李 陽(yáng)，宮志群，趙 峰，高東波，姜 巖，王文龍

(1.中國(guó)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)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(shè)有限公司，重慶 401320； 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引言

因城市地下結(jié)構(gòu)往往處于含水層環(huán)境，施工環(huán)境復(fù)雜，可能會(huì)造成巨大的安全隱患。如果對(duì)含水層進(jìn)行突降水則會(huì)使含水層固結(jié)壓密，地層位移場(chǎng)發(fā)生改變，從而造成地下結(jié)構(gòu)體受力發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生附加變形、不均勻沉降、破壞等一系列危害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)重大事故。因此，研究地層突降水對(duì)地下結(jié)構(gòu)體受力、變形等影響成為地下結(jié)構(gòu)建設(shè)中必不可少的一項(xiàng)任務(wù)。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)工作者已經(jīng)開(kāi)展了一系列的分析研究。鄭剛等[1]利用ABAQUS軟件進(jìn)行了承壓層減壓降水對(duì)既有盾構(gòu)隧道影響的有限元仿真模擬，分析了既有隧道相對(duì)于承壓含水層處于不同位置時(shí)隧道周圍土體的應(yīng)力場(chǎng)、隧道橫斷面的內(nèi)力和變形；黃戡等[2]基于比奧固結(jié)理論，依據(jù)實(shí)際工程背景利用Midas GTS NX軟件建立數(shù)值模型，進(jìn)行了深基坑開(kāi)挖降水對(duì)鄰近地鐵隧道的影響分析；賈媛媛[3]等針對(duì)某一實(shí)際工程背景，將有限差分法與流固耦合理論相結(jié)合，分析了在隧道施工降水過(guò)程中既有市政管線隧道的受力特性及沉降規(guī)律；張文輝[4]通過(guò)區(qū)間抽水實(shí)驗(yàn)分析和對(duì)周邊沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比處理，得出了地層施工降水對(duì)城市軌道交通的影響范圍，并給出確定方法和簡(jiǎn)便計(jì)算公式。此外，對(duì)于基坑降水引起地表沉降的規(guī)律也有相關(guān)研究[5-8]。總的來(lái)說(shuō)，雖然目前關(guān)于城市軌道交通的降水工程已經(jīng)有了一定研究，但是現(xiàn)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(lái)的影響，而地層突降水對(duì)環(huán)境域內(nèi)既有地下結(jié)構(gòu)體變形影響的機(jī)制卻少見(jiàn)報(bào)道。本文以國(guó)內(nèi)首座集明、暗、蓋挖為一體的大型換乘車站進(jìn)站左右線隧道聯(lián)絡(luò)通道為工程背景，通過(guò)理論計(jì)算解析分析和三維數(shù)值模擬的方法來(lái)研究地層突降水對(duì)既有初次襯砌的影響，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較，以期對(duì)類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

研究區(qū)域?yàn)樾熘菔熊壍澜煌ǖ罔F1，2號(hào)線的換乘車站，是國(guó)內(nèi)首座集明、暗、蓋挖為一體的大型換乘車站。工程區(qū)域隧道為軌道交通左線和右線之間的2號(hào)風(fēng)道用橫通道。該廣場(chǎng)周邊環(huán)境十分敏感，工程與水文地質(zhì)問(wèn)題突出，車站結(jié)構(gòu)異常復(fù)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(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)土為主，土質(zhì)極不均勻，疏松易垮塌。土層下部為灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖、砂巖、頁(yè)巖互層，灰?guī)r中有填充型及無(wú)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(jìn)行施工，其隧道斷面為馬蹄形，采用CRD法施工，斷面支護(hù)形式均采用復(fù)合式襯砌，由初期支護(hù)、防水層、二次襯砌組成，初期支護(hù)采用噴射混凝土，二次襯砌采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土。

根據(jù)工程勘察報(bào)告揭示地下水按照賦存條件、含水介質(zhì)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(zhì)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(xù)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(guī)律，以距離右線隧道越近處水深越高。巖層中灰?guī)r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?；鶐r地下水賦存于寒武系灰?guī)r溶隙和巖層面擴(kuò)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(shè)計(jì)與試驗(yàn)

工程進(jìn)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(guī)律，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)抽降水試驗(yàn)。試驗(yàn)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(jìn)行降水，抽水功率不變，總結(jié)3種管徑下降水各時(shí)刻水位面變化情況，并對(duì)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(duì)比上述不同管徑降水管降水?dāng)?shù)據(jù)，65mm管徑降水效率較高、降水較穩(wěn)定，故實(shí)際應(yīng)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(lián)絡(luò)通道兩側(cè)邊墻位置分別設(shè)置5根長(zhǎng)20m的降水管，在邊墻周邊布設(shè)10根降水孔進(jìn)行排水，并在聯(lián)絡(luò)通道軸線上方布置測(cè)線，對(duì)其沉降值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 突降水對(duì)聯(lián)絡(luò)通道變形理論計(jì)算

首先建立城市軌道交通突降水對(duì)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(shù)K上增加1個(gè)剪切層G，以模擬土體之間的剪切剛度。以右線隧道與聯(lián)絡(luò)通道連接處為原點(diǎn)，通道軸向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系，將聯(lián)絡(luò)通道平均分為n段，則有n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，記原點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)0，聯(lián)絡(luò)通道與左線隧道的連接處為節(jié)點(diǎn)n，則聯(lián)絡(luò)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(shù)(kN/m3)；x為縱向坐標(biāo)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(lián)絡(luò)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(jié)點(diǎn)0之前和節(jié)點(diǎn)n之后分別增加1個(gè)虛節(jié)點(diǎn)n-1和n+1。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有限差分原理，式(1)各微分項(xiàng)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(shù)矩陣；[y]為撓度矩陣；[p]為荷載矩陣。將土體參數(shù)、支護(hù)參數(shù)帶入式(4)可得到襯砌沉降值。

由理論推導(dǎo)可得，聯(lián)絡(luò)通道變形與土體基床系數(shù)和剪切剛度有關(guān)，其中基床系數(shù)反映土體的壓縮性質(zhì)，體現(xiàn)在聯(lián)絡(luò)通道變形對(duì)土體產(chǎn)生擠壓效應(yīng)時(shí)，土體的壓縮變形和對(duì)聯(lián)絡(luò)通道的反作用力；剪切剛度反映土體抗剪能力，體現(xiàn)在聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形導(dǎo)致土體之間的差異壓縮。

4 數(shù)值計(jì)算建模分析

FLAC3D是一款基于三維顯式有限差分法的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，在計(jì)算中輸入命令config fluid，可以進(jìn)行瞬態(tài)滲流分析，此時(shí)孔隙水壓力隨著浸潤(rùn)面的變化而變化，F(xiàn)LAC3D會(huì)根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程、平衡方程、相容方程與邊界條件進(jìn)行求解。基于FLAC3D強(qiáng)大的計(jì)算功能，針對(duì)研究區(qū)域降水產(chǎn)生滲流力變化引起的襯砌變形問(wèn)題，建立的流固耦合數(shù)學(xué)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(shù)；ε為體應(yīng)變。

4.1 數(shù)值計(jì)算基本假定

1)巖體是均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)。

2)在進(jìn)行降水前，孔隙水處于靜止?fàn)顟B(tài)，在降水過(guò)程中滲流場(chǎng)重新分布為穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

3)地下水滲流過(guò)程中完全服從Darcy定理。

4)初始應(yīng)力僅考慮土體的自重應(yīng)力作用，不考慮構(gòu)造應(yīng)力作用。

5)主要研究對(duì)象為2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道，采用襯砌結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行支護(hù)。

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，隧道頂部覆有3種土體材料，左右線隧道與聯(lián)絡(luò)通道位于巖層之中，在對(duì)土體進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，采用Mohr-coulomb本構(gòu)模型。獲取所需土層基本參數(shù)如表1所示。

表1 土體參數(shù)

襯砌主要參數(shù)如表2所示。

表2 襯砌支護(hù)參數(shù)

4.2 數(shù)值模型建立

計(jì)算采用三維建模，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，模型計(jì)算深度取50m，橫向?qū)挾热?4m，縱向?qū)挾热?00m，土體和巖體采用實(shí)體單元，襯砌采用結(jié)構(gòu)單元。在模型中選用的均是實(shí)體單元，整個(gè)模型共剖分了205 843個(gè)節(jié)點(diǎn)，195 360個(gè)單元，具體建立的計(jì)算模型構(gòu)造、網(wǎng)格劃分和襯砌單元如圖2，3所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算整體三維模型

圖3 左右線隧道及聯(lián)絡(luò)通道襯砌

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

4.3 計(jì)算過(guò)程

本模擬將分為4個(gè)分析步：①平衡地應(yīng)力 對(duì)模型整體施加自重應(yīng)力場(chǎng)，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(yīng)力和靜水壓力下沉積固結(jié)，等待平衡后將位移調(diào)整為零，從而得到平衡地應(yīng)力后的土體模型；②開(kāi)挖土體 利用null模型對(duì)左右線隧道和聯(lián)絡(luò)通道按工法開(kāi)挖，其中聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖區(qū)域劃分如圖4所示，開(kāi)挖后的邊界視為自由排水邊界；③添加支護(hù) 在開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行襯砌支護(hù)，邊開(kāi)挖邊支護(hù)，支護(hù)完成后利用solve命令進(jìn)行求解，待穩(wěn)定后將位移清零，本工程二襯施工嚴(yán)重滯后于初期支護(hù)施工，因此在模擬中不考慮二襯作用；④降水施工 設(shè)置滲流模式進(jìn)行降水，隨后求解至穩(wěn)定。

圖4 聯(lián)絡(luò)通道施工開(kāi)挖區(qū)劃分

在降水計(jì)算完成后對(duì)聯(lián)絡(luò)通道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。分析可知，隧道周圍的巖體由于受到開(kāi)挖擾動(dòng)和孔隙水壓力場(chǎng)變化帶來(lái)的影響，應(yīng)力較初始呈水平狀態(tài)的豎直應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了較大改變。在離隧道開(kāi)挖較遠(yuǎn)的區(qū)域，應(yīng)力仍隨土層深度呈線性變化。在隧道拱頂與拱底處，由于應(yīng)力釋放的緣故，豎向應(yīng)力較小。而在隧道下幫區(qū)域的巖體由于承受了支護(hù)傳導(dǎo)的巖體，豎向應(yīng)力較大，局部區(qū)域受力形狀呈“耳朵狀”。

利用fish語(yǔ)句提取左右線隧道中間隧道部分的襯砌沉降進(jìn)行分析。在降水計(jì)算前于隧道拱頂布置測(cè)線以監(jiān)測(cè)沉降變化，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)繪制曲線如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線

由圖5分析可知：①在距右線隧道右?guī)?.5m處隧道拱頂沉降量最大，約為11.15mm。②在距右線隧道右?guī)?～3.5m處沉降逐漸增大，在距右線隧道右?guī)?.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(xiàn)在橫通道與左線隧道的交界面處。降水對(duì)左右線隧道產(chǎn)生的影響較小。③考慮降水時(shí)流固耦合效應(yīng)產(chǎn)生的沉降相對(duì)于降水之前有明顯增加。分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：滲流方向?yàn)橛缮贤铝鲃?dòng)，產(chǎn)生了向下的滲流力，隧道上方土體由于失水發(fā)生了固結(jié)沉降，導(dǎo)致了土體有效應(yīng)力的增加，二者共同作用使巖土體變形增加，進(jìn)而使隧道襯砌產(chǎn)生了向下的沉降。在滲流場(chǎng)作用下在距右線隧道右?guī)?～3.5m處橫通道上方雖然降水較大但在3.5m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(lián)絡(luò)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(shì)，因此沉降也逐漸減小。

將在降水完成后最大沉降點(diǎn)視為特征點(diǎn)，為分析特征點(diǎn)在降水過(guò)程中位移的變化情況，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在整個(gè)降水過(guò)程中，該點(diǎn)的位移絕對(duì)值逐漸增大，最大為11.15mm，整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)更大的沉降值，說(shuō)明降水結(jié)束后各點(diǎn)沉降值即為該點(diǎn)沉降經(jīng)歷的最大值，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。

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

分析可知，在開(kāi)挖和降水等因素作用下，豎向位移主要發(fā)生在拱頂和拱底，隧道上部由于應(yīng)力釋放和滲流動(dòng)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(yīng)力釋放發(fā)生卸荷回彈，整體位移向上，即產(chǎn)生隆起，隆起最大值為21.16mm，兩側(cè)巖體的變形趨勢(shì)較為平緩且數(shù)值較小。隧道上方和下方的沉降數(shù)值都比兩側(cè)巖體沉降數(shù)值大，因此在施工時(shí)要在拱頂、拱底處適當(dāng)提高位移預(yù)留量和加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并適當(dāng)加強(qiáng)輔助支護(hù)措施。

4.4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將表1，2中數(shù)據(jù)代入式(5)，可得在理論計(jì)算方法下突降水對(duì)聯(lián)絡(luò)通道襯砌沉降大小的影響。將解析解、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的該工程實(shí)例水文地質(zhì)參數(shù)背景下的襯砌沉降值進(jìn)行對(duì)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(fā)生了明顯改變，3種方法獲得的沉降規(guī)律基本吻合；對(duì)比可知，在數(shù)值模擬中沒(méi)有考慮二襯的支護(hù)效果，得到的沉降整體最大，說(shuō)明上文中計(jì)算假定與簡(jiǎn)化是合理的，且計(jì)算結(jié)果偏于安全；在理論計(jì)算中由于將左右線隧道作為固定端，所以通過(guò)此方法獲得的整體沉降??；在理論計(jì)算中將襯砌簡(jiǎn)化為剛體，因此得到的處于襯砌同一橫截面的各點(diǎn)位移相同，而在數(shù)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(guò)數(shù)值模擬方法得到的沉降規(guī)律更符合復(fù)雜的實(shí)際工況；最大沉降都位于距右線隧道右?guī)?.5m處，在該處附近沉降速率處于急劇變化的區(qū)域，處于不利狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和維護(hù)。

5 應(yīng)對(duì)突降水初襯安全控制措施

依據(jù)上述計(jì)算與實(shí)測(cè)成果，提出突降水引起隧道襯砌變形的相關(guān)控制措施。

1)加強(qiáng)支護(hù) 在此類工程隧道施工過(guò)程中，可以通過(guò)采取合適的施工工法、進(jìn)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(dǎo)洞CRD工法施工。

2)在降水施工前，做好科學(xué)詳盡的探測(cè)和預(yù)測(cè)，為后續(xù)施工提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。在施工過(guò)程中布置測(cè)線進(jìn)行應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)，以便第一時(shí)間掌控隧道圍巖的穩(wěn)定性情況，及時(shí)采取措施。優(yōu)化施工方案對(duì)拱頂沉降及收斂情況是否受控進(jìn)行評(píng)估，盡可能創(chuàng)造機(jī)械作業(yè)條件，對(duì)中支撐采取“錨桿錨固+角鋼連接+型鋼回?fù)巍狈绞竭M(jìn)行主動(dòng)托換，施工快速。

3)目前針對(duì)該類工程施工的參考標(biāo)準(zhǔn)較少，需要完善相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及相關(guān)規(guī)章制度，提高重視程度。

6 結(jié)語(yǔ)

1)城市軌道交通施工突降水會(huì)使影響域內(nèi)的隧道襯砌產(chǎn)生較大沉降，對(duì)隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽略的影響，表現(xiàn)為降水量越大，影響越明顯。

2)通過(guò)工程實(shí)測(cè)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬3種方法得到了聯(lián)絡(luò)隧道襯砌的沉降規(guī)律。在長(zhǎng)為12m的聯(lián)絡(luò)隧道襯砌中，得出距右線隧道右?guī)?.5m拱頂處沉降最大，通過(guò)數(shù)值模擬、工程實(shí)測(cè)、解析計(jì)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(cè)延伸沉降趨勢(shì)為逐漸減小，變化速率也逐漸縮小。

3)在降水施工過(guò)程中必須在可控點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。優(yōu)化施工方案對(duì)拱頂沉降及收斂情況是否受控進(jìn)行評(píng)估，盡可能創(chuàng)造機(jī)械作業(yè)條件，對(duì)中支撐采取“錨桿錨固+角鋼連接+型鋼回?fù)巍狈绞竭M(jìn)行主動(dòng)托換，施工快速。