隧道穿越管線滲漏區土巖復合地層沉降研究

關三飛，張玉鳳，于辰雨，陳德剛，杜明慶，張素磊

（1.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033；2.青建集團股份公司，山東 青島 266071)

針對隧道穿越管線滲漏區土巖復合地層沉降的問題，國內外專家學者們進行了相關研究，代表性研究成果如下。

李加輝等[1]基于有限元軟件Midas/GTS 建立三維數值模型對曲線盾構隧道施工引起的地表沉降槽偏移規律展開研究，并依托工程實例檢測對結果進行對比驗證。汪維東等人[2]基于室內模型試驗得出管線滲漏條件對地表沉降、管線沉降以及隧道結構受力均產生不利影響。王海濤等人[3]對砂土地區隧道開挖-管線滲漏相互作用條件下地層變形機理展開室內模型試驗研究，得出不同滲漏區大小條件下地層位移變化規律。結果表明：隨著滲漏范圍的增加，地表整體沉降由負增長逐步轉化為正增長，且最大值增長規律呈二次函數形式。段超杰[4]采用兩階段分析法，通過理論公式、數值分析以及工程實例應用的手段對地鐵隧道施工過程中管線滲漏誘發的結構及地層位移與受力規律預測分析，最終提出相對應的處治措施。躍敬亭[5]基于模型試驗及數值分析手段研究了管線滲漏水對城市淺埋地鐵隧道施工的影響規律，結果表明由于滲漏水對圍巖的軟化性質，加速了隧道開挖后土體的失穩速率以及塌方程度。WangH T 等人[6-7]基于Pasternak 地基模型建立隧道施工擾動下滲漏管線的變形計算公式，并通過試驗進行了驗證。武天儀[8]以鄭州地區典型粉土地層為工程背景，基于模型試驗及數值分析方法對交通荷載-管線滲漏雙重因素影響下的地層穩定性展開分析。楊光[9]基于不同數值軟件預測了不同工況下管線滲漏水對地層的影響范圍，結果表明管線滲漏范圍與管線壓力、管線埋深以及管線破裂程度密切相關。

目前針對地鐵隧道穿越管線滲漏區變形機理課題的研究，主要針對單一土層，少見針對土巖復合地層的研究成果，而復合地層在實際工程中更為常見，因此，該方面的研究尚不完善。為此，本文擬依托某地鐵工程，對土巖復合地層地鐵隧道穿越管線滲漏區變形機理及控制技術進行深入研究，旨在揭示土巖復合地層地鐵隧道穿越管線滲漏區災變機理，同時也為土巖復合地層地鐵隧道穿越管線滲漏區地層沉降風險控制提供依據。

1 非飽和土流固耦合計算模型

以某地鐵實際背景為依托建立圖1 所示的數值計算模型，模型尺寸為寬60m×高50m，隧道埋深12m，隧道半徑3m、管道半徑0.6m。隧道上覆土層及巖層厚度分別為hs、hr，管道埋深hp。計算過程中約束模型的底部、左側、右側法向位移，上表面為自由面。土層及巖層均采用M-C 本構模型，詳細參數見表1，其中土層滲透系數1×10-7m/s，巖層滲透系數1×10-9m/s，入滲速率1×10-4m/s。

圖1 數值計算模型

表1 模型力學參數

3 管線滲漏對土巖復合地層隧道開挖穩定性研究

3.1 管線滲漏對隧道開挖穩定性的影響

圖2 為不同滲漏擴散時間下的飽和度云圖，隨著擴散時間的增加，滲漏范圍逐漸增大，當擴散至土巖分界面時，由于巖層滲漏系數顯著小于土層，因此擴散速率急劇下降，滲流將在土巖分界面上向兩側擴散，而向巖層擴散的速率顯著低于土層。

圖2 不同滲漏時間下地層飽和度云圖

地下管線滲漏水是造成地下隧道施工事故的重要誘因，受地下管線滲漏影響，滲漏區土層趨于飽和，其力學參數被弱化，在隧道施工擾動下管線滲漏區成為隧道上部的不利地層，對隧道及管線結構的整體穩定性產生不利影響。圖3 為不同滲漏擴散時間下地表沉降曲線。滲漏區隨著滲流擴散時間的增長而增大，由于考慮了地層參數隨飽和度的關聯劣化作用，因此，滲漏擴散時間越長地層參數劣化越顯著，因此隧道開挖擾動下地層穩定性越低，從圖3 可見地表沉降隨著滲漏擴散時間的增大顯著增大，當滲漏擴散時間為300h 時，地表沉降可達12.4mm，已嚴重影響路面正常交通或使用狀態。

圖3 不同滲漏時間下地表沉降曲線（3m+6m）

以隧道上覆地層中心軸線為研究目標對不同埋深位置的地層沉降規律進行分析，不同滲漏擴散時間下的地層沉降分布見圖4，管線滲漏嚴重影響地層沉降規律。滲漏時間為25h 時，隧道開挖擾動下管線上部沉降達8.95mm，下部沉降為5.32mm，而沉降隨著埋深增加而增長，其中在土巖界面處沉降速率增大，而隧道拱頂沉降達到了7.65mm，可見，管線上部地層的沉降顯著高于下部沉降。隨著管線滲漏時間的增長，滲漏范圍擴大，地層滲漏區參數劣化后導致隧道開挖后管線上部地層沉降越大，因此地表整體沉降更為顯著。當管線滲漏時間達到150h 時，此時滲漏區已接近土巖分界面，隧道上覆土層的結構整體穩定嚴重降低，在隧道開挖擾動下土層沉降量已大于巖層沉降，當管線滲漏時間達到300h時此現象更為顯著，可見管線滲漏對土層參數劣化效應致使其穩定性降低，進而對威脅地層整體穩定性。

圖4 隧道上覆地層沉降曲線

上述分析可見，管線滲漏對地層沉降產生顯著影響，接下來對管線滲漏對隧道開挖擾動下的地層塑性區進行分析。圖5 給出了同滲漏擴散時間下隧道開挖擾動下地層塑性區分布，結合圖2 的地層飽和度云圖，可知滲漏時間為25h 時，擴散區域僅在管道附近，因此隧道開挖擾動下，地層塑性區緊鄰隧道周邊及管線滲漏區附近，由于地表沉降過大也出現張拉屈服現象；當滲漏時間達到50～100h 后，滲漏區域持續擴展，由于滲漏范圍仍分布于土層中，對巖層影響很小，因此隧道開挖后巖層中的塑性區仍保持不變，且土層中的塑性區與其滲漏區范圍息息相關。當滲漏時間達到150h 小時后，滲漏區范圍已位于土巖分界面上方，考慮到地層參數隨其飽和度的劣化效應，隧道開挖擾動下上覆土層由于其承載能力降低，因此隧道開挖后在土巖分界面下部的巖層中出現了塑性屈服現象；隨著滲漏繼續擴展，滲漏至巖層時滲漏擴展速率顯著下降，滲漏區在土層中持續擴展、飽和度也增大。當滲漏時間達到300h 后，隧道開挖擾動下管道下部土層均進入塑性屈服狀態，而隧道拱頂上方的巖層也出現較大范圍的塑性區。可預見的是，當滲流區擴展至巖層時，巖層穩定性亦會出現較大幅度的下降，將會嚴重威脅隧道施工安全；此外當滲流區在土層中進一步擴展時，地層穩定性逐漸降低、沉降量增大，當隧道上覆巖層不足以承擔其松動荷載及形變荷載時，不可避免的發生坍塌。

圖5 隧道開挖擾動下地層塑性區分布

4 結論

本文通過FLAC3D 模擬，建立了隧道穿越管線滲漏區土巖復合地層流固耦合地層模型，研究單一工況不同滲漏時間的隧道開挖擾動下地表沉降以及塑性區發展，研究表明，隨著管線滲漏時間的增長，滲漏范圍擴大，地層滲漏區參數劣化后導致隧道開挖后管線上部地層沉降越大，地表整體沉降更為顯著，最終當滲漏擴散時間為300h 時，地表沉降可達12.4mm，已嚴重影響路面正常交通或使用狀態。地層塑性區也由最初的隧道周邊及管線滲漏區附近的土層，逐漸向下擴展，直至土巖分界面下部的巖層也出現較大范圍塑性屈服現象。