地裂縫場地隧道暗挖地表沉降影響因素分析

曹原， 黃強兵,2*， 康孝森,2， 茍玉軒， 王慶兵

(1.長安大學地質工程與測繪學院， 西安 710054； 2.西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室， 西安 710054； 3.北京市政路橋集團股份有限公司， 北京 100045)

隨著中國城市化進程的不斷加快，城市規模不斷擴大，人口也迅速增長，面臨巨大的交通壓力，發展大容量的公共交通是緩解城市壓力，解決人地矛盾的有效措施[1]。西安市作為中國四大古都之一，是“一帶一路”的核心區，由于近年來人口增長，地鐵建設列入了西安城市可持續快速發展的重要任務。西安市地處汾渭盆地，地質條件復雜，過去超采地下水導致城區先后出現了14條地裂縫，而規劃地鐵線路幾乎不可避免穿越地裂縫[2-3]，這些地裂縫的存在及發展，嚴重制約西安地鐵建設，也成為西安市軌道交通的“心病”。

為了確保地鐵隧道穿越地裂縫場地的安全性，目前已建和在建的線路基本均采用淺埋暗(明)挖法施工，結構上采用分段設縫加柔性連接、擴大斷面等特殊措施來應對地裂縫對地鐵工程的影響[3-4]，但該方法與措施在施工中產生較大擾動，對周邊環境影響大，加之地裂縫場地地層破碎，在場地附近建(構)筑物密集的情況下暗挖施工對鄰近建(構)筑物威脅較大，可能導致建(構)筑物變形與開裂破壞，從而造成不可預計的損失。

關于地鐵隧道施工引起地表沉降的問題，中國學者已經開展了大量研究并取得了許多成果，如劉洪洲等[5]采用有限元法分析了盾構推進中地面沉降影響因素的影響規律；孫鈞等[6]研究了盾構推進中交疊隧道土層地表沉降曲面的發展變化；鄭淑芬[7]研究了盾尾注漿、上層覆土條件、雙線隧道和掘進壓力的不同開挖順序等對地表沉降的影響規律；李小青等[8]分析了盾構隧道引起的位移場、應力場變化，討論了不同的土體本構模型、不同的地層損失、土體排水和不排水條件下盾構施工引起的地表沉降規律；劉金慧等[9]研究了地層損失率和地表沉降槽寬度的變化規律，并給出了修正系數的范圍；王昊統等[10]模擬了硬巖地區隧道的施工過程，并通過室內試驗驗證了五步開挖下隧道施工與地表沉降的關系；韓昌瑞等[11]采用數值模擬分析了隧道埋深、地層情況以及不同間距對地表沉降的影響；代維達[12]基于地表沉降監測數據分析，研究了開挖面積、車站埋深等對地表沉降的影響；韓煊等[13]基于沉降觀測數據，討論了Peck公式在不同地區的適用性，并給出了相關計算參數的建議值；徐明祥等[14]研究了地裂縫場地暗挖隧道施工影響范圍等，上述研究基本集中在地鐵隧道施工沉降的預測、施工過程的影響及沉降控制技術等方面，而地裂縫場地的地鐵隧道施工地表沉降及其影響因素的研究鮮有報道。

因此，現針對地裂縫場地地鐵隧道暗挖施工引起的地表沉降問題，以西安地鐵6號線穿越f8地裂縫場地為工程背景，建立不同開挖施工方向(包括從地裂縫上盤至下盤、下盤至上盤)、不同隧道埋深、不同隧道洞徑及穿越地裂縫角度4個不同因素影響下地鐵隧道-地裂縫-地層地質力學模型，通過多工況有限元數值模擬計算，分析上述4個因素對地鐵隧道穿越地裂縫場地暗挖施工地表沉降規律的影響，并給出地裂縫場地地鐵隧道暗挖施工的影響因素優先順序，以期為西安地裂縫場地地鐵隧道暗挖施工及地表沉降控制提供科學依據。

1 工程背景

西安地鐵6號線總長約39.94 km。一期工程線路起于西安市高新區南客站，止于勞動南路，全長約20.52 km(圖1)。該線路穿越的地貌類型從西向東依次為皂河沖洪積平原，黃土梁、洼，浐灞河沖洪積平原(圖2)，且沿線地形中間高，兩邊低，地表高度為405.9～426.8 m，地形總體平坦。線路穿越f8地裂縫場地位于丈八四路～丈八一路區間的錦業路，該段呈東西走向，區間全長1.08 km，其中f8地裂縫走向約北偏東43°，傾向南偏東45°，傾角約80°，與地面線路夾角約47°(圖1)。該區間隧道穿越的f8地裂縫地層為：雜填土、黃土狀土、粉質黏土、粉質黏土、粉質黏土、中砂、粉質黏土(圖1)，隧道圍巖綜合分級為VI級[15]。隧道斷面設計開挖跨度為9 m，高為9.2 m，埋深約9.5 m，如圖3所示。該f8地裂縫場地采用傳統的淺埋暗挖交叉中隔墻(cross diaphragm, CRD)工法，是一種應用于軟弱地層、濕陷性黃土地層及地裂縫破碎帶等不良地質條件下的城市地下工程建設工法。該工法是把隧道斷面分開為4個開挖面(圖1)，獨立開挖支護，及時布設臨時支護和初期支護，封閉成環；待隧道結構及周圍巖土體變形穩定后拆除臨時支護，隨后進行隧道二襯施工。CRD工法各個導洞獨立封閉成環，減小了隧道施工對周圍巖土體的擾動，保障了隧道圍巖的穩定性和施工過程的安全性。

圖1 地鐵6號線及研究區域情況Fig.1 The condition of Metro Line 6 and research area

圖2 地鐵6號線沿線地貌Fig.2 Landform along Xi’an metro line 6

圖3 隧道斷面Fig.3 Tunnel section

2 有限元模型的建立和參數的選取

選取丈八四路～丈八一路右線K21+851.412～K21+996.412區間隧道穿越f8地裂縫為研究對象。采用Midas GTS NX軟件模擬隧道施工穿越地裂縫的情況，數值模擬中各地層材料參數如表1[14-15]所示。地裂縫采用interface接觸面模擬[16-17]，地裂縫參數如表2所示。

表1 模型材料參數Table 1 Model material parameters

表2 地裂縫參數Table 2 Ground crack parameters

地鐵隧道暗挖施工穿越地裂縫帶計算模型如圖4所示，模型尺寸：長×寬×高=135 m×70 m×50 m，隧道埋深9.5 m，斷面為馬蹄型，地裂縫傾角為80°，與地鐵隧道走向夾角為47°，初始應力場僅包含土體自重應力，不考慮附加荷載作用；圍巖采用3D實體單元，簡化為均勻連續介質，采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構模型；隧道結構中的臨時鋼支撐、初期支護均采用2D板單元模擬，設置固定參數屬性，用彈性本構模型。邊界條件為：x方向和y方向施加水平約束，模型底部施加z方向的垂直約束，模型頂部為自由面。

施工過程的計算結合前述的暗挖隧道施工工法進行了合理有效的簡化，導洞開挖時先進行超前注漿加固地層，之后進行1導洞—2導洞—3導洞—4導洞開挖，如圖5所示，當1導洞封閉成環5 m后，開挖2導洞，當2導洞封閉成環10 m后，開挖3導洞，當3導洞封閉成環5 m后即當開挖至如圖5(右)所示各導洞位置時各導洞開始同步向前開挖(每一施工步為5 m)，這一施工過程可在分析中逐步激活導洞的相應區域實現。

圖4 隧道暗挖施工穿越地裂縫帶計算模型Fig.4 Calculation model of crack tape in tunnel dark excavation construction

圖5 暗挖施工過程Fig.5 Construction process of tunnel excavation

3 計算結果及分析

地裂縫場地CRD工法施工時，隧道開挖方向(包括從地裂縫上盤至下盤、下盤至上盤)、埋深、洞徑及與地裂縫相交角度4種因素均對地表沉降有影響。考慮實際施工方案，分別以不同開挖方向、不同埋深、不同洞徑以及不同斜交角度穿越地裂縫為單一分析變量進行11組工況的模擬(表3)，分析4種因素影響下的地表沉降規律。

3.1 不同開挖方向施工對地表沉降的影響

為分析隧道施工以不同方向穿越地裂縫過程中的地表沉降規律，在地表橫向布設5條測線監測地表橫向沉降量，即分別在開挖進尺15、40、65、90、115 m位置設測線J1、J2、J3、J4、J5(圖6)。選取測線與隧道正上方地表中軸線相交點布設5個監測點，其中D0位于地裂縫處，S1與S2、X1與X2分別位于地裂縫上、下盤距地裂縫帶25、50 m處。

表3 模擬計算工況Table 3 Simulation calculation

圖6 地表測點布設圖Fig.6 Place of surface measuring point

3.1.1 地表沉降變化規律(縱向)

圖7 不同開挖方向施工時地表監測點沉降變化曲線Fig.7 Surface monitoring point settlement change curve during different excavation directions construction

從上盤至下盤和從下盤至上盤兩種不同開挖方向工況下隧道正上方地表監測點的沉降曲線如圖7所示。由圖7可知，隧道正上方地表沉降變化隨開挖進尺呈反S形，其變形大致分為三個階段：剛開挖時小變形、開挖中急劇變形以及開挖后平穩變形。隧道施工開挖時，隧道正上方監測點離開挖掌子面越近，受影響程度越大，沉降量越大，上盤監測點(S2、S1)沉降稍大于下盤(X1、X2)，地裂縫處地表監測點(D0)沉降最大。判斷地裂縫場地隧道施工對上盤的擾動強于下盤，地裂縫處受擾動最強，易誘發地表破裂。

由兩種不同開挖方向施工地表最終沉降對比曲線(圖8)可知，開挖方向無論是從上盤至下盤施工還是從下盤至上盤施工，施工引起的地表最終沉降變化規律基本一致：沉降曲線均呈凹槽型，距地裂縫越近，地表沉降量越大；從上盤至下盤、下盤至上盤施工最大地表沉降量分別為33.96、33.86 mm，對于地表沉降控制而言，從地裂縫下盤至上盤方向施工略優于上盤至下盤。

圖8 兩種不同開挖方向施工地表最終沉降對比Fig.8 Two different excavation directions under construction surface final settling comparison

3.1.2 地表沉降影響范圍(橫向)

兩種不同開挖方向下測線J3處橫向地表沉降變化曲線如圖9所示(不同位置的沉降曲線相差不大，因此僅給出地裂縫處沉降曲線)，橫向地表沉降曲線呈凹槽型，隧道中軸線處地表沉降量最大，距隧道中軸線越遠，地表沉降量越小。從影響范圍來看，兩種工況基本一致，說明兩種開挖方向下地表沉降橫向影響范圍接近。地表沉降擬合曲線(R2=0.99)如圖10所示。

圖9 測線J3橫向地表沉降曲線Fig.9 Lands in the lateral surface settlement curve at J3

圖10 地表沉降擬合曲線Fig.10 Surface settling fitting curve

3.2 隧道不同埋深施工對地表沉降的影響

3.2.1 地表沉降變化規律(縱向)

3種埋深(H=10、15、20 m)工況下地表監測點(圖6)隨開挖進尺變化的沉降曲線如圖11所示。沉降規律與不同開挖方向一致，隧道正上方地表監測點沉降曲線呈反S形，地裂縫場地地鐵隧道暗挖施工對上盤的擾動強于下盤，地裂縫處受擾動最強。

隧道中軸線地表最終沉降曲線如圖12所示，3種工況下地表最終沉降變化規律基本一致，整體曲線呈凹槽型，地表最終沉降最大值均出現在地裂縫上盤，上盤地表最終沉降量大于下盤。隧道埋深為H=10、15、20 m時暗挖施工最大地表沉降量分別為34.83、38.87、42.35 mm，表明淺埋暗挖隧道穿越地裂縫帶施工時地表沉降隨隧道埋深的增大而增大，與韓昌瑞等[11]所得結論一致，即在地鐵隧道埋深不超過30 m時，地表沉降量與埋深呈正相關。

圖11 不同埋深(H)施工地表監測點沉降曲線Fig.11 Surface monitoring point settlement curve under different buried depth (H) construction

圖12 不同埋深(H)施工地表最終沉降曲線Fig.12 Final settlement curve under different buried depth (H) construction

3.2.2 地表沉降影響范圍(橫向)

淺埋暗挖隧道以不同埋深(10、15、20 m)工況下測線J3處橫向地表沉降曲線如圖13所示，埋深對地表沉降的影響規律與不同開挖方向對地表沉降的影響規律相似，且此地表沉降曲線可以通過擬合曲線(R2=0.99)反映(圖14)。從影響范圍來看，地鐵隧道埋深越深，地表沉降橫向影響范圍越大，表明地表沉降橫向影響范圍與地鐵隧道埋深呈反比關系。

圖13 測線J3橫向地表沉降曲線Fig.13 Lands in the lateral surface settlement curve at J3

圖14 地表沉降擬合曲線Fig.14 Surface settling fitting curve

3.3 不同洞徑隧道施工對地表沉降的影響

3.3.1 地表沉降變化規律(縱向)

隧道3種不同洞徑(D=8、10、12 m)工況下地表監測點(圖6)隨開挖進尺變化的沉降曲線如圖15所示。總體變化規律與不同開挖方向、埋深條件基本一致，隧道正上方地表監測點沉降曲線呈反S形，地裂縫場地地鐵隧道暗挖施工對上盤產生的擾動強于下盤，地裂縫處受擾動最強。

隧道3種不同洞徑工況下隧道中軸線地表最終沉降曲線如圖16所示，曲線整體規律基本一致，均呈凹槽型，隧道洞徑為D=8、10、12 m施工時最大地表沉降量分別為36.85、61.89、102.89 mm，表明地裂縫場地地鐵隧道穿越地裂縫帶的洞徑越小，所引起的地表沉降量越小。

圖15 不同洞徑(D)施工地表監測點沉降變化曲線Fig.15 Surface monitoring point settlement change curve under different caviar (D) construction

圖16 不同洞徑(D)施工地表最終沉降曲線Fig.16 Final settlement curve under different cavity (D) construction

3.3.2 地表沉降影響范圍(橫向)

淺埋暗挖隧道在3種不同洞徑(8、10、12 m)工況下測線J3處(圖6)橫向地表沉降曲線如圖17所示，由圖17可知曲線規律與不同開挖方向的相似(圖16與圖8)，且此地表沉降曲線可以通過擬合曲線(R2=0.99)反映(圖18)。從影響范圍來看，隧道洞徑越大地表沉降橫向影響范圍越大，表明地表沉降橫向影響范圍與隧道洞徑呈正比例關系。

圖17 測線J3橫向地表沉降曲線Fig.17 Lands in the lateral surface settlement curve at J3

圖18 地表沉降擬合曲線Fig.18 Surface settling fitting curve

3.4 不同角度穿越施工對地表沉降的影響

為了分析隧道不同角度(θ=30°、60°和90°)穿越地裂縫帶時施工對地表沉降的影響規律，有限元模型尺寸為：長×寬×高=180 m×60 m×40 m。于隧道中軸線正上方地表布設監測點8個，即地裂縫處點D0，上盤分別距地裂縫20、40、60、80 m處的點S1、S2、S3、S4，下盤分別距地裂縫20、40、60 m處的點X1、X2、X3。除此之外，于地表橫向布設5條測線，即分別在開挖進尺30、60、90、120、150 m處設測線J1、J2、J3、J4、J5，如圖19所示。

3.4.1 地表沉降變化規律(縱向)

淺埋暗挖隧道以3種不同角度穿越地裂縫時地表監測點沉降隨開挖進尺的變化曲線如圖20所示，當地鐵隧道正交和大角度斜交穿越地裂縫施工時，地表沉降變化規律基本一致，距地裂縫越近，地表監測點沉降量越大，且地裂縫上盤監測點沉降大于下盤，地裂縫處地表沉降量最大。由圖20(c)可知當θ=30°(小角度斜交)施工時，地裂縫處地表監測點沉降量反而略小于上、下盤近地裂縫處的地表監測點，位移最大值出現在地裂縫上盤。表明正交或斜交穿越地裂縫帶施工時對上盤的擾動強于下盤，且地裂縫處受擾動最強。

淺埋暗挖隧道以3種角度穿越地裂縫工況下隧道中軸線地表最終沉降曲線如圖21所示，隧道中軸線地表最終沉降曲線整體規律基本一致，曲線呈凹槽型，最大沉降均出現在地裂縫上盤，且穿越角度為θ=30°、60°和90°時施工引起地表最大沉降量分別為51.88、33.26、28.23 mm，表明地鐵隧道穿越地裂縫帶的角度越小，引起的地表沉降量越大。

圖19 地表測點布設圖Fig.19 Place of surface measuring point

圖20 不同穿越角度(θ)施工地表監測點沉降變化曲線Fig.20 Curve of surface monitoring point settlement changes under different crossing angles (θ)

圖21 不同穿越角度(θ)施工地表最終沉降曲線Fig.21 Final settlement curve under different crossover angle (θ) construction

僅從中軸線地表最終沉降上看，隧道埋深、洞徑與穿越地裂縫角度三個影響因素相較而言，地裂縫處均出現了差異沉降，且上盤沉降量均大于下盤，但不同洞徑隧道穿越地裂縫的沉降變化較平緩。

3.4.2 地表沉降影響范圍(橫向)

淺埋暗挖隧道以3種角度(30°、60°、90°)穿越地裂縫時橫向地表沉降曲線如圖22所示，由圖22可知此地表沉降規律與不同開挖方向的相似(圖22與圖9)，地表沉降曲線可以通過擬合曲線(R2=0.99)反映(圖23)，不同工況下的地表橫向影響范圍相同，表明地表橫向影響范圍基本不受穿越地裂縫角度的影響。

圖23 地表沉降擬合曲線Fig.23 Surface settling fitting curve

4 工程中對各因素選擇優先性討論

以往研究表明地鐵線路應盡量避開地裂縫地段，或者盡量與地裂縫正交或者大角度斜交穿越，避免小角度相交[2]，因此在淺埋暗挖施工過程中應首先考慮穿越地裂縫角度問題。另外，根據3.1節的計算結果表明，開挖方向對地鐵隧道暗挖施工穿越地裂縫的地面沉降影響較小(圖8)。而洞徑和埋深對暗挖施工地表沉降影響程度的比較還需進一步討論。因此選用正交試驗設計進行二者的對比分析，開展2因子3水平的正交試驗，分別以極差分析和方差分析來確定洞徑與埋深的影響程度和顯著性，以此對比各因子水平的改變對地表沉降的影響程度。

4.1 正交試驗方案設計

以洞徑D，埋深H作為正交試驗設計的2個因子，洞徑取8、10、12 m三個水平，埋深取10、15、20 m三個水平。選用L9(34)正交表進行方案設計和結果統計[18]，正交方案設計如表4所示。

表4 正交試驗方案Table 4 Orthogonal test plan

4.2 計算結果與分析

為了更好地反映地裂縫場地地表沉降特點，取地裂縫中心測線J3(圖6)橫向地表沉降曲線，利用Gaussian函數進行擬合[13-14]，得到沉降量值y與距隧道中軸線橫向距離x的指數函數關系式。

擬合公式為

(1)

式(1)中：A、C為曲線修正項；B為地表最大沉降量；Q為地表沉降槽寬度系數(取值如圖10、圖14、圖18和圖23所示)，即沉降曲線彎點到曲線對稱中心的距離，反映了地表沉降的橫向影響范圍。計算結果如表5所示。

表5 數值計算結果Table 5 Numerical calculation results

4.2.1 影響因子極差分析

極差的大小反映了各因子水平改變對實驗結果的影響程度[19]。地裂縫處地表最大沉降影響因子極差分析如表6所示。由表6可知，洞徑和埋深的極差均大于誤差項的極差，說明本次地表最大沉降正交試驗設計是合理的。在此次正交試驗設計中，由各因子水平變化梯度條件下極差的大小可知，在地裂縫場地上對地表最大沉降的影響程度：洞徑D>埋深H。

沉降槽寬度系數影響因子極差分析如表6所示。由表6可知，洞徑和埋深的極差均大于誤差項的極差，說明本次正交試驗設計是合理的。在此次正交試驗設計中，由各因子水平變化梯度條件下極差的大小可知，在地裂縫場地上對沉降槽寬度系數的影響程度：埋深H>洞徑D。

表6 影響因子極差分析Table 6 Pathorological analysis of influencing factors

4.2.2 影響因子方差分析

方差分析可以確定各因子對試驗結果影響的顯著性[19]。地表最大沉降影響因子方差分析如表7所示，由表7可知，在99%置信度(F臨界值=6.940)下，地裂縫場地上對沉降槽寬度系數影響的顯著程度為：洞徑D較顯著，埋深H不顯著。

沉降槽寬度系數影響因子方差分析結果顯示，與地裂縫處地表最大沉降相比，洞徑和埋深發生改變時，沉降槽寬度系數均有不同幅度的變化，各因子均有顯著性，且埋深H>洞徑D。

表7 影響因子方差分析Table 7 Analysis of variance of influencing factors

綜上所述，由于沉降槽寬度系數對各設計因子水平的改變較地裂縫處地表最大沉降敏感，因此以沉降槽寬度系數作為評價指標，建議在工程施工中對埋深的優先級應考慮排在洞徑之前。

5 結論

以西安地鐵6號線區間隧道暗挖段施工穿越地裂縫場地為工程背景，采用有限元數值模擬方法開展了不同開挖方向、不同埋深、不同洞徑以及不同穿越角度等因素對地裂縫場地施工地表沉降的影響規律研究，并設計正交試驗討論了各因素的優先級，得出以下主要結論。

(1)不同開挖方向(上盤至下盤、下盤至上盤)施工引起隧道中軸線地表最終沉降曲線規律基本一致，地表橫向影響范圍不受其影響，但地裂縫場地地鐵隧道從下盤至上盤施工更有利于控制地表沉降。

(2)地鐵隧道淺埋暗挖穿越地裂縫場地引起的地表沉降量與隧道穿越地裂縫的角度呈負相關，與隧道埋深和洞徑呈正相關。

(3)地裂縫場地地鐵隧道淺埋暗挖施工地表沉降橫向影響范圍基本不受穿越角度的影響，但隨埋深和洞徑的增大而增大。

(4)基于正交試驗設計的數值模擬，分析認為穿越角度對施工地表沉降影響最大，洞徑、埋深次之，開挖方向影響最小。為了有效控制地表沉降，建議地裂縫場地地鐵隧道暗挖施工方案優先采取順序為：大穿越角度→淺埋深→小洞徑→下盤至上盤開挖。