不同浸水方式對黃土地鐵隧道變形影響研究

王二磊，梁慶國，王飛，向亮

不同浸水方式對黃土地鐵隧道變形影響研究

王二磊1, 2，梁慶國1, 2，王飛3，向亮3

(1. 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

以蘭州地鐵1號線拱星墩~焦家灣區(qū)間暗挖黃土隧道工程為背景，利用MIDAS-GTS軟件，采用密模修正法，針對自上而下浸水(地表積水入滲)型、自下而上浸水(地下水位抬升)型2種模型分別建立有限元數(shù)值模型，模擬隧道2種浸水方式對隧道變形的影響。研究結(jié)果表明：浸水方式的不同并沒有改變地面最終沉降量。2種浸水方式地表沉降均發(fā)生突變，“自下而上”的浸水方式地表沉降發(fā)展速率更快，深層黃土的濕陷更具危險(xiǎn)性、更不利于地鐵隧道的沉降監(jiān)測預(yù)警及防控。

黃土地鐵；數(shù)值模擬；濕陷性；沉降量

濕陷性黃土具有大孔隙、結(jié)構(gòu)性、濕陷性和水敏性等物理性質(zhì)，與其他巖土材料相比，其特殊性在于對水作用的特殊敏感性，它們在定量上的不可忽視性和在定性上的急速發(fā)展性，是黃土變形影響其上建筑物穩(wěn)定性的突出問題[1]。在濕陷性黃土地區(qū)修筑地鐵隧道時(shí)，由于事先未能消除地基的濕陷性以及人為的使水入侵地下導(dǎo)致黃土濕陷，從而造成建筑物地基失穩(wěn)而破壞，因此，當(dāng)發(fā)生道路、地下管線等被毀的事故時(shí)，進(jìn)而產(chǎn)生黃土濕陷危害。黃土的濕陷性是黃土最基本的特性。其危害對于地鐵隧道表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：1)隧道全部或部分位于濕陷性黃土層中時(shí)，黃土不均勻浸水后濕陷變形，增大了圍巖壓力，不均勻浸水還可形成不均勻的圍巖壓力；2)地鐵隧道在動(dòng)荷載作用下易產(chǎn)生變位，特別是自重濕陷性黃土地基上時(shí)，地基濕陷變形可使隧道產(chǎn)生不均勻沉降；3)由于地鐵為線狀工程，線路往往穿越不同的地貌單元，各地貌單元濕陷性黃土的厚度、場地濕陷類型和地基濕陷等級往往差異較大。因此，黃土濕陷性對地鐵工程的影響應(yīng)根據(jù)所在場地條件和擬建構(gòu)筑物特征做具體的分析評價(jià)[2]。蘭州地鐵1號線自2000年就開始了前期準(zhǔn)備和基礎(chǔ)性研究工作，直到2014年正式開工建設(shè)，經(jīng)歷了漫長的論證期，究其原因，與蘭州地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件不無關(guān)系。其中，廣泛分布于蘭州各地區(qū)的不同厚度的黃土層，尤其是自重濕陷性黃土，給地鐵工程的建設(shè)帶來了巨大挑戰(zhàn)。蘭州地區(qū)的黃土，不同于其他地區(qū)的黃土，其大多數(shù)具濕陷性，自重濕陷性強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)性也強(qiáng)，水敏性極高，承載能力低，各濕陷等級黃土在不同地區(qū)或同一地區(qū)雜亂分布，各個(gè)地區(qū)黃土層厚度相差懸殊等等一系列問題都對地鐵的建設(shè)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，對于地鐵工程穿越濕陷性黃土層時(shí)工程處理措施的選擇顯得尤為重要。目前關(guān)于黃土濕陷性不連續(xù)效應(yīng)，濕陷性黃土應(yīng)力應(yīng)變特性，黃土的浸水條件與機(jī)理，濕陷性黃土浸水對工程的影響，黃土隧道防排水，黃土隧道支護(hù)體系，黃土隧道病害處理以及黃土隧道理論計(jì)算的本構(gòu)模型[3-6]等都有較深入的研究，取得了大量研究成果。但針對淺埋暗挖法施工的黃土地鐵隧道，自上而下浸水(地表積水入滲)、自下而上浸水(地下水位抬升)隧道2種不同浸水方式對隧道變形的影響，施工期間圍巖浸水后的安全和長期穩(wěn)定性等問題還有待于進(jìn)一步的研究。

1 工程概況

蘭州市地鐵線路1號線1期工程全長26.53 km，布設(shè)于主城區(qū)內(nèi)，均為地下線，共 20個(gè)車站[7]。本文選取的拱星墩~焦家灣區(qū)間地貌單元屬黃河二級階地，是典型的黃土地貌，該區(qū)間長近800 m，區(qū)間隧道采用暗挖法臺階法施工，為雙向隧道。結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架；二襯為防水鋼筋混凝土；開挖前采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固地層并做超前支護(hù)輔助施工。隧道主要支護(hù)參數(shù)：隧道初期支護(hù)厚25 cm，采用C25早強(qiáng)混凝土；二次襯砌采用C55防水鋼筋混凝土，厚度為35cm；施工過程中，每側(cè)拱腳均設(shè)2根鎖腳錨管，鎖腳錨管采用長3.5 m的42鋼管，隧道斷面如圖1所示。

單位：mm

依據(jù)現(xiàn)場巖土工程勘察報(bào)告，濕陷性土層底線約在地下21.3 m，地下水位線約在地下19.6 m，，拱頂?shù)降乇砻娴木嚯x為14 m。該擬建工程場地?cái)嗝嬖诳碧缴疃?0 m范圍內(nèi)的地層主要由雜填土(Q4ml)、黃土狀土1 (Q4al)、黃土狀土2 (Q4al)和卵石(Q4al)、風(fēng)化砂(E1?2)組成。在該區(qū)間鉆探21個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)土層范圍各層分別取其平均值，土層厚度依次是雜填土(2.3 m)、黃土狀土1(11.35 m)、黃土狀土2(5.23 m)、卵石(7.42 m)和風(fēng)化砂巖(20.7 m)。取其中4個(gè)相鄰鉆探點(diǎn)，地層分類局部詳圖(見圖2)。

圖2 拱星墩~焦家灣區(qū)間局部地層圖

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 模型參數(shù)選取

目前，現(xiàn)有的模型大都適用于黏土或者是砂性土的計(jì)算，不能反映濕陷性黃土濕陷變形的特點(diǎn)。本文借鑒長安大學(xué)董曉明博士提出的“密模修正法”，提出一種模擬濕陷性黃土濕陷變形特點(diǎn)的方法，來解決黃土濕陷性的相關(guān)計(jì)算[8]。

“密模修正法”從分析土體力學(xué)性質(zhì)的3大指標(biāo)分別予以考慮：1)僅對變形模量0進(jìn)行修正；2)同時(shí)對黏聚力，摩擦角進(jìn)行修正；3)同時(shí)對變形模量0、黏聚力，摩擦角進(jìn)行修正[8?9]。其中方法1考慮黃土濕陷后的大變形特點(diǎn)，變形模量對變形影響最大，對變形模量進(jìn)行折減。方法2對其中的2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行折減，故又稱“折減法”，“折減法”一般應(yīng)用于基坑穩(wěn)定分析、邊坡穩(wěn)定分析中。本文采用方法3，因其涉及3個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，需要對黃土浸水濕陷后的所有指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)量測，較為真實(shí)地反映了黃土遇水濕陷后物理力學(xué)性質(zhì)的變化，故精度相對比較高。

隧道施工時(shí)，采用參數(shù)模擬隧道及周圍土體剛施工完的受力變形性狀；浸水后的圍巖參數(shù)結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)選取，由于本模型為理想狀態(tài)，未考慮變形模量。圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)見表1，原狀黃土液塑限如表2所示。

2.2 模擬工況

選取模型計(jì)算尺寸時(shí)，主要考慮模型的邊界效應(yīng)和計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率及數(shù)值計(jì)算收斂的難易程度。本模型的建立主要考慮了模型橫斷面的尺寸，忽略沿地鐵長度方向地層起伏的變化影響。地鐵隧道是一個(gè)狹長的建筑物，根據(jù)彈性力學(xué)的觀點(diǎn)，本計(jì)算可以將原型簡化成平面應(yīng)變問題進(jìn)行研究，即可以建立二維計(jì)算模型(圖3)。

表1 圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表2 黃土狀土1及黃土狀土2液塑限

圖3 模型工況分類

由于現(xiàn)場工程地質(zhì)的多樣性和現(xiàn)場條件的復(fù)雜性，不可能完全按照隧道的實(shí)際情況進(jìn)行完整的模擬?；贛IDAS-GTS軟件，采用密模修正法得出黃土地基濕陷后的土體參數(shù)。采用有限元模型分層建立，由上及下土層依次為：1雜填土(Q4ml)、黃土狀土1(Q4al)、黃土狀土2(Q4al)、卵石(Q4al)和風(fēng)化砂巖(E1?2)。

地表浸水入滲時(shí)，不考慮滲透壓力，模擬水自上而下的過程，即飽和區(qū)域由地表向下擴(kuò)大，直至與黃土狀土2層貫通(由于地下水位在黃土狀土2附近)。在此過程中引起圍巖有效荷重增大，浸水飽和范圍的土重度由天然含水土的濕重度變化為飽和重度，模型參數(shù)也由天然含水量參數(shù)變?yōu)轱柡秃繀?shù)。地下水位上升時(shí)，模擬水自下而上的過程，即飽和區(qū)域從黃土狀土2層上升至地表。由于各地區(qū)地下水位上升幅度和范圍均有不同，本文考慮極限狀態(tài)進(jìn)行模擬。在此過程中模型參數(shù)也由天然含水量參數(shù)變?yōu)轱柡秃繀?shù)[10]。

隧道頂取至地表，兩隧道軸向距離為15 m。取左、右、下邊界尺寸約為隧道直徑的4倍，上邊界取至地表[6]，拱頂至地表的距離為14 m。因此模型整體尺寸為74.5 m×47 m(橫向×豎向)，網(wǎng)格模型劃分如圖4所示。隧道上表面為自由邊，左、右邊界施加水平約束；下部邊界施加垂直約束。建模時(shí)，圍巖采用平面應(yīng)變單元，初支與二襯采用板單元。

圖4 二維模型網(wǎng)格劃分圖

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 地表位移沉降分析

隧道開挖引起的地表沉降曲線如圖5和圖6所示。地表沉降的大小和沉降槽寬度受到隧道埋深、開挖斷面形狀和尺寸、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、地層條件、地下水和施工條件等因素的影響[6]，從圖中可看出，沉降槽寬約50 m，圍巖浸水后對沉降槽的寬度基本不產(chǎn)生影響，沉降量與隧道圍巖中線距離呈二次拋物線分布。地表沉降槽符合正態(tài)分布曲線，與 Peck 公式[11?16]計(jì)算結(jié)果比較吻合。

圖5 模型I地表沉降值

從圖5和圖6中可以得出，自上而下浸水(地表積水入滲)型：4種工況最大地表沉降均發(fā)生在圍巖中線對應(yīng)的位置，在同一提取位置處I0，I1和I2相對地表沉降量沒有變化，I3地表沉降量發(fā)生明顯變化，其最大沉降量約為I0，I1和I2最大地表沉降量的1.8倍。

圖6 模型II地表沉降值

自下而上浸水(地下水位抬升)型：4種工況最大地表沉降均發(fā)生在圍巖中線對應(yīng)的位置，在同一提取位置處II0地表沉降量沒有變化，II1，II2和II3相對地表沉降量發(fā)生明顯變化，其最大沉降量約為II0最大地表沉降量的1.8倍。

當(dāng)?shù)罔F隧道發(fā)生“自上而下”和“自下而上”2種浸水情況時(shí)，浸水方式的不同并沒有改變地表的最終沉降量。

對比這2種工況下地表的沉降曲線發(fā)現(xiàn)，兩種浸水方式下地表沉降均發(fā)生突變，但是，當(dāng)?shù)罔F埋深較深時(shí)，“自下而上”的浸水方式濕陷性黃土浸水較快，先發(fā)生濕陷，地表沉降速率就會(huì)更快，發(fā)生深層黃土的濕陷更具危險(xiǎn)性、更不利于地鐵隧道的沉降監(jiān)測預(yù)警。

2.3.2 圍巖內(nèi)部位移沉降分析

圍巖內(nèi)部位移數(shù)據(jù)提取位置如圖7所示。

從圖8和圖9中對比看出，圍巖橫向位移基本不發(fā)生變化，表明兩種浸水方式對地鐵襯砌結(jié)構(gòu)橫向位移不產(chǎn)生太大影響；圍巖豎向位移與地表位移分布規(guī)律一致，且2種模型中，浸水結(jié)束后，在同一位置處，模型II的工況II2和II3豎向位移明顯大于模型I的工況I2和I3豎向位移，這就表明隧道沉降受地下水影響比地表水大，所以地下水位抬升時(shí)應(yīng)及時(shí)采取降水措施。2種浸水方式水分浸濕下層黃土?xí)r，自下而上的浸水方式襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移大于自上而下的浸水方式，自下而上的浸水方式更不利于地鐵隧道的穩(wěn)定；因此，地鐵隧道施工時(shí)應(yīng)做好采取防排水措施。本文數(shù)值模擬計(jì)算曲線中，地表沉降位移和圍巖內(nèi)部位移變化曲線均與《黃土公路隧道工程》[17]一書中新莊嶺隧道實(shí)測及數(shù)值模擬曲線一致。

圖7 數(shù)據(jù)提取位置

圖8 模型I圍巖水平位移與豎向位移

圖9 模型II圍巖水平位移與豎向位移

3 結(jié)論

1) 當(dāng)?shù)罔F隧道發(fā)生“自上而下”和“自下而上”2種浸水情況時(shí)，浸水方式的不同并沒有改變地表的最終沉降量。

2) 對比2種工況下地表的沉降曲線發(fā)現(xiàn)，2種浸水方式下地表沉降均發(fā)生突變，但是，當(dāng)?shù)罔F埋深較深時(shí)，“自下而上”的浸水方式濕陷性黃土浸水較快，先發(fā)生濕陷，地表沉降速率就會(huì)更快，發(fā)生深層黃土的濕陷更具危險(xiǎn)性、更不利于地鐵隧道的沉降監(jiān)測預(yù)警。

3) 圍巖橫向位移基本不發(fā)生變化，表明2種浸水方式對地鐵襯砌結(jié)構(gòu)橫向位移不產(chǎn)生太大影響。

4) 2種浸水方式水分浸濕下層黃土?xí)r，自下而上的浸水方式襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移大于自上而下的浸水方式，自下而上的浸水方式更不利于地鐵隧道的穩(wěn)定；因此，地鐵隧道應(yīng)提前采取防排水措施。

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Study on the influence of different flooding methods on the deformation of loess metro tunnel

WANG Erlei1, 2, LIANG Qingguo1, 2, WANG Fei3, XIANG Liang3

(1. Key Laboratory of Road & Bridge and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou 730070, China; 2. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 3. China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Based on the underground loess tunnel between Gongxingdun Station and Jiaojiawan Station on the metro line 1 in Lanzhou, two kinds of models of layered finite element numerical model were established by using MIDAS GTS software, where the mold modification method was adopted with the consideration of the two typical immersion types, i.e. from ground surface to bottom (surface water infiltration) and from bottom to ground surface (underground water level rising). The influence of two types of immersion on the tunnel deformation was simulated and analyzed. The results indicated that the different immersions did not change the final settlements. The settlement velocity of the immersion from bottom to ground surface (underground water level rising) were lager than the other type, i.e. the immersion type from ground surface to bottom (surface water infiltration), and might occur more suddenly. The collapse in deep loess was more unsafe and more adverse to the monitoring, early warning and prevention of metro tunnel settlement.

loess subway; numerical simulation; collapsibility; settlement

U45

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0156 ? 07

2016?12?23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41562013)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1139)

梁慶國(1976?)，男，甘肅臨洮人，教授，從事巖土工程方面的教學(xué)與研究工作；E?mail：18609317395@163.com