摘　要:针对台凹型活动地裂缝正交区间隧道,通过有限差分数值方法模拟地裂缝区间隧道的开挖施工、分缝衬砌结构与地裂缝上下盘之间相对错动,从地表和衬砌的沉降位移、围岩位移场、围岩土压力以及衬砌结构内力方面分析了隧道结构与围岩的变化特征.结果表明:台凹型活动地裂缝不均匀变形主要发生在上盘内地裂缝一定范围的地层内;分缝衬砌结构端部的拱顶土压力呈现出集中增大和减小的变化特征,上盘内地裂缝附近仰拱底的土压力出现松弛;变形缝两侧衬砌结构的端部出现轴向应力集中现象.分缝衬砌结构一方面能够适应地裂缝错动位移,避免结构内力过大而引起强度破坏;另一方面,能够抑制地层的不均匀沉降变形,使得地裂缝处变形缝两侧衬砌结构的相对位移减小,并改善地裂缝区间隧道的运行条件.

关键词:地裂缝;台凹型;地铁隧道;数值模拟

 

      目前,西安市郊区共发现15条主地裂缝,其分布范围东起铲河,西至皂河,北起辛家庙,南至电视塔,面积约150 km²,活动特征主要有垂向位移、水平拉张和水平扭动,主地裂缝总体走向均为北东,倾向南东,倾角约80°,致使地裂缝所到之处的地面建筑物和地下设施遭到破坏,迄今为止,已造成数亿元的直接经济损失;不仅如此,地裂缝还在不断扩张,并出现新的地裂缝带,严重地制约了城市建设和规划发展,为城市工程带来重大隐患.

      关于西安市地裂缝的分布特征、成因、活动现状及运动规律已开展了研究^[1-3],得到了西安市地裂缝的地质条件,并形成了房屋建筑工程地裂缝应对措施的指导原则;然而,从工程设计角度展开研究还较少见,尤其是有关地裂缝对地铁隧道工程影响的相关研究更少.黄强兵等^[4]通过模型试验研究了地裂缝作用下隧道结构变形和破坏形式,其中,模型隧道的断面为矩形,且未设变形缝,隧道下为刚性基础,这与目前的马蹄形断面分缝衬砌结构技术方案不同;笔者曾研究^[5-7]了草场坡至小寨区间穿越f₆地裂缝的地铁隧道技术,并提出了相应的计算模型.本文在此基础上,研究了地裂缝活动条件下地铁隧道衬砌结构与围岩相互作用机理.

 

      数值计算采用有限差分法FLAC 3D计算软件,模型宽度(x方向)为80 m,高度60 m(z方向),长度(y方向)为150 m,得到80 m×60 m×150 m的双向隧道计算模型如图1所示.其中,沿y方向,即洞轴线方向0~40和95~150 m为盾构开挖施工区域,中间段40~95 m为矿山法即浅埋暗挖法施工区域,地裂缝处隧道的处理段上盘为20 m,下盘为25 m,总长度为45 m.地裂缝接触面在底边y=75 m处,倾角为80°,地裂缝与洞轴向正交,并在地裂缝处设置变形缝.盾构施工隧道断面形状为圆形,盾构隧道内半径2.7 m,衬砌为厚30 cm的C50钢筋混凝土.矿山法施工隧道断面形状为马蹄形,隧道截面净空宽8.3 m、高8.45 m,衬砌厚度80 cm,其中一衬砌为厚30 cm的C25喷射混凝土,二衬砌为厚50 cm的C30模注钢筋混凝土.

      数值计算所用力学参数依据西安地铁草场坡至八里村区间段地层土的试验结果选取.根据实际勘察资料,数值模型将围岩土层分为如下4种:  Q3新黄土(埋深0~7.5 m); ④Q3粉质黏土古土壤层(埋深7.5~25.5 m);（四）老黄土古土壤层(埋深25.5~30.5 m);  Q4粉质黏土(埋深30.5 m以下).在模型中,土体采用摩尔-库伦模型,其具体参数如表1所示.盾构衬砌和矿山法一衬采用壳体单元,矿山法二衬采用实体单元,本构模型均采用线弹性,具体参数如表2所示.地裂缝采用接触面单元模拟,具体接触面参数分别为:体积模量146 MPa;剪切模量0.5 MPa;拉应力1.4 kPa;黏聚力5 kPa;摩擦角5°.

      西安地裂缝场地勘察与工程设计规程中规定,地裂缝的主变形区为上盘0~6 m,下盘0~4 m;微变形区为上盘6~20 m,下盘4~12 m,由此确定不同结构类别的建筑物避让距离.

      具体的边界条件为:地裂缝模型左右两侧面及纵向两端面为法向约束;顶面为自由面;下盘固定约束;上盘底部距地裂缝5 m范围内施加线性衰减变化的位移,最大为1 m,最小为0.1 m,上盘其余底部均为0.1 m.在本文计算分析中,位移边界条件的模拟依据是地裂缝地表形态为台凹型.当地层中未设隧道衬砌结构时,计算模型输入图2所示的位移条件,地裂缝上下盘最大错动位移达到50 cm,地表变形形态呈台凹型,如图3所示.

      由图3和4可见:隧道地层的地表沉降位移在两洞轴线之间较小,远离隧道洞轴线的沉降位移较大;而自由场地的地表则出现均匀的凹槽,呈台凹型.这说明在地裂缝活动中,隧道结构影响隧道围岩土体以及地面变形规律.由图4可见,尽管隧道衬砌结构设置了变形缝,但其仍然阻碍上盘隧道附近土体的沉降变形,迫使下盘土体也产生了沉降变形,这反映了分缝衬砌结构与地裂缝上下盘之间相对错动土体而相互作用的变形反应特征.

      地裂缝影响区段为40~95 m,采用矿山法开挖,浇注分缝衬砌结构.图5和6所示为分缝衬砌结构拱顶和拱底的土压力分布情况.可以看出:在地裂缝错动位移条件下,拱顶、仰拱底的土压力发生了显著变化.在拱顶轴线,变形缝一侧上压力集中增大,而另一侧土压力集中松弛;在仰拱底,上盘内2个衬砌结构段范围内,土压力出现显著松弛,最小达到21.6 kPa,下盘内变形缝两侧仍存在土压力集中增大和松弛的现象.

      图7和8分别为隧道衬砌拱顶和拱底轴线应力沿隧道轴线分布的情况.可以看出,衬砌结构拱顶、仰拱底轴线应力主要集中在变形缝两侧衬砌结构的端部.其中:下盘内拱顶轴向应力以拉应力为主;上盘内拱顶轴向应力和上、下盘内仰拱底的轴向应力主要以压应力为主.衬砌洞顶部位的最大拉应力为0.257 MPa,最大压应力0.321 MPa,且均出现在地裂缝的衬砌变形缝附近.由于C30混凝土的抗压强度为30 MPa,抗拉强度为2.01 MPa,故衬砌结构处于安全状态.

      隧道横断面位移场选取如图9所示的4个典型断面.隧道穿越地裂缝地层时,地层沉降位移分布差异很大.图10(a)为下盘地裂缝附近的位移场,下盘沉降位移是由上盘衬砌结构与土体相互作用而引起下盘沉降的结果.图10(b)为地裂缝主要影响区域的沉降位移分布.

      可见,衬砌结构附近的土体沉降位移较小,远离衬砌结构的土体沉降位移较大.与衬砌结构同一位置自由场地沉降位移对比可以看出,衬砌结构对其下20~30 m范围内的土体沉降具有明显地抑制作用.由图10(c)和(d)可见,当逐渐远离地裂缝时,其影响逐渐减弱.

      隧道横纵面位移场选取如图11所示的3个典型断面.当地裂缝地层穿越分缝衬砌结构时,在地裂缝错动位移作用下,不同纵断面的沉降位移分布如图12所示.可以看出,隧道衬砌结构对地层沉降位移的抑制作用显著,即使在隧道外侧一定范围内也同样有显著影响.分缝衬砌结构对地裂缝地层沉降变形的抑制作用主要是由于每节衬砌结构与土体相互作用形成了一个应力扩散的影响范围,而且相邻衬砌结构的影响范围互相叠加.因而,分缝衬砌结构增大了沿纵轴线方向的刚度,抑制了周围土体变形的发展.

 

      (1)在地裂缝台凹型不均匀沉降位移条件下,隧道结构仍能够有效抑制地裂缝附近地层的不均匀变形,且使得不均匀沉降向下盘内部传递.

      (2)分缝衬砌结构端部的拱顶土压力出现集中增大和松弛的现象;上盘内地裂缝附近仰拱底的土压力出现显著松弛的变化特征;围岩的土压力变化将引起隧道衬砌结构内力变化.

      (3)变形缝两侧衬砌结构的端部出现了集中现象.下盘内拱顶轴向应力以拉应力为主;上盘内拱顶轴向应力和上、下盘内仰拱底轴向应力主要以压应力为主,且衬砌结构处于安全状态.

      (4)分缝衬砌结构能够适应地裂缝错动位移的要求,避免结构内力过大而引起强度破坏;同时,能够抑制地层的不均匀沉降变形,使得地裂缝处变形缝两侧衬砌结构的相对位移减小,并改善地裂缝区间隧道的运行条件.