地層突降水對地鐵聯絡通道初襯結構影響分析*

李 陽，宮志群，趙 峰，高東波，姜 巖，王文龍

(1.中國建設基礎設施有限公司，北京 100029； 2.中建華東投資有限公司，江蘇 徐州 221005；3.中建隧道建設有限公司，重慶 401320； 4.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引言

因城市地下結構往往處于含水層環境，施工環境復雜，可能會造成巨大的安全隱患。如果對含水層進行突降水則會使含水層固結壓密，地層位移場發生改變，從而造成地下結構體受力發生變化，導致結構體產生附加變形、不均勻沉降、破壞等一系列危害，嚴重時甚至會引發重大事故。因此，研究地層突降水對地下結構體受力、變形等影響成為地下結構建設中必不可少的一項任務。

國內外相關技術工作者已經開展了一系列的分析研究。鄭剛等[1]利用ABAQUS軟件進行了承壓層減壓降水對既有盾構隧道影響的有限元仿真模擬，分析了既有隧道相對于承壓含水層處于不同位置時隧道周圍土體的應力場、隧道橫斷面的內力和變形；黃戡等[2]基于比奧固結理論，依據實際工程背景利用Midas GTS NX軟件建立數值模型，進行了深基坑開挖降水對鄰近地鐵隧道的影響分析；賈媛媛[3]等針對某一實際工程背景，將有限差分法與流固耦合理論相結合，分析了在隧道施工降水過程中既有市政管線隧道的受力特性及沉降規律；張文輝[4]通過區間抽水實驗分析和對周邊沉降監測數據進行對比處理，得出了地層施工降水對城市軌道交通的影響范圍，并給出確定方法和簡便計算公式。此外，對于基坑降水引起地表沉降的規律也有相關研究[5-8]。總的來說，雖然目前關于城市軌道交通的降水工程已經有了一定研究，但是現有的研究大多都是探究基坑或含水層施工降水引起的地表沉降和給周邊建筑物帶來的影響，而地層突降水對環境域內既有地下結構體變形影響的機制卻少見報道。本文以國內首座集明、暗、蓋挖為一體的大型換乘車站進站左右線隧道聯絡通道為工程背景，通過理論計算解析分析和三維數值模擬的方法來研究地層突降水對既有初次襯砌的影響，并對結果進行分析比較，以期對類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

研究區域為徐州市軌道交通地鐵1，2號線的換乘車站，是國內首座集明、暗、蓋挖為一體的大型換乘車站。工程區域隧道為軌道交通左線和右線之間的2號風道用橫通道。該廣場周邊環境十分敏感，工程與水文地質問題突出，車站結構異常復雜，其暗挖段地表以下分別為：2～3m為素填土層、6～8m為老城雜填土以及約10m為硬塑狀黏土層。其中，老城雜填土以粉質黏土、粉土、淤泥質土為主，土質極不均勻，疏松易垮塌。土層下部為灰巖、泥質砂巖、砂巖、頁巖互層，灰巖中有填充型及無填充型溶洞。地層走向NNE，傾向SEE，傾角70°～80°。左右線隧道基本位于黏土與各巖層的土層分界面，基本穿越在巖層。采用明挖、暗挖和半蓋挖3種工法進行施工，其隧道斷面為馬蹄形，采用CRD法施工，斷面支護形式均采用復合式襯砌，由初期支護、防水層、二次襯砌組成，初期支護采用噴射混凝土，二次襯砌采用現澆鋼筋混凝土。

根據工程勘察報告揭示地下水按照賦存條件、含水介質以及水力特征分類，分別為上部填土中的上層滯水、第四系土層中的孔隙水(潛水)以及基巖裂隙水。土層段含水層以雜填土、粉質黏土夾粉土、老城雜填土為主，屬第四系孔隙潛水，水位埋深3.7～5.6m，水流量小，滲透性較差，呈斷續分布。在隧道上方黏土層中沿隧道軸線方向水深分布有明顯的規律，以距離右線隧道越近處水深越高。巖層中灰巖層段含水量較少，該含水層段呈條帶狀分布。第四系土層中的潛水賦存于古黃河兩岸階地沖積形成的粉土、砂土層。基巖地下水賦存于寒武系灰巖溶隙和巖層面擴大化的溶穴洞中，為承壓含水層，承壓水水頭位于地表以下6m。

2 工程降水方案設計與試驗

工程進行降水前需選取合適的降水管，為分析超前降水管的降水規律，開展了現場抽降水試驗。試驗前提條件是地層中的水量相同，分析不同管徑和功率下的降水效率。選用35，45和65mm這3種管徑的降水管進行降水，抽水功率不變，總結3種管徑下降水各時刻水位面變化情況，并對比分析3種不同管徑降水管的降水效果，如圖1所示。

圖1 不同管徑降水管降水效果

對比上述不同管徑降水管降水數據，65mm管徑降水效率較高、降水較穩定，故實際應用降水方案使用此管徑的降水管及與其配套抽水功率為7.5kW的抽水泵。在聯絡通道兩側邊墻位置分別設置5根長20m的降水管，在邊墻周邊布設10根降水孔進行排水，并在聯絡通道軸線上方布置測線，對其沉降值進行監測。

3 突降水對聯絡通道變形理論計算

首先建立城市軌道交通突降水對隧道襯砌影響的解析模型。以Pasternak地基梁模型建立襯砌撓度模型。Pasternak地基梁模型為在Winkler地基梁模型的基床系數K上增加1個剪切層G，以模擬土體之間的剪切剛度。以右線隧道與聯絡通道連接處為原點，通道軸向為x軸，豎直方向為y軸建立直角坐標系，將聯絡通道平均分為n段，則有n+1個節點，記原點處節點為節點0，聯絡通道與左線隧道的連接處為節點n，則聯絡通道的撓曲線方程為：

(1)

式中：EI為地基梁抗彎剛度(kN·m2)；y為襯砌撓度(m)；K為地基基床系數(kN/m3)；x為縱向坐標軸(m)；G為地基土剪切剛度(kN/m)；B為隧道寬度(m)；p為受力(kN)。

與聯絡通道相比，左右線隧道剛度較大，可視為固定端，則邊界條件為：

(2)

在節點0之前和節點n之后分別增加1個虛節點n-1和n+1。根據標準有限差分原理，式(1)各微分項的有限差分形式如下：

(3)

(4)

將式(3)帶入式(1)可得撓曲線的有限差分形式，化為矩陣表示方法為：

[K][y]=[p]

(5)

式中：[K]為剛度系數矩陣；[y]為撓度矩陣；[p]為荷載矩陣。將土體參數、支護參數帶入式(4)可得到襯砌沉降值。

由理論推導可得，聯絡通道變形與土體基床系數和剪切剛度有關，其中基床系數反映土體的壓縮性質，體現在聯絡通道變形對土體產生擠壓效應時，土體的壓縮變形和對聯絡通道的反作用力；剪切剛度反映土體抗剪能力，體現在聯絡通道不均勻變形導致土體之間的差異壓縮。

4 數值計算建模分析

FLAC3D是一款基于三維顯式有限差分法的連續介質力學分析軟件，在計算中輸入命令config fluid，可以進行瞬態滲流分析，此時孔隙水壓力隨著浸潤面的變化而變化，FLAC3D會根據運動方程、平衡方程、相容方程與邊界條件進行求解。基于FLAC3D強大的計算功能，針對研究區域降水產生滲流力變化引起的襯砌變形問題，建立的流固耦合數學模型如下[9]：

(6)

式中：M為比奧模量；S為飽和度；φ為孔隙度；P為孔隙水壓力(不包含大氣壓)；α為比奧系數；ε為體應變。

4.1 數值計算基本假定

1)巖體是均質、各向同性的連續介質。

2)在進行降水前，孔隙水處于靜止狀態，在降水過程中滲流場重新分布為穩定滲流狀態。

3)地下水滲流過程中完全服從Darcy定理。

4)初始應力僅考慮土體的自重應力作用，不考慮構造應力作用。

5)主要研究對象為2號聯絡通道，采用襯砌結構單元進行支護。

根據地質勘探報告，隧道頂部覆有3種土體材料，左右線隧道與聯絡通道位于巖層之中，在對土體進行運算時，采用Mohr-coulomb本構模型。獲取所需土層基本參數如表1所示。

表1 土體參數

襯砌主要參數如表2所示。

表2 襯砌支護參數

4.2 數值模型建立

計算采用三維建模，根據工程經驗，模型計算深度取50m，橫向寬度取64m，縱向寬度取100m，土體和巖體采用實體單元，襯砌采用結構單元。在模型中選用的均是實體單元，整個模型共剖分了205 843個節點，195 360個單元，具體建立的計算模型構造、網格劃分和襯砌單元如圖2，3所示。

圖2 數值計算整體三維模型

圖3 左右線隧道及聯絡通道襯砌

位移場、應力場、滲流場邊界條件：限制前后左右四側的法向位移和底部邊界3個方向的位移，上表面取至地表，設置為自由表面。模型整體施加自重應力場9. 8m /s2。設置前后左右和底部5個邊界為不透水邊界，上部邊界設置為透水邊界。

4.3 計算過程

本模擬將分為4個分析步：①平衡地應力 對模型整體施加自重應力場，將上部靜水壓力以面荷載的形式施加到上表面，使其在自重應力和靜水壓力下沉積固結，等待平衡后將位移調整為零，從而得到平衡地應力后的土體模型；②開挖土體 利用null模型對左右線隧道和聯絡通道按工法開挖，其中聯絡通道開挖區域劃分如圖4所示，開挖后的邊界視為自由排水邊界；③添加支護 在開挖過程中進行襯砌支護，邊開挖邊支護，支護完成后利用solve命令進行求解，待穩定后將位移清零，本工程二襯施工嚴重滯后于初期支護施工，因此在模擬中不考慮二襯作用；④降水施工 設置滲流模式進行降水，隨后求解至穩定。

圖4 聯絡通道施工開挖區劃分

在降水計算完成后對聯絡通道圍巖的應力場進行分析。分析可知，隧道周圍的巖體由于受到開挖擾動和孔隙水壓力場變化帶來的影響，應力較初始呈水平狀態的豎直應力場發生了較大改變。在離隧道開挖較遠的區域，應力仍隨土層深度呈線性變化。在隧道拱頂與拱底處，由于應力釋放的緣故，豎向應力較小。而在隧道下幫區域的巖體由于承受了支護傳導的巖體，豎向應力較大，局部區域受力形狀呈“耳朵狀”。

利用fish語句提取左右線隧道中間隧道部分的襯砌沉降進行分析。在降水計算前于隧道拱頂布置測線以監測沉降變化，根據沉降數據繪制曲線如圖5所示。

圖5 監測點的沉降變化曲線

由圖5分析可知：①在距右線隧道右幫3.5m處隧道拱頂沉降量最大，約為11.15mm。②在距右線隧道右幫0～3.5m處沉降逐漸增大，在距右線隧道右幫3.5～12m處沉降逐漸減小，并且減小速率逐漸放緩，最小沉降出現在橫通道與左線隧道的交界面處。降水對左右線隧道產生的影響較小。③考慮降水時流固耦合效應產生的沉降相對于降水之前有明顯增加。分析產生上述現象的原因：滲流方向為由上往下流動，產生了向下的滲流力，隧道上方土體由于失水發生了固結沉降，導致了土體有效應力的增加，二者共同作用使巖土體變形增加，進而使隧道襯砌產生了向下的沉降。在滲流場作用下在距右線隧道右幫0～3.5m處橫通道上方雖然降水較大但在3.5m處監測點沉降卻最高，這是由于左右線隧道剛度較大，受右線隧道的限制作用，在其附近的聯絡通道襯砌沉降受到了較大影響，隨著距右線隧道距離的增加，這種影響也逐漸削弱。在3.5～12m處主要由于降水量呈逐漸減少趨勢，因此沉降也逐漸減小。

將在降水完成后最大沉降點視為特征點，為分析特征點在降水過程中位移的變化情況，提取數據進行分析。在整個降水過程中，該點的位移絕對值逐漸增大，最大為11.15mm，整個過程中沒有出現更大的沉降值，說明降水結束后各點沉降值即為該點沉降經歷的最大值，進一步驗證了數值模擬結果的合理性。

將特征點所處沿襯砌橫向的橫截面視為特征面，再次進行模擬，此次模擬在隧道開挖和支護后不將位移清零。綜合探究開挖、支護、降水都完成后特征面的位移變化。

分析可知，在開挖和降水等因素作用下，豎向位移主要發生在拱頂和拱底，隧道上部由于應力釋放和滲流動水壓力的作用，整體位移向下，沉降最大值為19.12mm，隧道下部主要由于應力釋放發生卸荷回彈，整體位移向上，即產生隆起，隆起最大值為21.16mm，兩側巖體的變形趨勢較為平緩且數值較小。隧道上方和下方的沉降數值都比兩側巖體沉降數值大，因此在施工時要在拱頂、拱底處適當提高位移預留量和加強監測，并適當加強輔助支護措施。

4.4 計算結果對比分析

將表1，2中數據代入式(5)，可得在理論計算方法下突降水對聯絡通道襯砌沉降大小的影響。將解析解、數值模擬與現場實測得到的該工程實例水文地質參數背景下的襯砌沉降值進行對比分析，繪制出曲線如圖6所示。

圖6 3種方法獲得的沉降變化曲線

降水后較降水前位移發生了明顯改變，3種方法獲得的沉降規律基本吻合；對比可知，在數值模擬中沒有考慮二襯的支護效果，得到的沉降整體最大，說明上文中計算假定與簡化是合理的，且計算結果偏于安全；在理論計算中由于將左右線隧道作為固定端，所以通過此方法獲得的整體沉降小；在理論計算中將襯砌簡化為剛體，因此得到的處于襯砌同一橫截面的各點位移相同，而在數值模擬中襯砌不是剛體，因而得到的隧道上部位移整體比下部大，通過數值模擬方法得到的沉降規律更符合復雜的實際工況；最大沉降都位于距右線隧道右幫3.5m處，在該處附近沉降速率處于急劇變化的區域，處于不利狀態，應加強監測和維護。

5 應對突降水初襯安全控制措施

依據上述計算與實測成果，提出突降水引起隧道襯砌變形的相關控制措施。

1)加強支護 在此類工程隧道施工過程中，可以通過采取合適的施工工法、進行全斷面注漿加固等措施，改善圍巖條件，提高圍巖整體的承載能力。該橫通道屬于高窄異形隧道，宜采取雙層仰拱6導洞CRD工法施工。

2)在降水施工前，做好科學詳盡的探測和預測，為后續施工提供強有力的數據支撐。在施工過程中布置測線進行應力和位移監測，以便第一時間掌控隧道圍巖的穩定性情況，及時采取措施。優化施工方案對拱頂沉降及收斂情況是否受控進行評估，盡可能創造機械作業條件，對中支撐采取“錨桿錨固+角鋼連接+型鋼回撐”方式進行主動托換，施工快速。

3)目前針對該類工程施工的參考標準較少，需要完善相關風險評估方法及相關規章制度，提高重視程度。

6 結語

1)城市軌道交通施工突降水會使影響域內的隧道襯砌產生較大沉降，對隧道穩定性產生不可忽略的影響，表現為降水量越大，影響越明顯。

2)通過工程實測、理論計算、數值模擬3種方法得到了聯絡隧道襯砌的沉降規律。在長為12m的聯絡隧道襯砌中，得出距右線隧道右幫3.5m拱頂處沉降最大，通過數值模擬、工程實測、解析計算得到的最大沉降量分別為11.15，10，10mm。在隧道縱向方向向兩側延伸沉降趨勢為逐漸減小，變化速率也逐漸縮小。

3)在降水施工過程中必須在可控點加強監測。優化施工方案對拱頂沉降及收斂情況是否受控進行評估，盡可能創造機械作業條件，對中支撐采取“錨桿錨固+角鋼連接+型鋼回撐”方式進行主動托換，施工快速。