水位上升對(duì)地裂縫場(chǎng)地地鐵隧道影響的數(shù)值模擬

武 昭

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

1 概述

地裂縫是由內(nèi)、外應(yīng)力以及人類活動(dòng)等因素引發(fā)的一種地面破壞現(xiàn)象，也是一種緩慢發(fā)展的漸進(jìn)性地質(zhì)災(zāi)害[1]。我國(guó)是世界上地裂縫災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，其中尤以西安地區(qū)的地裂縫災(zāi)害最為典型，迄今為止，西安市區(qū)先后發(fā)現(xiàn)了14條地裂縫帶，其活動(dòng)時(shí)間之長(zhǎng)和規(guī)模之大，在國(guó)內(nèi)外十分罕見[2]。地裂縫使許多地面建筑物和地下設(shè)施都遭到了破壞，它的存在制約了城市規(guī)劃發(fā)展，為地鐵交通建設(shè)留下了重大安全隱患。且隨著城市建設(shè)的發(fā)展，大量的地表水進(jìn)入城市建設(shè)區(qū)，將大幅度增加地下水的補(bǔ)給量，使區(qū)域或局部潛水水位上升，因此在地鐵隧道建設(shè)過程中難免需要考慮地下水的作用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)地裂縫場(chǎng)地地鐵隧道的研究做了許多工作，吳明等通過數(shù)值模擬的方法研究了西安地鐵3號(hào)線近距離平行地裂縫帶的工程問題，得出安全避讓距離為30 m的結(jié)論[3]。熊田芳等開展了地裂縫活動(dòng)條件下地鐵隧道騎縫正交穿越地裂縫時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用機(jī)制的試驗(yàn)研究[4]。賀凱通過大型物理模型試驗(yàn)對(duì)地鐵隧道近距離平行以及小角度穿越地裂縫帶的問題進(jìn)行了研究[5]。但是研究中都沒有考慮地下水的影響。

蔣臻蔚用數(shù)值模擬研究了先存斷裂地層中抽水使地裂縫活動(dòng)產(chǎn)生的影響[6]。張茂省對(duì)地下水位上升和非飽和黃土含水量增加引起黃土濕陷而產(chǎn)生地面沉降風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算和討論[7]。李建波采用有限差分法對(duì)洞室開挖后周邊圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、孔隙水壓力的分布情況進(jìn)行了綜合分析[8]。彭琦以某工程為例，運(yùn)用流固耦合研究了在地下水作用下基坑開挖過程對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響[9]。從前人的研究成果中可以看出，地裂縫場(chǎng)地地鐵隧道受地下水位變化影響的研究甚少，因此綜合考慮地下水位上升和地裂縫對(duì)地鐵隧道的影響是十分必要的。

2 工程概況

西安地鐵三號(hào)線上某一區(qū)間隧道軸線與f7地裂縫走向平行。資料顯示，該區(qū)間內(nèi)隧道頂部的埋深為10 m～15 m，經(jīng)設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì)及施工方案的比選，采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工，隧道的斷面形式為圓形。根據(jù)地鐵區(qū)間隧道地裂縫與巖土工程勘察報(bào)告，隧道的圍巖有第四系新、老黃土、古土壤、粉質(zhì)粘土、飽和軟黃土及砂巖，土體巖性復(fù)雜，變化較大，且不同位置巖層的厚度不同，巖層的均一性較差。

3 模型建立與工況設(shè)置

3.1 建立模型

模型尺寸設(shè)定為130 m×10 m×50 m，地鐵隧道埋深設(shè)為10 m，隧道采用外徑為10 m的圓形隧道，地鐵隧道中心軸線與地裂縫的距離取30 m，地裂縫傾角取70°。地裂縫可以看做一定厚度的軟弱夾層，或者用FLAC3D中的接觸面單元來模擬。用接觸面單元模擬地裂縫時(shí)，法向方向上需設(shè)置較大的法向剛度，這種人為設(shè)定法向剛度的方式往往會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來誤差，因此本次模擬使用0.5 m厚的軟弱單元來模擬地裂縫。建立的網(wǎng)格模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

地鐵隧道的襯砌可以用實(shí)體單元來模擬，但在FLAC3D中對(duì)于實(shí)體單元只能檢測(cè)節(jié)點(diǎn)位移和單元應(yīng)力，而不能檢測(cè)出結(jié)構(gòu)內(nèi)力。用FLAC3D中內(nèi)置的Shell結(jié)構(gòu)單元來模擬隧道的襯砌可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變形、應(yīng)力和內(nèi)力的檢測(cè)，因此選擇用Shell結(jié)構(gòu)單元來模擬襯砌結(jié)構(gòu)，實(shí)體模型如圖2所示。

3.2 工況設(shè)置

實(shí)際情況下孔隙水流動(dòng)形成的三維滲流場(chǎng)十分復(fù)雜，為簡(jiǎn)化分析又達(dá)到模擬的效果，將三維滲流場(chǎng)x,y,z方向的滲流分開考慮。本次模擬的工況有3種，分別為從左向右滲流、從右向左滲流、從下向上滲流。每一種工況下考慮地下水位從地下埋深30 m～25 m,25 m～20 m,20 m～15 m,15 m～10 m,10 m～5 m,5 m～0 m的6種情況。

4 結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本次數(shù)值模擬對(duì)地表變形及地鐵隧道的內(nèi)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在地裂縫和地鐵隧道對(duì)應(yīng)的地表附近增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度，在隧道襯砌上以拱底位置為0°，沿著逆時(shí)針方向每隔45°布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

4.2 地表豎向位移分析

圖3為不同滲流方式下地鐵隧道附近地面豎向位移曲線圖，從圖3中可以看出：

1)不同的地下水位上升區(qū)間引起的地表位移值不同。隨著初始地下水位的升高，水位在上升相同的高度(5 m)在地表各個(gè)位置引起的回彈量不斷增大。這是由于隨著地下水位升高，有效應(yīng)力發(fā)生改變的土層厚度不斷增加，且同一深度處有效應(yīng)力不斷減小。

2)不同的滲流方式引起的地表位移值的變化不同。比較三種工況下地鐵隧道附近地表位移值，從下向上滲流引起的地表位移值最大，從右向左滲流方式引起的位移值次之，從左向右滲流方式對(duì)應(yīng)的地表位移值最小，說明從下向上滲流對(duì)土體及隧道結(jié)構(gòu)物的影響最大。

4.3 隧道襯砌內(nèi)力分析

隧道襯砌軸力云圖見圖4a)，取隧道襯砌軸力最大值作圖，由圖4b)可看出：在不同的滲流方式下，不同的水位上升區(qū)間，隧道襯砌內(nèi)力最大值的變化情況不同。當(dāng)水位低于10 m，隨地下水位的上升，隧道襯砌軸力值不斷減小，地下水位以從左向右的滲流方式上升時(shí)，在隧道襯砌處產(chǎn)生的軸力最大值比其他兩種工況下產(chǎn)生的軸力最大值要大，其次為從右向左滲流方式，當(dāng)?shù)叵滤灰詮南孪蛏系臐B流方式上升時(shí)，在隧道襯砌處產(chǎn)生的軸力最大值最小。當(dāng)水位高于10 m時(shí)，隨地下水位的上升，隧道襯砌軸力值不斷增大，地下水位以從下向上的滲流方式上升在隧道襯砌處產(chǎn)生的軸力最大值較大。對(duì)彎矩、剪力的變化情況分析后可以得到相同的結(jié)論。

4.4 隧道襯砌變形分析

圖5為不同滲流方式下襯砌位移圖，分析可得：1)以從下向上的滲流方式使地下水在任意水位處升高5 m，產(chǎn)生的隧道襯砌的水平位移值較小，不超過0.5 cm。2)以從左向右的滲流方式使地下水位升高時(shí)，產(chǎn)生的隧道襯砌的水平位移較大，以從右向左的滲流方式使地下水位升高時(shí)，產(chǎn)生的隧道襯砌的水平位移比前者小。隨著地下水位的升高，隧道襯砌的水平位移增量呈線性增長(zhǎng)。3)比較三種滲流方式使地下水升高引起的隧道襯砌豎向位移量，可以看出從下向上滲流方式得到的豎向位移量最大，最大位移量為5.97 cm，從右向左的滲流方式產(chǎn)生的豎向位移量次之，從左向右的滲流方式產(chǎn)生的豎向位移量最小。4)襯砌豎向位移增量隨初始地下水位的升高呈先增大后減小的趨勢(shì)。在15 m～10 m水位上升區(qū)間內(nèi)，三種滲流方式都取到了豎向位移最大值，向兩側(cè)豎向位移值逐漸減小。

5 結(jié)語

1)在地裂縫和地鐵隧道對(duì)應(yīng)的地表附近存在回彈位移減小區(qū)。在地鐵隧道附近，從下向上滲流引起的地表位移比其他兩種情況引起的地表位移要大，說明從下向上滲流對(duì)土體及隧道結(jié)構(gòu)物的影響最不利。2)隧道襯砌內(nèi)力受滲流方式及水位上升區(qū)間的影響，變化情況不同。地下水位等于10 m時(shí)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。3)隨著地下水位的上升，隧道襯砌的水平位移增量呈線性增長(zhǎng)。隧道襯砌的豎向位移增量呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。從下向上的滲流方式會(huì)引起較大的隧道襯砌豎直位移，引起的水平位移較小。從左向右滲流方式對(duì)隧道襯砌水平位移的影響最大。