地层突降水对地铁联络通道初衬结构影响分析*

李 阳，宫志群，赵 峰，高东波，姜 岩，王文龙

(1.中国建设基础设施有限公司，北京 100029； 2.中建华东投资有限公司，江苏 徐州 221005；3.中建隧道建设有限公司，重庆 401320； 4.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

0 引言

因城市地下结构往往处于含水层环境，施工环境复杂，可能会造成巨大的安全隐患。如果对含水层进行突降水则会使含水层固结压密，地层位移场发生改变，从而造成地下结构体受力发生变化，导致结构体产生附加变形、不均匀沉降、破坏等一系列危害，严重时甚至会引发重大事故。因此，研究地层突降水对地下结构体受力、变形等影响成为地下结构建设中必不可少的一项任务。

国内外相关技术工作者已经开展了一系列的分析研究。郑刚等[1]利用ABAQUS软件进行了承压层减压降水对既有盾构隧道影响的有限元仿真模拟，分析了既有隧道相对于承压含水层处于不同位置时隧道周围土体的应力场、隧道横断面的内力和变形；黄戡等[2]基于比奥固结理论，依据实际工程背景利用Midas GTS NX软件建立数值模型，进行了深基坑开挖降水对邻近地铁隧道的影响分析；贾媛媛[3]等针对某一实际工程背景，将有限差分法与流固耦合理论相结合，分析了在隧道施工降水过程中既有市政管线隧道的受力特性及沉降规律；张文辉[4]通过区间抽水实验分析和对周边沉降监测数据进行对比处理，得出了地层施工降水对城市轨道交通的影响范围，并给出确定方法和简便计算公式。此外，对于基坑降水引起地表沉降的规律也有相关研究[5-8]。总的来说，虽然目前关于城市轨道交通的降水工程已经有了一定研究，但是现有的研究大多都是探究基坑或含水层施工降水引起的地表沉降和给周边建筑物带来的影响，而地层突降水对环境域内既有地下结构体变形影响的机制却少见报道。本文以国内首座集明、暗、盖挖为一体的大型换乘车站进站左右线隧道联络通道为工程背景，通过理论计算解析分析和三维数值模拟的方法来研究地层突降水对既有初次衬砌的影响，并对结果进行分析比较，以期对类似工程施工提供借鉴。

1 工程概况

研究区域为徐州市轨道交通地铁1，2号线的换乘车站，是国内首座集明、暗、盖挖为一体的大型换乘车站。工程区域隧道为轨道交通左线和右线之间的2号风道用横通道。该广场周边环境十分敏感，工程与水文地质问题突出，车站结构异常复杂，其暗挖段地表以下分别为：2～3m为素填土层、6～8m为老城杂填土以及约10m为硬塑状黏土层。其中，老城杂填土以粉质黏土、粉土、淤泥质土为主，土质极不均匀，疏松易垮塌。土层下部为灰岩、泥质砂岩、砂岩、页岩互层，灰岩中有填充型及无填充型溶洞。地层走向NNE，倾向SEE，倾角70°～80°。左右线隧道基本位于黏土与各岩层的土层分界面，基本穿越在岩层。采用明挖、暗挖和半盖挖3种工法进行施工，其隧道断面为马蹄形，采用CRD法施工，断面支护形式均采用复合式衬砌，由初期支护、防水层、二次衬砌组成，初期支护采用喷射混凝土，二次衬砌采用现浇钢筋混凝土。

根据工程勘察报告揭示地下水按照赋存条件、含水介质以及水力特征分类，分别为上部填土中的上层滞水、第四系土层中的孔隙水(潜水)以及基岩裂隙水。土层段含水层以杂填土、粉质黏土夹粉土、老城杂填土为主，属第四系孔隙潜水，水位埋深3.7～5.6m，水流量小，渗透性较差，呈断续分布。在隧道上方黏土层中沿隧道轴线方向水深分布有明显的规律，以距离右线隧道越近处水深越高。岩层中灰岩层段含水量较少，该含水层段呈条带状分布。第四系土层中的潜水赋存于古黄河两岸阶地冲积形成的粉土、砂土层。基岩地下水赋存于寒武系灰岩溶隙和岩层面扩大化的溶穴洞中，为承压含水层，承压水水头位于地表以下6m。

2 工程降水方案设计与试验

工程进行降水前需选取合适的降水管，为分析超前降水管的降水规律，开展了现场抽降水试验。试验前提条件是地层中的水量相同，分析不同管径和功率下的降水效率。选用35，45和65mm这3种管径的降水管进行降水，抽水功率不变，总结3种管径下降水各时刻水位面变化情况，并对比分析3种不同管径降水管的降水效果，如图1所示。

图1 不同管径降水管降水效果

对比上述不同管径降水管降水数据，65mm管径降水效率较高、降水较稳定，故实际应用降水方案使用此管径的降水管及与其配套抽水功率为7.5kW的抽水泵。在联络通道两侧边墙位置分别设置5根长20m的降水管，在边墙周边布设10根降水孔进行排水，并在联络通道轴线上方布置测线，对其沉降值进行监测。

3 突降水对联络通道变形理论计算

首先建立城市轨道交通突降水对隧道衬砌影响的解析模型。以Pasternak地基梁模型建立衬砌挠度模型。Pasternak地基梁模型为在Winkler地基梁模型的基床系数K上增加1个剪切层G，以模拟土体之间的剪切刚度。以右线隧道与联络通道连接处为原点，通道轴向为x轴，竖直方向为y轴建立直角坐标系，将联络通道平均分为n段，则有n+1个节点，记原点处节点为节点0，联络通道与左线隧道的连接处为节点n，则联络通道的挠曲线方程为：

(1)

式中：EI为地基梁抗弯刚度(kN·m2)；y为衬砌挠度(m)；K为地基基床系数(kN/m3)；x为纵向坐标轴(m)；G为地基土剪切刚度(kN/m)；B为隧道宽度(m)；p为受力(kN)。

与联络通道相比，左右线隧道刚度较大，可视为固定端，则边界条件为：

(2)

在节点0之前和节点n之后分别增加1个虚节点n-1和n+1。根据标准有限差分原理，式(1)各微分项的有限差分形式如下：

(3)

(4)

将式(3)带入式(1)可得挠曲线的有限差分形式，化为矩阵表示方法为：

[K][y]=[p]

(5)

式中：[K]为刚度系数矩阵；[y]为挠度矩阵；[p]为荷载矩阵。将土体参数、支护参数带入式(4)可得到衬砌沉降值。

由理论推导可得，联络通道变形与土体基床系数和剪切刚度有关，其中基床系数反映土体的压缩性质，体现在联络通道变形对土体产生挤压效应时，土体的压缩变形和对联络通道的反作用力；剪切刚度反映土体抗剪能力，体现在联络通道不均匀变形导致土体之间的差异压缩。

4 数值计算建模分析

FLAC3D是一款基于三维显式有限差分法的连续介质力学分析软件，在计算中输入命令config fluid，可以进行瞬态渗流分析，此时孔隙水压力随着浸润面的变化而变化，FLAC3D会根据运动方程、平衡方程、相容方程与边界条件进行求解。基于FLAC3D强大的计算功能，针对研究区域降水产生渗流力变化引起的衬砌变形问题，建立的流固耦合数学模型如下[9]：

(6)

式中：M为比奥模量；S为饱和度；φ为孔隙度；P为孔隙水压力(不包含大气压)；α为比奥系数；ε为体应变。

4.1 数值计算基本假定

1)岩体是均质、各向同性的连续介质。

2)在进行降水前，孔隙水处于静止状态，在降水过程中渗流场重新分布为稳定渗流状态。

3)地下水渗流过程中完全服从Darcy定理。

4)初始应力仅考虑土体的自重应力作用，不考虑构造应力作用。

5)主要研究对象为2号联络通道，采用衬砌结构单元进行支护。

根据地质勘探报告，隧道顶部覆有3种土体材料，左右线隧道与联络通道位于岩层之中，在对土体进行运算时，采用Mohr-coulomb本构模型。获取所需土层基本参数如表1所示。

表1 土体参数

衬砌主要参数如表2所示。

表2 衬砌支护参数

4.2 数值模型建立

计算采用三维建模，根据工程经验，模型计算深度取50m，横向宽度取64m，纵向宽度取100m，土体和岩体采用实体单元，衬砌采用结构单元。在模型中选用的均是实体单元，整个模型共剖分了205 843个节点，195 360个单元，具体建立的计算模型构造、网格划分和衬砌单元如图2，3所示。

图2 数值计算整体三维模型

图3 左右线隧道及联络通道衬砌

位移场、应力场、渗流场边界条件：限制前后左右四侧的法向位移和底部边界3个方向的位移，上表面取至地表，设置为自由表面。模型整体施加自重应力场9. 8m /s2。设置前后左右和底部5个边界为不透水边界，上部边界设置为透水边界。

4.3 计算过程

本模拟将分为4个分析步：①平衡地应力 对模型整体施加自重应力场，将上部静水压力以面荷载的形式施加到上表面，使其在自重应力和静水压力下沉积固结，等待平衡后将位移调整为零，从而得到平衡地应力后的土体模型；②开挖土体 利用null模型对左右线隧道和联络通道按工法开挖，其中联络通道开挖区域划分如图4所示，开挖后的边界视为自由排水边界；③添加支护 在开挖过程中进行衬砌支护，边开挖边支护，支护完成后利用solve命令进行求解，待稳定后将位移清零，本工程二衬施工严重滞后于初期支护施工，因此在模拟中不考虑二衬作用；④降水施工 设置渗流模式进行降水，随后求解至稳定。

图4 联络通道施工开挖区划分

在降水计算完成后对联络通道围岩的应力场进行分析。分析可知，隧道周围的岩体由于受到开挖扰动和孔隙水压力场变化带来的影响，应力较初始呈水平状态的竖直应力场发生了较大改变。在离隧道开挖较远的区域，应力仍随土层深度呈线性变化。在隧道拱顶与拱底处，由于应力释放的缘故，竖向应力较小。而在隧道下帮区域的岩体由于承受了支护传导的岩体，竖向应力较大，局部区域受力形状呈“耳朵状”。

利用fish语句提取左右线隧道中间隧道部分的衬砌沉降进行分析。在降水计算前于隧道拱顶布置测线以监测沉降变化，根据沉降数据绘制曲线如图5所示。

图5 监测点的沉降变化曲线

由图5分析可知：①在距右线隧道右帮3.5m处隧道拱顶沉降量最大，约为11.15mm。②在距右线隧道右帮0～3.5m处沉降逐渐增大，在距右线隧道右帮3.5～12m处沉降逐渐减小，并且减小速率逐渐放缓，最小沉降出现在横通道与左线隧道的交界面处。降水对左右线隧道产生的影响较小。③考虑降水时流固耦合效应产生的沉降相对于降水之前有明显增加。分析产生上述现象的原因：渗流方向为由上往下流动，产生了向下的渗流力，隧道上方土体由于失水发生了固结沉降，导致了土体有效应力的增加，二者共同作用使岩土体变形增加，进而使隧道衬砌产生了向下的沉降。在渗流场作用下在距右线隧道右帮0～3.5m处横通道上方虽然降水较大但在3.5m处监测点沉降却最高，这是由于左右线隧道刚度较大，受右线隧道的限制作用，在其附近的联络通道衬砌沉降受到了较大影响，随着距右线隧道距离的增加，这种影响也逐渐削弱。在3.5～12m处主要由于降水量呈逐渐减少趋势，因此沉降也逐渐减小。

将在降水完成后最大沉降点视为特征点，为分析特征点在降水过程中位移的变化情况，提取数据进行分析。在整个降水过程中，该点的位移绝对值逐渐增大，最大为11.15mm，整个过程中没有出现更大的沉降值，说明降水结束后各点沉降值即为该点沉降经历的最大值，进一步验证了数值模拟结果的合理性。

将特征点所处沿衬砌横向的横截面视为特征面，再次进行模拟，此次模拟在隧道开挖和支护后不将位移清零。综合探究开挖、支护、降水都完成后特征面的位移变化。

分析可知，在开挖和降水等因素作用下，竖向位移主要发生在拱顶和拱底，隧道上部由于应力释放和渗流动水压力的作用，整体位移向下，沉降最大值为19.12mm，隧道下部主要由于应力释放发生卸荷回弹，整体位移向上，即产生隆起，隆起最大值为21.16mm，两侧岩体的变形趋势较为平缓且数值较小。隧道上方和下方的沉降数值都比两侧岩体沉降数值大，因此在施工时要在拱顶、拱底处适当提高位移预留量和加强监测，并适当加强辅助支护措施。

4.4 计算结果对比分析

将表1，2中数据代入式(5)，可得在理论计算方法下突降水对联络通道衬砌沉降大小的影响。将解析解、数值模拟与现场实测得到的该工程实例水文地质参数背景下的衬砌沉降值进行对比分析，绘制出曲线如图6所示。

图6 3种方法获得的沉降变化曲线

降水后较降水前位移发生了明显改变，3种方法获得的沉降规律基本吻合；对比可知，在数值模拟中没有考虑二衬的支护效果，得到的沉降整体最大，说明上文中计算假定与简化是合理的，且计算结果偏于安全；在理论计算中由于将左右线隧道作为固定端，所以通过此方法获得的整体沉降小；在理论计算中将衬砌简化为刚体，因此得到的处于衬砌同一横截面的各点位移相同，而在数值模拟中衬砌不是刚体，因而得到的隧道上部位移整体比下部大，通过数值模拟方法得到的沉降规律更符合复杂的实际工况；最大沉降都位于距右线隧道右帮3.5m处，在该处附近沉降速率处于急剧变化的区域，处于不利状态，应加强监测和维护。

5 应对突降水初衬安全控制措施

依据上述计算与实测成果，提出突降水引起隧道衬砌变形的相关控制措施。

1)加强支护 在此类工程隧道施工过程中，可以通过采取合适的施工工法、进行全断面注浆加固等措施，改善围岩条件，提高围岩整体的承载能力。该横通道属于高窄异形隧道，宜采取双层仰拱6导洞CRD工法施工。

2)在降水施工前，做好科学详尽的探测和预测，为后续施工提供强有力的数据支撑。在施工过程中布置测线进行应力和位移监测，以便第一时间掌控隧道围岩的稳定性情况，及时采取措施。优化施工方案对拱顶沉降及收敛情况是否受控进行评估，尽可能创造机械作业条件，对中支撑采取“锚杆锚固+角钢连接+型钢回撑”方式进行主动托换，施工快速。

3)目前针对该类工程施工的参考标准较少，需要完善相关风险评估方法及相关规章制度，提高重视程度。

6 结语

1)城市轨道交通施工突降水会使影响域内的隧道衬砌产生较大沉降，对隧道稳定性产生不可忽略的影响，表现为降水量越大，影响越明显。

2)通过工程实测、理论计算、数值模拟3种方法得到了联络隧道衬砌的沉降规律。在长为12m的联络隧道衬砌中，得出距右线隧道右帮3.5m拱顶处沉降最大，通过数值模拟、工程实测、解析计算得到的最大沉降量分别为11.15，10，10mm。在隧道纵向方向向两侧延伸沉降趋势为逐渐减小，变化速率也逐渐缩小。

3)在降水施工过程中必须在可控点加强监测。优化施工方案对拱顶沉降及收敛情况是否受控进行评估，尽可能创造机械作业条件，对中支撑采取“锚杆锚固+角钢连接+型钢回撑”方式进行主动托换，施工快速。