不同水位下盾構(gòu)穿越斷裂帶的地表沉降研究★

王靖?jìng)?/p>

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

1 概述

隨著中國(guó)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，國(guó)家“十四五”規(guī)劃中的重大工程多數(shù)在西部地區(qū)，烏魯木齊也迎來(lái)了“地鐵時(shí)代”。但該區(qū)域由于大地構(gòu)造上位于青藏?cái)鄩K的邊緣地帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育，現(xiàn)今構(gòu)造-地震活動(dòng)十分強(qiáng)烈。斷層是廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造，其巖體松散破碎，且多數(shù)富水性良好，水文條件復(fù)雜[1]。根據(jù)地下水的埋藏條件，可以把地下水劃分為包氣帶水、潛水和承壓水三類。其中潛水是指埋藏在地表以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上且具有自由水面的地下水; 承壓水是指充滿于兩個(gè)穩(wěn)定隔水層之間的，含水層中承受靜水壓力的地下水。鉆孔鉆穿隔水頂板才能見到承壓水，由于壓力作用，承壓水沿鉆孔上升，達(dá)到一定的高度后穩(wěn)定下來(lái)，此上升后的水面高程稱為承壓水位或者測(cè)壓水位，各點(diǎn)的承壓水位連線稱為承壓水面。在隧道工程施工中任何工藝方法都會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng)，造成隧道產(chǎn)生地表沉降，其中斷裂帶和水稱為影響盾構(gòu)隧道施工的兩個(gè)主要因素，特別是當(dāng)斷裂帶與富水條件相結(jié)合的情況下，不正確的施工方法會(huì)造成地表沉降過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成建筑物傾斜、地下管線破壞、橋梁道路損毀等災(zāi)害。

已有許多學(xué)者對(duì)隧道穿越斷裂帶或地下水的問(wèn)題進(jìn)行了研究。甘鵬路[2]首先總結(jié)了地表沉降發(fā)展的三個(gè)階段和快速沉降階段的影響范圍，然后歸納了拱頂下沉量與地表沉降量的比值區(qū)間，最后采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)橫、縱向地表沉降槽進(jìn)行擬合，從三方面揭示了施工過(guò)程中富水軟弱地層的地表沉降規(guī)律。鄭剛等[3]對(duì)承壓含水層減壓降水對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行了有限元仿真模擬，模擬結(jié)果揭示了當(dāng)隧道位于承壓水不同位置時(shí)，抽水對(duì)隧道產(chǎn)生的變形影響也不同。王桐[4]研究了非對(duì)稱水壓力對(duì)隧道施工的影響，研究結(jié)果表明隨著管片兩側(cè)水壓力比值的增加，地表沉降的最大值也在增加。龔林金等[5]利用Midas GTS 模擬了隧道穿越不同傾角的斷層破碎帶的圍巖變形情況，模擬結(jié)果揭示了不同傾角的斷裂帶對(duì)地表沉降的影響也不同。林志斌等[6]利用滲流應(yīng)力耦合模型研究了地下水對(duì)軟土盾構(gòu)隧道施工的影響規(guī)律。姜克寒等[7]利用數(shù)值模擬軟件對(duì)斷層破碎帶中泥水盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，過(guò)大的水倉(cāng)壓力會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，造成地表沉降量增大。

綜上，已查到的文獻(xiàn)大多只研究斷裂帶或不同水位的地下水對(duì)地表沉降的影響，針對(duì)不同水位條件下盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶的地表沉降卻鮮有研究。以烏魯木齊軌道交通2 號(hào)線02 合同段馬料地站—平川路站盾構(gòu)暗挖區(qū)間為研究對(duì)象，利用Midas GTS NX 數(shù)值模擬軟件，研究盾構(gòu)隧道在不同水位的潛水，承壓水條件下穿越斷裂帶的地表沉降規(guī)律。為烏魯木齊地鐵2 號(hào)線馬—平暗挖區(qū)間的安全施工提供理論依據(jù)，也對(duì)今后相似的工程有著指導(dǎo)價(jià)值。

2 馬—平區(qū)間工程概況

馬料地站—平川路站區(qū)間自馬料地站起，沿馬料地街路下向西南敷設(shè)，后以400 m 轉(zhuǎn)彎半徑向北轉(zhuǎn)至平川路路下，之后進(jìn)入平川路站止。本線路起點(diǎn)里程為ZDK17 +405．205，終點(diǎn)里程為ZDK18 +300．092，區(qū)間全長(zhǎng)932．763 m，隧道埋深約在10．04 m ～17．92 m。區(qū)間穿越西山斷裂帶北支及高水頭承壓水地層(部分區(qū)域承壓水水頭高于地面) 。整段區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)由馬料地站始發(fā)，至平川路站接收，其工程簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 馬—平區(qū)間工程簡(jiǎn)圖

2．1 斷裂帶概況

線路在馬料地站—平川路站區(qū)間的ZDK17 +844．383 ～ZDK17 +901．047 之間大角度通過(guò)西山斷裂東段北支(寬度52 m) ，與線路夾角約為66°。西山斷裂帶北支走向?yàn)镹E，斷面傾向?yàn)镹，傾角多在40°以上，性質(zhì)以向南的逆沖為主。該斷裂形成于中更新世中晚期，最新活動(dòng)時(shí)間為晚更新世晚期，屬晚更新世活動(dòng)斷層[8]。斷裂帶巖性主要為煤層，洞身主要穿越地層為圓礫、泥巖，部分粉土。

2．2 水文概況

根據(jù)勘探揭示的地層結(jié)構(gòu)，勘探深度內(nèi)地下水分為第四系雙層結(jié)構(gòu)松散巖類孔隙潛水與承壓水。

1) 松散層孔隙潛水:潛水主要埋藏于粉土中，水位埋深2 m ～8．5 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高849．4 m ～860．8 m，含水層厚度9 m ～35 m。馬料地站至斷裂帶(含) 段潛水換算涌水量15．21 m3/d，富水性貧乏，滲透系數(shù)0．902 m/d，經(jīng)驗(yàn)給水度0．05。斷裂帶至平川路站段潛水換算涌水量454．102 m3/d，富水性中等，滲透系數(shù)7．18 m/d，經(jīng)驗(yàn)給水度0．05。

2) 承壓水:根據(jù)《烏魯木齊市城市軌道交通2 號(hào)線一期工程承壓水專項(xiàng)勘察與研究報(bào)告(農(nóng)業(yè)大學(xué)站至平川路站(含) 區(qū)段) 》的資料顯示，本區(qū)間承壓水以西山斷裂北支為界分為如下兩個(gè)區(qū)段:

a．馬料地站至斷裂帶(含) 段下層承壓含水層可分為高承壓區(qū)(自流區(qū)) 和微承壓區(qū)兩部分。高承壓區(qū)含水層主要分布范圍是馬料地街北一巷到西山斷裂北支，沿西山斷裂北支方向呈條帶狀分布，含水層巖性為第四系圓礫層，頂板埋深30．8 m ～39．40 m，標(biāo)高821．32 m ～832．5 m，底板埋深44．5 m ～57．2 m，標(biāo)高806．36 m ～818．8 m，含水層厚度4．7 m ～19．0 m，自西山斷裂北支向馬料地街北一巷逐漸變薄。微承壓區(qū)分布于馬料地街北一巷到馬料地站，含水層巖性為第四系圓礫，頂板埋深19．8 m ～23． 0 m，標(biāo)高837． 8 m ～840． 0 m，底板埋深23．3 m ～25 m，標(biāo)高834．3 m ～838．0 m，含水層厚度2 m ～3．5 m。承壓含水層底板，巖性為侏羅系礫巖，局部夾有泥巖，頂板埋深44． 5 m ～57． 2 m，標(biāo)高806． 36 m ～818．8 m。承壓水(自流水) 水位埋深31．8 m ～42．2 m，標(biāo)高831．3 m ～817．7 m，自流水頭地面以上3 m ～6 m，標(biāo)高866．72 m ～867．06 m，單井涌水量136．11 m3/d ～2 387．82 m3/d，富 水 性 中 等 ～ 豐 富，滲 透 系 數(shù)7．49 m/d ～34．46 m/d。隧底最大承壓水頭高度30．2 m。

b．?dāng)嗔褞е疗酱氛鞠聦映袎汉畬臃植疾贿B續(xù)，主要分布范圍是斷層到其以北50 m，含水層巖性為第四系圓礫層，頂板埋深12．2 m ～17．2 m，標(biāo)高842．9 m ～850．6 m，底板埋深16． 9 m ～18． 7 m，標(biāo)高841． 4 m ～845．9 m，含水層厚度1．5 m ～4．7 m。承壓含水層底板，巖性為侏羅系泥巖，局部夾有砂巖，頂板埋深16．9 m ～18．7 m，標(biāo)高841．4 m ～845．9 m。下層承壓水水位埋深11．1 m ～16．0 m，標(biāo)高837．6 m ～851．4 m，自流水頭地面以下1．91 m ～2．50 m，標(biāo)高857．57 m ～858．24 m，單井涌水量202．78 m3/d，富水性中等，滲透系數(shù)12 m/d，釋水系數(shù)4．44 ×10-4。隧底最大承壓水頭高度24．0 m。

3 數(shù)值模擬

3．1 概述

數(shù)值模擬采用Midas GTS NX 模擬軟件建立三個(gè)模型，分別模擬當(dāng)潛水水位在隧道底以下、隧道頂以上以及既包含潛水又包含承壓水的條件下隧道穿越斷裂帶的地表沉降。

3．2 模型建立

為簡(jiǎn)化計(jì)算，做出如下假設(shè): 設(shè)地表水平，土體為理想彈塑性體，隧道沿縱向水平，模型中采用全斷面開挖。隧道埋深為15．6 m，盾構(gòu)隧道直徑為6．74 m，隧道施工時(shí)僅對(duì)距離隧道中心點(diǎn)3 倍～5 倍的土體范圍內(nèi)產(chǎn)生擾動(dòng)，截取斷裂帶周圍長(zhǎng)113 m 的土體進(jìn)行模擬，因此確定原型土層的尺寸范圍為57．5 m(寬) ×57．5 m(深) ×113 m(長(zhǎng)) 。斷裂帶用傾角為45°的煤層來(lái)表示。盾殼和注漿用板單元模擬，管片和巖土層用實(shí)體單元模擬。盾構(gòu)掘進(jìn)開挖時(shí)，假設(shè)掘進(jìn)壓力P將在盾構(gòu)掘進(jìn)面上產(chǎn)生作用。巖土層材料特性選擇摩爾-庫(kù)侖模型，結(jié)構(gòu)材料特性選擇彈性模型。各土層和結(jié)構(gòu)使用的材料屬性、結(jié)構(gòu)特性見表1，表2。

表1 實(shí)體材料特性

表2 結(jié)構(gòu)特性

建立好的隧道開挖模型如圖2 所示，隧道模型如圖3所示。管片內(nèi)徑為6 m，厚度為0．37 m，寬1．5 m。將盾構(gòu)機(jī)推力P施加在兩管片之間，P=5 000 kN/m2。故設(shè)隧道3 m 為一循環(huán)，共45 循環(huán)。每施作一循環(huán)，要對(duì)管片和巖土體之間進(jìn)行噴混。為了提高計(jì)算精度，將隧道部分網(wǎng)格尺寸設(shè)為1 m(見圖3) ，巖土層部分網(wǎng)格尺寸設(shè)為4 m。利用析取功能在外徑的面上建立盾殼單元。因?yàn)槎軜?gòu)隧道防水處理較好，故不考慮滲流影響，求解類型選擇應(yīng)力。

圖2 隧道開挖模型

圖3 隧道內(nèi)徑網(wǎng)格劃分

3．3 水位設(shè)置

在定義施工階段界面可以定義模型水位。潛水水位使用定義整體水位命令，直接輸入地下水位高度或選擇預(yù)先定義的水位函數(shù)設(shè)置水位，設(shè)置的水位適用于整個(gè)模型。承壓水水位使用定義網(wǎng)格組水位，將含承壓水的網(wǎng)格組輸入承壓水水位。模型輸入了整體地下水位并定義了網(wǎng)格組地下水的情況下，計(jì)算時(shí)優(yōu)先按網(wǎng)格組地下水位考慮，只在未定義單元網(wǎng)格組地下水位的網(wǎng)格組上按整體地下水位計(jì)算。在分析控制界面中勾選自動(dòng)考慮水壓力命令。

設(shè)置3 種不同的水位條件。模型一:只有潛水，潛水位在隧道底以下，水位高度(從模型底面到水位面的距離) 為31 m，如圖4 所示。模型二: 只有潛水，潛水位在隧道頂以上，水位高度為54．5 m，如圖5 所示。模型三:既有潛水，又有承壓水，其中潛水水位高度為54．5 m，承壓水水位高度為59．5 m，其潛水和承壓水所在地層如圖6 所示，設(shè)置好的模型如圖7 所示。3 個(gè)模型除水位設(shè)置不同外，其他條件均完全相同。

圖4 模型一

圖5 模型二

圖6 潛水和承壓水所在位置

圖7 模型三

4 結(jié)果分析

計(jì)算完成后，3 個(gè)模型在隧道開挖結(jié)束后Z方向上的位移云圖如圖8 ～圖10 所示，提取表面節(jié)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，可以對(duì)3 個(gè)模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8 模型一Z 方向位移云圖

圖9 模型二Z 方向位移云圖

圖10 模型三Z 方向位移云圖

分別提取3 個(gè)模型的兩個(gè)截面沉降數(shù)據(jù)，兩個(gè)截面位置分別為x=32．2 m，x=56．4 m 處，其中x=32．2 m，x=56．4 m 處都經(jīng)過(guò)斷裂帶。x=32．2 m 處模型一只存在隧道底以下的潛水;模型二只存在隧道頂以上的潛水;模型三存在潛水和承壓水，其中承壓水區(qū)在隧道底以下，隧道從承壓水區(qū)上方穿過(guò)。x=56．4 m 處模型一只存在隧道底以下的潛水;模型二只存在隧道頂以上的潛水;模型三既存在潛水，又存在承壓水，其中隧道穿過(guò)承壓水區(qū)。x=32．2 m 處的對(duì)比結(jié)果如圖11 所示，x=56．4 m處的對(duì)比結(jié)果如圖12 所示。

圖12 x=56.4 m 處沉降值對(duì)比

從圖11 可知:在截面x=32．2 m 處地表沉降量最大的是模型一，其地表沉降量為1．23 mm ～-20．64 mm;其次為模型二，其地表沉降量為0．68 mm ～-8．84 mm; 地表沉降量最小的為模型三，其地表沉降量為1．27 mm ～-6．95 mm。

圖11 x=32.2 m 處沉降值對(duì)比

從圖12 可知:在截面x=56．4 m 處地表沉降量最大的是模型一，其地表沉降量為0．83 mm ～-19．13 mm;其次為模型二，其地表沉降量為0．39 mm ～-11．84 mm;地表沉降量最小的為模型三，其地表沉降量為0．49 mm ～-8．69 mm。

5 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬研究不同水位條件下盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶的地表沉降，可以得出如下結(jié)論:

1) 在盾構(gòu)隧道經(jīng)過(guò)斷裂帶的情況下，地下潛水水位在隧道底以下的地表沉降量比潛水水位在隧道頂以上的地表沉降量大。潛水水位在隧道底以下的最大地表沉降量約是潛水水位在隧道頂以上的最大地表沉降量的161% ～233%。

2) 在盾構(gòu)隧道經(jīng)過(guò)斷裂帶的情況下，當(dāng)?shù)叵录劝瑵撍职袎核页袎核谒淼赖滓韵聲r(shí)，其地表沉降量比只包含潛水的地表沉降量小。當(dāng)?shù)叵录劝瑵撍职袎核页袎核谒淼赖滓韵聲r(shí)，其最大地表沉降量是潛水水位在隧道底以下的最大地表沉降量的33．7%，是潛水水位在隧道頂以上的最大地表沉降量的78．6%。

3) 在盾構(gòu)隧道經(jīng)過(guò)斷裂帶的情況下，當(dāng)?shù)叵录劝瑵撍职袎核宜淼来┻^(guò)承壓水區(qū)時(shí)，其地表沉降量比只包含潛水的地表沉降量小。當(dāng)?shù)叵录劝瑵撍职袎核宜淼来┻^(guò)承壓水區(qū)時(shí)，其最大地表沉降量是潛水水位在隧道底以下的最大地表沉降量的45．4%，是潛水水位在隧道頂以上的最大地表沉降量的73．4%。

4) 在盾構(gòu)隧道經(jīng)過(guò)斷裂帶且地下既包含潛水又包含承壓水的情況下，承壓水在隧道底以下的地表沉降量比隧道穿過(guò)承壓水的地表沉降量小，承壓水在隧道底以下的最大地表沉降量大約是隧道穿過(guò)承壓水的最大地表沉降量的80%。