茍玉軒,黃強兵,2,王立新,閆鈺豐,賈少春
(1.長安大學地質(zhì)工程系,西安 710054; 2.長安大學巖土與地下工程研究所,西安 710054; 3.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)
近年來,我國城市軌道交通建設規(guī)模之大、速度之快,前所未有!這使我國城市地鐵建設面臨各種特殊地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)。但我國城市地質(zhì)條件復雜,存在明顯的地域性,從東部沿海地區(qū)城市為代表的軟土沉降問題,到西南、中南地區(qū)的巖溶問題,再到西部內(nèi)陸的黃土濕陷性問題,還有地裂縫、活動斷裂這些特殊地質(zhì)問題等[1-2],其中地裂縫特殊地質(zhì)危害較為嚴重,西安市便是城市地鐵建設受地裂縫影響最為嚴重的城市,這里分布發(fā)育的地裂縫目前達到14條之多,在國內(nèi)外實屬罕見,且部分還處于活動之中,城市地鐵隧道的建設由于要穿越地裂縫而勢必繞不開這一問題:地層錯動產(chǎn)生的累積變形將導致地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,影響地鐵隧道的正常運營[3]。目前西安地鐵隧道穿越地裂縫地段均采用淺埋暗挖法,隧道結(jié)構(gòu)分段設縫、擴大斷面的措施,來適應地裂縫的大變形并在襯砌可能出現(xiàn)問題時及時補救,但這一選擇便意味著工期長、成本高、風險大,尤其是當?shù)罔F線路穿越多條地裂縫時這些問題尤為突出!近期隨著西安地鐵第三期規(guī)劃建設的實施,具有更加安全、更低成本和更短工期等優(yōu)點的盾構(gòu)隧道能否穿越地裂縫一直爭論不休,多大的位錯量地裂縫盾構(gòu)能通過,位錯量多大時不能通過,通縫拼裝和錯縫拼裝方式在地裂縫環(huán)境下適應性又如何?這些問題從西安地鐵建設開始至今,一直沒有定論。
關于地裂縫場地地鐵隧道風險及設防問題,許多專家學者開展了大量研究,但以往相關研究基本集中于暗挖隧道方面,包括地裂縫活動對暗挖隧道的影響機理及相應的防治措施等[3-5];而關于盾構(gòu)隧道穿越地裂縫場地的適應性等方面的研究鮮有文獻報道,僅黃強兵[5]、胡志平等[6]開展過盾構(gòu)隧道穿越地裂縫帶的大型物理模型試驗,分析了地裂縫活動引起的盾構(gòu)管片變形破壞特征和影響范圍;袁利群[7]等研究了穿越出露及隱伏地裂縫的地鐵盾構(gòu)隧道兩種工況,發(fā)現(xiàn)隱伏地裂縫影響范圍和深度大于出露地裂縫,其后基本未見其他相關研究。
目前盾構(gòu)隧道的拼裝方式基本分為兩種,即通縫拼裝和錯縫拼裝(圖1)。由于管片的拼裝方式對于管片襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)的力學行為以及變形影響顯著[8],錯縫拼裝隧道相較于通縫拼裝的隧道由于提高了管片接頭剛度,繼而整體剛度也得到加強,變形較?。欢p拼裝因為各環(huán)相同位置的接頭使得各環(huán)變形特性相同,變形能力又強于錯縫[9]。目前國內(nèi)除了以上海地區(qū)為代表的城市采用的通縫隧道,大多數(shù)城市基本均采用錯縫隧道[10],但在地裂縫發(fā)育的西安地區(qū),地裂縫錯動使地層產(chǎn)生差異沉降,需要考慮以通縫隧道“適應”變形還是以錯縫隧道“抵抗”變形,比較通縫和錯縫盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在地裂縫錯動時的力學行為,能夠確定地裂縫場地地鐵盾構(gòu)隧道合適的管片拼裝方式。
圖1 盾構(gòu)隧道拼裝方式
基于此,選取西安典型的地裂縫場地地層,以擬建西安地鐵8號線盾構(gòu)隧道正交穿越地裂縫帶為工程背景,考慮地層-結(jié)構(gòu)法建立了三維有限元計算模型,研究地裂縫位錯作用下不同拼裝方式的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的力學行為響應,通過通縫和錯縫拼裝的盾構(gòu)隧道沉降變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況的對比分析,提出盾構(gòu)隧道穿越地裂縫的拼裝方式的建議,以期為西安地鐵采用盾構(gòu)隧道穿越地裂縫場地的合理性和適應性提供科學依據(jù)。
西安地裂縫是構(gòu)造控制、超采地下水誘導而引起的典型城市地質(zhì)災害。目前,西安地裂縫延伸長度約160 km,其中地表出露超過70 km,覆蓋城區(qū)面積超過250 km2[1]。西安市啟動了第三輪城市軌道交通線路的建設,其中最重要的是西安地鐵8號線,該線為市域環(huán)線,為西安市軌道交通線網(wǎng)中的主要骨干線,設計線路幾乎穿越了所有14條地裂縫(與地裂縫相交29處),如圖2所示。
面對地鐵8號線穿越如此之多的地裂縫,若仍然按照以往的線路設計在地裂縫段采取暗挖法,面對的成本過高、進度過慢都是亟需解決的問題。為此,建設單位擬選擇地鐵8號線地裂縫場地中活動性較弱的地裂縫地段作為試驗段,首次考慮嘗試采用盾構(gòu)直接通過地裂縫帶,目前正在進行可行性論證研究,其中盾構(gòu)的選型即通縫和錯縫盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在地裂縫錯動時的各自力學行為,將有助于分析地裂縫環(huán)境下的適應性。
圖2 地鐵8號線與地裂縫相交示意
根據(jù)西安地鐵8號線穿越的地層情況,本次模型選取了f9地裂縫場地,涉及的具體地層呈現(xiàn)出明顯的階梯型錯斷(圖3),f9地裂縫總體走向NE75°,傾向SE,總長度7.2 km,發(fā)育帶寬度30~140 m,地表出露總長度約5.0 km[2]。地層及管片材料的物理力學參數(shù)如表1所示。盾構(gòu)隧道的外徑為6.2 m,內(nèi)徑為5.5 m,標準幅寬1.5 m,分塊采用“1+2+3”模式,如圖4所示。盾構(gòu)隧道拱頂埋深約為12 m,地裂縫傾角為80°。
圖3 f9地裂縫剖面
表1 材料參數(shù)
圖4 盾構(gòu)隧道截面(單位:m)
為了降低邊界對計算結(jié)果的影響,模型邊界距離隧道邊界至少3倍隧道外徑[11],空間上模型尺寸取為長×寬×高=75 m×50 m×40 m,盾構(gòu)隧道縱向共計50環(huán),隧道軸線與地裂縫正交于第26環(huán),其中1~25環(huán)位于上盤,27~50環(huán)位于下盤。計算模型如圖5所示。
圖5 數(shù)值計算模型(單位:m)
管片襯砌接頭主要控制盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)力學性態(tài),關于盾構(gòu)隧道接頭的模擬,許多學者提出了不同計算模型,如彈簧模型[12-13]、實體單元模型[13-14]等。不同模型側(cè)重點不一,彈簧模型難以模擬隧道結(jié)構(gòu)與地層土體的共同作用,而實體單元模型卻有著計算量大和難以收斂的缺陷。為了反映地裂縫對隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍,因此模型尺寸較大,考慮到計算效率和管片與地層的相互作用,采用了殼-界面模型,即盾構(gòu)隧道管片采用殼單元模擬,管片之間和管片環(huán)之間通過殼接觸單元相連[15]。殼接觸單元除了在單元坐標系坐標軸方向有3個平動自由度外,多了1個沿隧道縱向的轉(zhuǎn)角自由度,在受力后節(jié)點會產(chǎn)生3個方向的接觸力以及1個軸向彎矩
(1)
則其在單元坐標系中對應的3個相對平動位移和1個相對角位移[Δu](以殼單元中心點計)可表示為
(2)
其中,fx和Δux分別為法向接觸力和法向相對位移;fy和Δuy以及fz和Δuz分別為切向接觸力和切向相對位移;my和Δφy分別為縱向彎矩和轉(zhuǎn)角;t為殼接觸單元頂面;b為接觸單元底面。如圖6所示。
圖6 接觸單元相對位移
由于增加了轉(zhuǎn)角自由度,這樣可以模擬管片接縫處的非線性。單元坐標系的殼接觸單元剛度矩陣在普通接觸的基礎上由式(3)變?yōu)槭?4)
(3)
(4)
其中,kn為法向剛度;ks為切向剛度;kθy為繞縱軸的旋轉(zhuǎn)剛度。
則接頭處的變形位移[Δu]和單元的接觸力[F]之間的關系為
[F]=[K′]·[Δu]
(5)
殼接觸單元以界面接觸的形式,沿著管片接頭和環(huán)間接頭均勻布置若干。關于接頭剛度的取值,根據(jù)Gijsbers和Hordijk的研究,剪切接頭剛度很大程度上取決于施加的法向力,通??杉俣?06kN/m[16]。因此,本次模擬環(huán)縫接頭的殼接觸單元剪切剛度取為106kN/m。
針對縱縫接頭的非線性轉(zhuǎn)動行為的分析估算,首先由Jassen[17]提出,其假定了彈性混凝土行為并計算了轉(zhuǎn)動剛度,接頭剛度的計算
(6)
式中,b為管片幅寬;lt為接觸區(qū)域;Ec為混凝土彈性模量;N為法向力;M為彎矩。
Litsas等[18]通過比較理論計算和有限元模擬,發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果吻合較好,因此,采用近似計算接頭旋轉(zhuǎn)剛度。由于盾構(gòu)隧道管片襯砌通常處于壓縮狀態(tài),其接縫也主要在壓力下工作,接頭通常是處于閉合狀態(tài),計算時便可假定lt等于管片襯砌的厚度。
模型盾構(gòu)隧道每環(huán)管片由6塊組成,錯縫拼裝時相鄰兩環(huán)錯角為22.5°。以兩環(huán)為例,管片拼裝模型如圖7所示,管片接頭模型如圖8所示。
圖7 管片拼裝模型
圖8 管片接頭模型
西安地裂縫主體傾向南,傾角為70°~80°,作正斷層式的活動,如圖9所示。研究表明,地裂縫活動屬于三維空間運動,即同時發(fā)生垂直位移、水平引張和水平扭動,其中垂直位移量最大,拉張次之,水平最小[2]。工程上一般僅考慮地裂縫垂直位錯。根據(jù)野外調(diào)查,地裂縫帶通常為粉土、細砂填充的軟弱結(jié)構(gòu)面,由于地裂縫的活動會造成上、下盤土層發(fā)生互相嵌入或相對脫空,引入interface單元來模擬地裂縫的黏結(jié)滑移行為(圖10)。將兩側(cè)土體的相互作用考慮為“接觸”問題,采用庫倫非線性摩擦模型,根據(jù)文獻[19-21]確定地裂縫接觸面參數(shù)。
圖9 西安地裂縫活動方式示意
圖10 地裂縫與盾構(gòu)隧道相交示意
圖11 管片-土體接觸單元
實際施工中對盾構(gòu)管片與周圍土體間采用注漿填充,在相互作用上表現(xiàn)為法向不可貫入,切向為Coulomb摩擦模型,通過建立接觸單元(圖11),保證地裂縫錯動時隧道與土體的分離和互不貫穿,達到管片與圍巖地層相互作用和協(xié)調(diào)變形的目的。接觸單元剛度可通過式(7)進行估算
(7)
式中,kn為法向剛度;ks為切向剛度;α、β為比例因子(一般取0.1~10);E為彈性模量;A為單元面積。
地裂縫及管片-土體接觸單元參數(shù)如表2所示。
表2 接觸單元參數(shù)
地裂縫的活動方式為上盤下降而下盤穩(wěn)定,其垂直位錯量估算一般按照目前活動速率與結(jié)構(gòu)使用年限(100a)來預測。因此在模型除頂面外的其他面均施加固定約束,在上盤底部逐級施加垂直方向的強制位移來近似模擬地裂縫的活動,加載工況如表3所示。
表3 加載計算工況
圖12為地裂縫位錯s=50 cm作用下通縫和錯縫拼裝的盾構(gòu)隧道拱頂縱向沉降變形對比曲線,從圖12可看出,隧道結(jié)構(gòu)在地裂縫位錯作用下,通縫與錯縫拼裝的隧道拱頂整體沉降規(guī)律基本一致,當s=50 cm時表現(xiàn)的位錯量已很大,通縫隧道的拱頂沉降量約為0.67 m,相比錯縫隧道拱頂?shù)某两盗考s0.57 m來看,兩者相差約0.1 m,表明通縫隧道的沉降變形更大,如果單從盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形來看,地裂縫地段選擇變形較小的錯縫隧道更加適合一些。
圖12 不同拼裝方式盾構(gòu)隧道拱頂沉降變形曲線(s=50 cm)
(1)軸力變化特征
圖13給出了不同位錯量下通縫和錯縫隧道管片拱頂縱向軸力的變化曲線。由圖13可知,通縫和錯縫隧道的縱向軸力變化規(guī)律基本一致,即隨地裂縫上盤位錯量的增加,管片頂部上盤軸力均為負,表現(xiàn)為受壓,隨著靠近地裂縫時負向增加但在地裂縫處突變減??;而下盤軸力均為正,表現(xiàn)為受拉,隨著靠近地裂縫時正向增加但在地裂縫處突變減小,整體曲線呈現(xiàn)出反“S”形。圖中顯示兩種拼裝方式的盾構(gòu)隧道表現(xiàn)出的軸力相差不大,以沉降位錯量s=50 cm時為例,通縫隧道軸力在上盤最大為-399 kN,在下盤最大為465 kN;而錯縫隧道軸力在上盤最大為-453 kN,在下盤最大為472 kN,即通縫隧道的內(nèi)力相比錯縫隧道偏小一些,但兩者差值不大。這是由于通縫隧道的變形更大一些,相較于整體剛度大而變形稍小的錯縫隧道來說能夠減小更多的內(nèi)力。根據(jù)縱向承載力驗算,兩種拼裝方式的軸力尚處于設計范圍內(nèi),從數(shù)值上看,拼裝方式對軸力的影響有限。
圖13 不同拼裝方式盾構(gòu)隧道拱頂軸力變化曲線
(2)彎矩變化特征
圖14為地裂縫錯動作用下兩種拼裝方式的盾構(gòu)管片對應的拱頂彎矩沿縱向變化曲線,從圖14可以明顯看到,曲線在地裂縫處的彎矩值均發(fā)生了突變,彎矩值整體不大,在遠離地裂縫時基本為正,表明盾構(gòu)隧道的管片在遠端時拱頂內(nèi)側(cè)受拉而外側(cè)受壓;而在地裂縫處彎矩產(chǎn)生了負向最大值,表明與地裂縫相交的管環(huán)以及附近相鄰的管環(huán)拱頂外側(cè)受拉而內(nèi)側(cè)受壓,這與文獻[5]的隱伏地裂縫活動對盾構(gòu)隧道影響機制的模型試驗結(jié)果基本一致。對比通縫和錯縫隧道的拱頂彎矩曲線,能看出通縫隧道的彎矩曲線在除地裂縫位置之外表現(xiàn)相對較為平穩(wěn);而錯縫隧道在地裂縫及相鄰管環(huán)的彎矩幅值波動均較大,這是由于錯縫拼裝的隧道各環(huán)管片接頭位置不同,雖然整體剛度增加,但環(huán)間剛度不均勻,管片出現(xiàn)了附加彎矩,從而導致錯縫隧道的拱頂彎矩數(shù)值上相對較大。此外,從影響范圍來看,也是錯縫隧道要比通縫隧道更大一些。
圖14 不同拼裝方式盾構(gòu)隧道拱頂彎矩變化曲線
由于地裂縫附近的管環(huán)內(nèi)力變化較大且易出現(xiàn)開裂[8],為了分析管片環(huán)向內(nèi)力變化情況,提取了s=50 cm時上盤第25環(huán)和下盤第27環(huán)即與地裂縫相鄰的兩環(huán)的環(huán)向彎矩分布,得到如圖15和圖16所示的曲線(從下盤向上盤看順時針方向,以45°為單位,0°為拱頂,180°為拱底)。
圖15 上盤第25環(huán)環(huán)向彎矩(s=50 cm)
從圖15可以看出,通縫和錯縫隧道的上盤第25環(huán)的彎矩分布變化規(guī)律基本一致,均在180°位置即拱底位置達到最大負彎矩,表明盾構(gòu)隧道在地裂縫錯動作用下,在拱底位置的管片易發(fā)生管片接頭擠壓破壞,這一結(jié)果同樣也與文獻[5]的模型試驗結(jié)果相符合。此外,錯縫隧道整體的環(huán)向彎矩數(shù)值比通縫拼裝方式的更大,在拱底處通縫隧道最大負彎矩約為-16 kN·m,錯縫隧道則達到了-30 kN·m,由于錯縫隧道產(chǎn)生的附加彎矩,顯然其結(jié)構(gòu)需要承擔的內(nèi)力也更大。
圖16為s=50 cm時下盤第27環(huán)的彎矩環(huán)向分布,其彎矩的變化情況與上盤的基本相似,兩種方式拼裝的盾構(gòu)隧道也均在180°位置出現(xiàn)了最大負彎矩值,但是由于在地裂縫附近的下盤盾構(gòu)隧道會受到上盤隧道下沉時一定的牽引作用,以及地裂縫錯動時產(chǎn)生的附加應力,因此兩種拼裝方式的盾構(gòu)隧道在環(huán)向上受力更復雜。
圖16 下盤第27環(huán)環(huán)向彎矩(s=50 cm)
(3)剪力變化特征
圖17 上盤第25環(huán)環(huán)向剪力分布雷達圖(單位:kN)
圖17給出了地裂縫錯動作用下上盤第25環(huán)的環(huán)向剪力分布雷達圖。從圖17可以看出,通縫拼裝隧道的環(huán)向剪力分布較為對稱,最大負剪力出現(xiàn)在管環(huán)兩側(cè)拱腰位置,易發(fā)生剪切破壞,而拱肩和拱腳位置次之,拱頂、底位置剪力最小;錯縫拼裝的隧道環(huán)向剪力分布較復雜,最大正剪力出現(xiàn)在45°拱肩位置和270°拱腰位置,最大負剪力出現(xiàn)在315°拱肩和90°拱腰位置,表明隧道管環(huán)在受剪時出現(xiàn)了扭動,而拱頂、底位置的剪力也表現(xiàn)為最小。兩種拼裝方式的隧道管環(huán)在拱頂、底受剪不明顯,而在管環(huán)兩側(cè)拱腰、拱肩及拱腳位置受剪較為嚴重。此外,從剪力數(shù)值上看,錯縫拼裝隧道的剪力變化范圍較大,產(chǎn)生的剪力也明顯大于通縫隧道。
同樣地,圖18給出的下盤第27環(huán)環(huán)向剪力分布雷達圖中的規(guī)律與上盤第25環(huán)基本一致,兩種拼裝方式的盾構(gòu)隧道環(huán)向剪力在拱頂位置最小,而在兩側(cè)拱腰、拱肩和拱腳位置剪力較大,表明這些位置容易受到剪切破壞。
圖18 下盤第27環(huán)環(huán)向剪力分布雷達圖(單位:kN)
在地裂縫錯動作用下還需要關注管片環(huán)之間的相對位錯量,圖19給出了不同位錯量下對應的管片環(huán)之間的相對垂直位錯沿縱向變化的曲線。明顯可以看出,兩種拼裝方式的隧道環(huán)間相對垂直位錯量在遠離地裂縫時曲線較為平緩,基本為整體變化;而隨著靠近地裂縫位置,曲線出現(xiàn)較大波動并在地裂縫附近達到了最大值,其中通縫隧道環(huán)間相對垂直位錯量最大達到了0.12 m,而錯縫隧道僅為0.02 m,這一結(jié)果也與文獻[5]中的試驗結(jié)果(當s=50 cm時,位錯超過15 mm)較為接近,且最大環(huán)間位錯量同樣出現(xiàn)在地裂縫處。由于通縫隧道的環(huán)間位錯過大,結(jié)構(gòu)安全更易受到影響。此外,通縫隧道管環(huán)相對垂直位錯量較大位置發(fā)生在了下盤靠近地裂縫一側(cè),上盤相鄰管環(huán)也受到影響,但變化相對較?。诲e縫隧道在地裂縫處以及相鄰的管環(huán)環(huán)間(即25環(huán)與26環(huán)、26環(huán)與27環(huán))出現(xiàn)了較明顯位錯,且靠近上盤一側(cè)位錯量稍大一些。從影響范圍看,通縫隧道在地裂縫附近的影響范圍即變形較大區(qū)域(上盤約7 m,即5環(huán)左右和下盤約12 m,即8環(huán)左右)相較于錯縫隧道(上盤約8 m,即5環(huán)左右和下盤約9 m,即6環(huán)左右s)更大一些,該范圍曲線起伏相對較大,表明通縫拼裝隧道環(huán)間相對垂直位錯量過大,結(jié)構(gòu)已然不安全,故選擇相對位錯較小的錯縫拼裝相對較好。
根據(jù)上述盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)沉降變形、管片內(nèi)力變化以及環(huán)間相對垂直位錯量的分析,給出了地裂縫環(huán)境下不同拼裝方式盾構(gòu)隧道的適應性評價如表4所示。由表4可知,通縫隧道僅能適應地裂縫不活動(隱伏)或活動微弱的地段,而根據(jù)西安地區(qū)近年來地裂縫活動的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看,目前地裂縫的活動速率大多在1.0~5.0 mm/a[2],因此可以考慮采用錯縫隧道穿越地裂縫。
圖19 相鄰管環(huán)相對垂直位錯量沿縱向變化曲線
表4 不同拼裝方式盾構(gòu)隧道適應性評價
基于有限元數(shù)值模擬計算,分析了不同拼裝方式(通縫和錯縫)盾構(gòu)過地裂縫地段結(jié)構(gòu)性狀及適應性,得出如下結(jié)論。
(1)在相同地裂縫位錯量作用下,通縫拼裝的盾構(gòu)隧道在結(jié)構(gòu)沉降變形方面大于錯縫拼裝的盾構(gòu)隧道,僅從沉降變形角度來看,錯縫拼裝的盾構(gòu)隧道更適合地裂縫場地。
(2)無論是通縫隧道還是錯縫隧道,縱向軸力均表現(xiàn)為拱頂上盤受壓而下盤受拉;縱向在地裂縫處出現(xiàn)最大負彎矩,環(huán)向則在拱底出現(xiàn)最大負彎矩;通縫拼裝隧道環(huán)向剪力分布基本對稱,而錯縫拼裝環(huán)向剪應力分布較復雜,但二者均表現(xiàn)為拱肩、拱腰和拱底部較大,拱頂部最小。
(3)地裂縫錯動作用下通縫和錯縫拼裝的隧道結(jié)構(gòu)均在地裂縫附近產(chǎn)生突變變形現(xiàn)象,形成較大環(huán)間相對位錯,通縫拼裝隧道結(jié)構(gòu)其最大環(huán)間位錯出現(xiàn)在地裂縫帶靠下盤一側(cè),而錯縫拼裝隧道則出現(xiàn)在靠地裂縫帶上盤一側(cè),且通縫隧道的影響范圍(上盤5環(huán),下盤8環(huán))比錯縫隧道(上盤5環(huán),下盤6環(huán))更大。
(4)考慮到目前西安地裂縫的整體活動性,建議地鐵盾構(gòu)隧道穿越地裂縫段時采用錯縫拼裝的盾構(gòu)隧道更加適合。