水位上升對地裂縫場地地鐵隧道影響的數(shù)值模擬

武 昭

(同濟大學(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)展的漸進性地質(zhì)災(zāi)害[1]。我國是世界上地裂縫災(zāi)害最為嚴重的國家之一，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，其活動時間之長和規(guī)模之大，在國內(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，大量的地表水進入城市建設(shè)區(qū)，將大幅度增加地下水的補給量，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。

國內(nèi)學(xué)者對地裂縫場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條件下地鐵隧道騎縫正交穿越地裂縫時襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用機制的試驗研究[4]。賀凱通過大型物理模型試驗對地鐵隧道近距離平行以及小角度穿越地裂縫帶的問題進行了研究[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產(chǎn)生的影響[6]。張茂省對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)險進行了計算和討論[7]。李建波采用有限差分法對洞室開挖后周邊圍巖的位移場、應(yīng)力場、孔隙水壓力的分布情況進行了綜合分析[8]。彭琦以某工程為例，運用流固耦合研究了在地下水作用下基坑開挖過程對地鐵隧道結(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地鐵隧道的影響是十分必要的。

2 工程概況

西安地鐵三號線上某一區(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)計部門的設(shè)計及施工方案的比選，采用淺埋暗挖法進行施工，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，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對計算結(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)格模型簡圖如圖1所示。

地鐵隧道的襯砌可以用實體單元來模擬，但在FLAC3D中對于實體單元只能檢測節(jié)點位移和單元應(yīng)力，而不能檢測出結(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現(xiàn)對變形、應(yīng)力和內(nèi)力的檢測，因此選擇用Shell結(jié)構(gòu)單元來模擬襯砌結(jié)構(gòu)，實體模型如圖2所示。

3.2 工況設(shè)置

實際情況下孔隙水流動形成的三維滲流場十分復(fù)雜，為簡化分析又達到模擬的效果，將三維滲流場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)測點布置

本次數(shù)值模擬對地表變形及地鐵隧道的內(nèi)力和變形進行監(jiān)測，在地裂縫和地鐵隧道對應(yīng)的地表附近增加監(jiān)測點密度，在隧道襯砌上以拱底位置為0°，沿著逆時針方向每隔45°布置一個監(jiān)測點，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應(yīng)的地表位移值最小，說明從下向上滲流對土體及隧道結(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，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，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，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，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，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。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。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時為轉(zhuǎn)折點。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。隧道襯砌的豎向位移增量呈先增大后減小的變化趨勢。從下向上的滲流方式會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隧道襯砌水平位移的影響最大。