%，并在地裂縫附近發生突變，地表在盾構穿越地裂縫前與穿越過程中發生差異沉降，需注意防護。相比于傳統CRD工法，盾構法施工在地裂縫地段對地層的影響明顯較小。

圖12 沿隧道軸線地表最終沉降曲線

(3)地表變形與施工進尺之間的關系

圖13為有、無地裂縫場地盾構開挖地表差異沉降曲線。無地裂縫的天然場地變化幅度較小，在初步施工階段地表出現輕微隆起，但隨著施工的進行，地表逐漸下沉，但沉降值很小(小于2 mm)；而地裂縫場地，當施工進尺為25 m，位于地裂縫下盤6 m處B點出現明顯沉降，而上盤測點A未出現明顯變化；當施工進尺為35 m及施工面距地裂縫22 m時，A點沉降速率增加；當開挖進尺為96 m時，B點進入平穩階段，此時沉降量9.42 mm；施工進尺為110 m時，A點進入平穩階段，此時沉降量為9.62 mm。

圖13 有、無地裂縫場地盾構開挖地表差異沉降曲線

地裂縫帶上、下盤測點沉降量隨著施工的進行未出現顯著差異，地裂縫存在使上盤測點A沉降時長大于下盤測點B沉降時長，A點受施工影響范圍約為75 m，B點受施工影響范圍約為69 m。

3.2 地表橫向變形特征

圖14為施工引起橫向地表最終沉降的變化曲線。由圖14可知，在有、無地裂縫的場地，盾構法施工引起的橫向地表沉降曲線均呈現出凹槽形，具有對稱分布特征，凹槽底部位于隧道中心。在無地裂縫的天然場地，地表橫向沉降變形較小，在隧道中心處產生1.12 mm的最大沉降，影響范圍約為4倍洞徑，而在地裂縫場地，地表橫向變形較為顯著，最大沉降達10.31 mm，為天然場地的9.2倍，橫向影響范圍左右各約19 m，約6.1倍洞徑，如圖14(a)所示。地裂縫場地盾構法與傳統CRD工法施工沉降對比發現，二者對地表橫向變形產生的擾動變形曲線基本一致，均呈凹槽型，上盤沉降量(H3、H4斷面)大于下盤(H1、H2斷面)，靠近地裂縫處沉降量與沉降槽寬度均相應增加，傳統CRD工法橫向影響范圍為50 m，約為5.5倍洞徑，最大沉降量16.6 mm，而盾構法掘進對沉降影響范圍與沉降量均明顯小于CRD工法，其橫向影響范圍約38 m，最大沉降量10.3 mm，橫向地表沉降與影響范圍分別減小38%和24%(見圖14(b))。

圖14 施工引起橫向地表最終沉降的變化曲線

關于隧道開挖引起地表沉降方面，Peck[6]曾提出了經典的估算隧道開挖引起地表沉降方法，其沉降斷面凹槽如圖15所示，基本符合正態分布曲線特征。

圖15 盾構施工地面沉降

為了更加深入分析地裂縫場地盾構施工橫向地表沉降特征，本次對地裂縫帶影響較大的斷面曲線進行擬合，如圖16所示，地鐵隧道盾構法穿越地裂縫地段引起的橫向地層沉降符合高斯分布函數

式中y——沉降值；

x——距隧道中心橫向距離，確定系數R2=0.999 6。

沉降槽寬度系數i=7.91(地表沉降曲線反彎點與隧道軸線的水平距離)。

圖16 地表沉降槽擬合曲線

3.3 隧道拱頂底縱向沉降變化特征

圖17 有、無地裂縫場地盾構施工引起拱頂累計沉降曲線

圖17為有、無地裂縫場地下盾構施工引起隧道拱頂累計沉降變化曲線。由圖17可知，在無地裂縫的天然場地中隧道拱頂縱向沉降曲線變化幅度較小，在部分施工段結構出現輕微隆起變形；而地裂縫場地，曲線變化幅度較大，位于地裂縫下盤較遠處監測斷面H1與隧道拱頂交點，在施工進尺為9 m時開始發生急劇沉降，當施工進尺為60 m時，進入平穩階段，最大沉降量為15.05 mm，影響范圍約為51 m；H2與隧道拱頂交點在開挖進尺為36 m時，發生急劇下沉，施工進尺達到91 m時進入穩定階段，最大沉降量達14.79 mm，影響范圍約為55 m；位于上盤監測斷面H3與隧道拱頂交點在施工進尺為54 m時進入急劇下沉階段，而當開挖進尺達到120 m時基本處于穩定階段，最大沉降量為15.21 mm，影響范圍約為66 m；H4斷面與拱頂交點在施工進尺為81 m時進入急劇沉降階段，當施工進尺為135 m時，此時仍未處于穩定階段。沉降曲線之間存在類似的變化規律，但地裂縫的存在使沉降出現了差異，上盤隧道拱頂沉降時長與沉降量均大于下盤。

圖18 隧道拱頂最終沉降曲線

圖18為隧道拱頂最終沉降曲線。由圖可知，在無地裂縫的場地，盾構施工引起拱頂沉降變化幅度較小，受施工影響發生沉降并伴有輕微隆起變形；在地裂縫場地，盾構法與CRD工法從下盤至上盤掘進，襯砌頂部沉降變化曲線基本一致，上盤沉降量大于下盤，穿越地裂縫帶時出現差異沉降，因為穿越地裂縫帶時，地裂縫為軟弱結構面，圍巖易受擾動變形，對襯砌結構產生影響。CRD工法拱頂最大沉降量22.1 mm，為盾構工法的1.30倍，CRD法相對于盾構法對土層擾動次數較多，產生的擾動變形較大，盾構工法對土層擾動次數較少，更適應地裂縫地段城市地鐵隧道建設。

3.4 管片襯砌頂部圍巖接觸土壓力

圖19為隧道頂部圍巖接觸壓力變化曲線。由圖19(a)可知，在無地裂縫的場地，盾構施工引起拱頂圍巖接觸壓力變化基本平穩，而在地裂縫場地，盾構法與CRD工法施工均導致拱頂圍巖接觸壓力下盤增大、上盤減小，并在地裂縫附近產生突變或跳躍現象，CRD工法開挖導致圍巖應力波動較大，對地裂縫影響區長L1=75 m即下盤42 m、上盤33 m，最大值位于上盤地裂縫附近，達210.0 kPa，而盾構法相比CRD工法，能夠使隧道結構整體受力更為平穩，對地裂縫影響區長L=53 m即下盤42 m、上盤33 m，影響區范圍和圍巖接觸壓力相較于CRD工法分別減小約29.3%和35.8%。

圖19 隧道頂部圍巖接觸壓力變化曲線

4 結論

本文針對地裂縫場地盾構施工沉降問題，基于三維有限元數值模擬計算，分析了盾構施工引起的地表沉降、結構變形規律及影響范圍，并與地裂縫場地傳統CRD工法、無地裂縫的天然場地盾構工法掘進對比，驗證了盾構施工過地裂縫場地的可行性，主要結論如下。

(1)地裂縫場地，盾構工法引起地表沉降變形曲線呈反“S”形，分為平穩變形階段、急劇下沉階段和穩定階段，而無地裂縫的天然場地中曲線變化較平穩。

(2)在地裂縫場地，盾構法相對于傳統CRD工法，減小了對周圍土體的擾動，縱向地表影響范圍和最大沉降量分別減小21.1%和31%，而橫向地表影響范圍和沉降量分別減小24%和38%。

(3)盾構法相比CRD工法穿越地裂縫對結構的擾動變形較小，隧道拱頂最大沉降量減小22.8%，而天然場中拱頂沉降曲線變化基本平穩。

(4)無論是盾構法還是CRD工法，穿越地裂縫均導致拱頂圍巖接觸壓力在下盤增大、上盤減小，但相較于CRD工法，盾構法施工影響范圍和圍巖接觸壓力分別減小約29.3%和35.8%，而在無地裂縫的天然場地中拱頂圍巖接觸壓力曲線變化幅度較??；盾構法使隧道結構整體受力體系更為平穩，對土體產生擾動變形較小，對于活動性較弱或不活動的地裂縫，可以采用盾構法穿越。

地裂縫場地隧道施工影響與隧道開挖推進方向、地裂縫帶與隧道走向交角大小密切相關，從地裂縫下盤至上盤與從上盤至下盤開挖引起的沉降及應力場變化可能存在差異。限于篇幅，本文僅考慮了從地裂縫場地下盤至上盤盾構法與CRD工法施工工況，未考慮從上盤至下盤施工的情況以及地裂縫帶與隧道走向相交角度等因素對施工的影響，這些問題有待后續進一步深入研究。