考慮地裂縫影響的盾構隧道變形破壞機制試驗研究

秦璐

摘要：為研究地裂縫對盾構隧道受力和變形特性的影響，依托鄭州4號線項目，基于相似準則進行了模型試驗。考慮到6種不同地裂縫工況對隧道縱向變形、管片襯砌內力和管片環間錯動的影響。結果表明：地裂縫的存在使得盾構隧道變形主要分為3個階段，依次為整體沉降階段、不均勻沉降階段和穩定階段。拱頂和拱腰的錯動主要發生在地裂縫位置處，由地裂縫位置處由大到小對稱分布，呈現出隨著地裂縫錯動量增加拱頂和拱腰錯動增大的一般性規律。地裂縫的存在使得拱頂位置處出現不均勻受力，受力更為復雜；在拱底位置則使得其內力增大。考慮到混凝土抗拉性能較差，應在設計時對受拉位置處進行局部加強。地裂縫上盤4環和下盤3環出現較大的管片錯動，在實際工程中應對該位置處的接頭進行必要加強。

關鍵詞：地裂縫，盾構隧道，模型試驗，管片錯動

中圖分類號：U455.43

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9545（2023）03-0047-（05）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.03.010

1引言

隨著城市化的推進和地下工程的發展，隧道工程越來越多，隧道變形和受力特性的一直是相關領域研究的熱點^[1-4]。

王祖賢等^[5]考慮到了非勻質地基的影響，通過有限差分法研究了非勻質地基中的盾構隧道縱向變形，結果表明，非勻質地基會導致隧道出現更大的差異沉降。李媛^[6]依托實際工程案例，對隧道下穿鐵路工況下的地層預處理技術進行了優化研究。韋宗科等^[7]通過二維有限元軟件研究了臨近基坑開挖對既有隧道的影響。冀榮華^[8]基于現場監測數據，分析了在隧道開挖過程中，隧道洞門的變化特征和受力機制，并根據分析結果提出了相應的防治措施。馮宇等^[9]通過數值模擬手段，基于高海拔隧道開挖實例，研究了不同開挖方式對隧道支護內力和變形的影響。馮國輝等^[10]提出了一種新的預測下穿臨近隧道變形方法，并根據實際工程監測數據對該方法進行了驗證，結果表明，該方法與傳統方法相比，更接近于實測數據。

地裂縫的存在使得隧道施工和運營風險增加。苗晨陽等^[11]依托實際工程西安地鐵5號線項目，通過有限元法研究了存在地裂縫時盾構隧道下穿既有管廊的影響，分析了管廊的受力和變形特征。邵帥等^[12]分析了地裂縫的存在對上下盤變形的影響，并提出了相應的防止措施。

為研究地裂縫對盾構隧道受力和變形特性的影響，文章依托鄭州4號線項目，基于相似準則進行了模型試驗，考慮到了6種不同工況對隧道縱向變形、管片襯砌內力和管片環間錯動的影響。

2模型試驗概況

2.1工程概況

依托鄭州地鐵4號線項目，該項目工程多次穿越地裂縫帶。地質條件主要為雜填土、黃土、粉質黏土、粉細砂等，表1展示了各土層物理力學性質參數。盾構埋置深度為18.6m，基坑深度約為16.5m。管片襯砌材料為C50混凝土，內徑為5.3m，外徑為6.0m，幅寬1.5m，厚度為35cm，共包含3個標準塊、2個鄰接塊和1個封頂塊，如圖1所示。該線路與地裂縫間的夾角為75°左右。

根據實際地質情況和幾何尺寸，進行了相似模型試驗，試驗幾何相似比設為12，重度相似比設為1，表2展示了基于相似理論得出的各物理量的相似關系。

試驗中的管片材料為石膏，配比為1∶1.5。按照剛度等效原則，環向主筋選擇直徑為1.6mm的鋼絲，縱筋選擇直徑為1.0mm的鐵絲。表3展示了模型試驗中的管片物理力學參數與原型對比情況。

根據相對位移原則，通過鋼棒對管片環進行連接。通過在管片外側設置凹槽來模擬環向接頭，通過抗彎剛度相似原則確定凹槽深度。依據前人研究成果，開槽圓心角設為4°。

2.3研究方法

試驗主要研究的內容是地裂縫對盾構隧道力學和變形特性的影響。因此，該模型試驗的荷載來自于土體。試驗用土來自鄭州4號線施工現場的擾動土，通過分層的方式進行填筑，在每層填筑完畢后進行重度和含水率測試，以期達到實際效果。

依據地裂縫特征，通過粉細砂對地裂縫進行填充。根據實際情況，地裂縫與隧道軸線夾角設為75°，地裂縫傾角設為85°。

圖2為盾構隧道模型示意圖。隧道縱向總計38環，上盤為1-18環，下盤為22-38環，與地裂縫相交為19-21環，總長度為4.75m。在模型箱地表處布置大量位移計，在管片周圍布置有應變片，包括環向應變片和縱向應變片。襯砌內力通過所測得的應變大小進行計算。此外，在隧道拱頂和拱底外側布置有土壓力盒。地裂縫錯動量共6各分量，分別為0cm、1cm、2cm、3cm、4cm和5cm，以研究地裂縫的存在和錯動量大小對盾構隧道受力和位移的影響。

3結果分析與討論

3.1隧道縱向變形

圖3展示了不同工況下各管片的拱頂豎向沉降情況，地裂縫位置為第20管環。從圖中可以看出，同一工況下，出現地裂縫后，盾構隧道變形主要分為3個階段，以16、22環為分界，依次為整體沉降階段、不均勻沉降階段和穩定階段。在整體沉降階段，各管片沉降值較大，且管片間的差異沉降較小。16環之后進入不均勻沉降階段，在該階段，隨著管片環數的增大管片豎向沉降減小，各管片間存在沉降差異，即不均勻沉降發生。22環后進入穩定階段，各環的沉降較小，接近于未出現地裂縫的工況。隧道整體在縱向發生了彎曲變形，又因為隧道管片間的螺栓存在，使得環與環之間容易出現相互錯動。

同一環數下，隨著地裂縫錯動量的增加盾構隧道拱頂沉降增大，拱頂沉降與地裂縫錯動量呈現正相關關系，可見地裂縫的存在使得隧道變形增加，導致其安全性降低。與此同時，隧道拱頂沉降峰值小于地裂縫錯動量，這種現象說明地層與隧道間的沉降并不同步，進一步增加了隧道的負載，導致出現一定的斷裂風險。

3.2管片襯砌內力

管片的襯砌內力是通過測得的管片應變計算獲得，計算公式如下：

其中，E表示管片襯砌的彈性模量；h表示管片厚度；b表示管片幅寬。

圖4展示了沿隧道縱向隧道襯砌軸力變化情況。圖4（a）為拱頂軸力沿隧道縱向變化曲線；圖4（b）為拱底軸力沿隧道縱向變化曲線。

從圖4（a）中可以看出，同一工況下，拱頂軸力在靠近地裂縫位置處較大，即拱頂軸力峰值普遍出現在20環上下。地裂縫之前隧道的上盤拱頂襯砌軸力普遍受拉，下盤受壓。不同工況下，未出現地裂縫錯動量越大軸力數值越高的一般性規律。上盤軸力數值最大的為地裂縫錯動量3cm工況，軸力峰值達到了2642kN。下盤軸力數值最大的為地裂縫錯動量5cm工況，軸力峰值達到了1242kN。

從圖4（b）可以看出，同一工況下，拱頂軸力在靠近地裂縫位置處較大。與拱頂軸力相反，拱底軸力在上盤受壓，下盤受拉。相較之下，拱底軸力表現出了更為明顯的規律性。錯動量越高，拱底軸力數值越大。上下盤軸力峰值最高的均為地裂縫錯動5cm工況，且受力相對均勻，上盤峰值5341kN，下盤峰值為4872kN。從數值而言，拱底軸力數值相對于拱頂更大。

總體而言，地裂縫的存在使得拱頂位置處不均勻受力，使其受力更為復雜，而在拱底位置則使得其內力增大。在第21-22環的拱頂位置和第18-19環的拱底位置出現了較大的拉應力，考慮到混凝土抗拉性能較差，應在設計時進行必要的局部加強。

圖5展示了不同工況下沿隧道縱向的襯砌彎矩變化曲線。圖5（a）為拱頂處彎矩縱向變化曲線；圖5（b）為拱底處彎矩縱向變化曲線。

從圖5（a）中可以看出，同一工況下，上盤距離地裂縫位置越遠，拱頂的彎矩數值越大；下盤距離地裂縫越近，拱頂彎矩數值越大。不同工況下，在同一管片處，地裂縫錯動量越大彎矩越大，拱頂彎矩與地裂縫錯動量呈現正相關關系。

從圖5（b）中可以看出，同一工況下，拱底彎矩值距離地裂縫位置較遠時較小，隨著管片環數的增加，17環之后拱底彎矩值逐漸增大，在21環達到峰值。與拱頂相同，地裂縫錯動量越大拱底彎矩越大，拱底彎矩與地裂縫錯動量呈現正相關關系。從數值而言，拱底彎矩數值更大，接近拱頂彎矩的兩倍。呈現出與軸力相近的趨勢，即地裂縫的存在使得拱頂位置處出現受力不均勻，拱底位置處出現更大彎矩。

3.3管片環間錯動

圖6展示了不同工況下環間豎向錯動縱向變化情況。圖6（a）為拱頂位置處的豎向錯動情況；圖6（b）為右拱腰位置處的豎向錯動情況。

從圖6（a）中可以看出，同一工況下拱頂環間的豎向錯動主要發生在地裂縫位置處，由地裂縫位置處由大到小對稱分布。不同工況下，地裂縫錯動量越大，拱頂的環間豎向錯動越大，呈現出隨著地裂縫錯動量增加拱頂豎向錯動增大的一般性規律。在地裂縫錯動量為5cm工況下，其拱頂環間豎向錯動達到了9.6mm。此外，隨著地裂縫錯動量的增加，拱頂的豎向錯動差異更大，即增加速率越來越高。

從圖6（b）中可以看出，與拱頂環間豎向錯動規律相近，右拱腰環間的水平錯動峰值亦為地裂縫位置處，大小由地裂縫位置處由大到小對稱分布，并且數值與地裂縫錯動量大小呈現正相關趨勢。在地裂縫錯動量為5cm工況下，其右拱腰環間水平錯動達到了3.3mm。從數值而言，同一工況下，拱頂的豎向錯動較大，右拱腰的水平錯動規律較為明顯但數值不大，約為豎向錯動的13。

整體而言，地裂縫的存在使得上盤4環和下盤3環出現較大的管片錯動，在實際工程中應對該位置處的接頭進行必要加強。

4結論

為研究地裂縫對盾構隧道的影響，依托鄭州4號線項目，基于相似準則進行了模型試驗。考慮到了6種不同地裂縫工況對隧道縱向變形、管片襯砌內力和管片環間錯動的影響。得出主要結論如下：

（1）地裂縫的存在使得盾構隧道變形主要分為3個階段，依次為整體沉降階段、不均勻沉降階段和穩定階段。在整體沉降階段，各管片沉降值較大，且管片間的差異沉降較小。不均勻沉降階段隨著管片環數的增大管片豎向沉降減小，各管片間存在沉降差異。穩定階段種各環的沉降較小，接近于未出現地裂縫工況。

（2）地裂縫在拱頂位置處造成了不均勻受力，使其受力更為復雜；在拱底位置則使得其內力增大。考慮到混凝土抗拉性能較差，應在設計時對受拉位置處進行局部加強。

（3）拱頂和拱腰的錯動主要發生在地裂縫位置處，從地裂縫位置處由大到小對稱分布。地裂縫錯動量越大，拱頂和拱腰的環間錯動越大，呈現出隨著地裂縫錯動量增加拱頂豎向錯動增大的一般性規律。

（4）地裂縫上盤4環和下盤3環出現較大的管片錯動，在實際工程中應對該位置處的接頭進行必要加強。

參考文獻：

[1]邵珠山，席慧慧，喬汝佳，等.運營隧道襯砌裂損與治理修復措施研究綜述[J/OL].現代隧道技術，2022，59（4）29.

[2]劉波，章定文，楊文輝，等.基于多案例統計的基坑開挖引起的下臥既有隧道隆起量預測公式及其工程應用[J].中南大學學報（自然科學版），2022，53（4）：1416.

[3]鞏江峰，唐國榮，王偉，范磊.截至2021年底中國鐵路隧道情況統計及高黎貢山隧道設計施工概況[J].隧道建設（中英文），2022，42（3）：508.

[4]《中國公路學報》編輯部.中國交通隧道工程學術研究綜述·2022[J].中國公路學報，2022，35（4）：1.

[5]王祖賢，施成華，曹成勇，等.非均質地基中盾構隧道的縱向變形分析[J/OL].鐵道科學與工程學報，2022，20（6）：2222.

[6]李媛.盾構隧道連續下穿多股鐵路地層預處理技術研究[J].鐵道建筑技術，2022，350（5）：124.

[7]韋宗科，陳健，陳斌，等.軟土基坑開挖對臨近既有隧道變形影響研究[J].人民長江，2022，53（6）：198.

[8]冀榮華.緩坡淺埋隧道洞門變形及治理措施研究[J].鐵道建筑技術，2022，350（5）：169.

[9]馮宇，唐世強，胡俊.高海拔特長隧道斜井上聯絡風道不同開挖方式對比分析[J].公路，2022，67（6）：386.

[10]馮國輝，徐長節，鄭茗旺，等.考慮軸向內力時盾構下穿引起的既有隧道變形響應分析[J].東南大學學報（自然科學版），2022，52（3）：523.

[11]苗晨陽，黃強兵，茍玉軒，等.地裂縫場地盾構隧道下穿施工對既有管廊的影響研究[J].現代隧道技術，2022，59（3）：155.

[12]邵帥，邵生俊，佘芳濤，等.地裂縫對隧道襯砌結構的作用和工程措施[J].巖土工程學報，2021，43（S1）：176.

（責任編輯 羅江龍）