史治文
（中铁十八局集团第三工程有限公司，郑州072750）
摘要：我国西北地区地裂缝发育程度较高，给隧道建设带来了较大的挑战。本文以西安地铁8号下穿地裂缝为背景，采用数值模拟的方法研究了地裂缝对隧道拱顶沉降速率和最终沉降值的影响，以及地基加固法在加固地裂缝场地中的应用。研究表明，地裂缝附近是影响隧道拱顶沉降最大的区域，采用地基加固法能够有效提高地基土体的承载能力，尤其对于浅埋隧道和较大洞径隧道采用地基加固法效果更佳，能够较好地保证隧道施工的安全。
0引言
地裂缝是地质活动等原因引起的地表或岩石内部的断裂带，其产生的原因和危害都备受关注。而盾构隧道则是一种常用的地下工程建设方式，它利用盾构机在地下开挖隧道，广泛应用于城市交通和基础设施建设中。然而，在盾构隧道建设过程中，遇到地裂缝可能会引发严重的安全问题，这也是盾构隧道建设中需要高度关注的问题之一。因此，对于地裂缝和盾构隧道的研究和探索，对于保障人民生命财产安全，促进城市可持续发展具有重要意义［1-3］。
相关学者展开了研究。苗晨阳等［4］采用有限元软件研究了盾构隧道在地裂缝场地内施工时引起管廊变形和应力变化；曹原等［5］通过有限元软件分析了隧道和地裂缝间的相互关系；杨招等［6］通过现场监测数据，对比分析了不同工法下地裂缝场地的地表位移和隧道变形；邵帅等［7］认为地裂缝的相滑移将会在隧道拱腰位置产生应力集中现象；苟玉轩等［8］在地裂缝场地下对盾构隧道的衬砌结构进行分析，研究了不同衬砌结构在地裂缝环境中的效果；任建喜等［9］对隧道暗挖施工进行数值模拟，通过实测数据分析了相应工法对围岩和地表的变形。
目前的研究主要是对地裂缝条件下隧道施工过程的分析，但对于在地裂缝条件下隧道埋深和洞径变化对隧道变形的影响研究较少。因此，本文从隧道埋深和洞径两方面对在地裂缝条件下的隧道变形进行分析，并对其采用相应的加固措施。
1工程概况
西安所在区域有较多的地裂缝分布，其地裂缝贯穿整个市区，在进行铁路建设时造成了严重的安全隐患。根据调查资料显示，西安地铁8号线穿越了几乎全部的西安地裂缝，与地裂缝相交可达31处，如图1所示。本文所研究的区间自堡子村站出发后沿浐灞进入杨家庄站。区间起迄里程为Y（Z）CK25+430.027~Y（Z）CK26+962.018，区间长度为1531.991m，其中隧道长度为1222.991m，明挖段长度为309m。隧道埋深13.144~22.462m，左、右线间距为17.2~25.0m。
2数值模拟分析
2.1有限元模型建立
采用有限元软件Midas GTS分析穿越地裂缝场地对隧道结构的影响，计算模型见图2，该模型尺寸为32m×22.5m×40m（长×宽×高），其中地裂缝倾角为85°，与隧道相交角度为80°。隧道采用盾构法施工，隧道拱底距地表为16m，隧道外径和内径分别为6.2m和5.5m。模型的顶部为自由面，底部施加Z方向的约束，左右两侧面和前后面分别施加X方向和Y方向的约束，满足约束条件的限制。模型中土体采用实体单元，符合摩尔-库伦屈服准则，盾壳和注浆层采用同一实体，通过改变属性可以相互转换，管片采用板单元模拟，符合线弹性模型。地裂缝采用界面单元接触模拟，地裂缝采用界面单元模拟后能够与土体产生相对的滑动和滑动产生的力学特征变化。
2.2模型参数
根据地质勘探结构显示，地裂缝主要被粉土和沙石所填充，地层从上至下依次为杂填土-新黄土-古土壤-老黄土-粉质黏土-中砂，材料参数如表1所示。根据Midas中的界面单元来模拟地裂缝对围岩的影响，计算界面一般需要Kn、Kt、c和φ等参数，参数可按式（1）计算：
式中：Kn和Kt为单元的法向和切向刚度；c和φ为黏聚力和内摩擦角；vi为界面单元泊松比，一般取值0.45；tv为界面单元虚拟厚度，取值在0.01~0.1范围；Gi为界面剪切模量。
2.3施工过程
在地裂缝场地进行盾构隧道开挖需要经过以下步骤：首先对开挖断面施加掘进力80kPa，开挖进尺为管片宽度1.5m，开挖完成后需要改变注浆层属性为盾壳属性以模拟盾构机进入隧道。随后，盾构机继续开挖，直到完全进入地层（盾构机长度为7.5m）。最后，盾构向前推进一个管片单位，将第一环的盾壳改为注浆属性，激活管片单元，完成衬砌支护。同时，为反映注浆体的冷凝过程，在延后三次盾构推进后，将其改变为稳定注浆。重复以上步骤直到施工完成，盾构法在模型中施工过程如图3所示。
2.4测点布设
为研究地裂缝在隧道施工中对隧道拱顶和拱顶的影响，在模型中设置4个监测断面进行分析，见图4。在隧道中心线的垂直方向上，布设了四个截面，分别为H1、H2、H3和H4。其中，H1和H2截面位于下盘，而H3和H4截面位于上盘。h1、h2、h3、h4分别为H1—H4断面与隧道拱顶的交点，其距隧道中心线与地裂缝交点位置处的水平距离分别为9m、3m、3m、9m，上、下盘呈对称布置。
3计算结果及分析
分析结果见图5可知，在无地裂缝的情况下，拱顶沉降值较小，随着施工进行出现轻微隆起，这主要是由于隧道支护和施加的掘进力导致拱顶土体向上挤压，使得拱顶土体隆起。在无地裂缝的情况下，拱顶沉降值在−1~1mm之间；而存在地裂缝的情况下，随着开挖进尺的增大，拱顶沉降值也增大，拱顶沉降较为显著，沉降曲线基本呈反“S”型。h2和h3因距离地裂缝较近，其拱顶沉降速率较为明显。h1和h4距离地裂缝较远，其拱顶沉降速率相对较缓。位于隧道下盘的h1（据地裂缝水平距离9m）。当施工进尺为4.5m时，其拱顶沉降量为2.3mm，随后下降速率增加，在施工进尺为15m后逐渐变得稳定，其最大沉降斜率为−0.87。位于隧道下盘的h2（据地裂缝水平距离3m）。当施工进尺为6m时，其拱顶沉降量为1.1mm，随后下降速率增加，在施工进尺为17.5 m后逐渐变得稳定，其最大沉降斜率为−1.12。位于隧道上盘的h3（据地裂缝水平距离9m）。当施工进尺为8.5m时，其拱顶沉降量为1.2mm，随后下降速率增加，在施工进尺为21m后逐渐变得稳定，其最大沉降斜率为−1.09。位于隧道上盘的h4（据地裂缝水平距离3m）。当施工进尺为16.5m时，其拱顶沉降量为0.9mm，随后下降速率增加，在施工进尺为22.5m仍未达到稳定。从上述分析可知，在盾构隧道下穿无地裂缝场地时，拱顶沉降较为稳定。而在穿越地裂缝场地时，拱顶沉降较为明显，按照沉降速率可划分为缓慢下降阶段、快速下降阶段和稳定阶段。在实际工程中需对快速下沉阶段加以关注。
最终拱顶沉降如图6所示，在无地裂缝条件下，拱顶最终沉降值较为平缓；而在有地裂缝的情况下，拱顶最终沉降值较为明显，在地裂缝附近拱顶沉降值发生突变，该突变区域为地裂缝影响区，其影响区大小为L=3m，下盘影响区占2m，约为67%，上盘影响区占1m，约为33%。
由上述分析可知，地裂缝的存在使得盾构隧道在开挖过程中产生较大的变形，其最终沉降值较大，而隧道的最终沉降往往时隧道建设安全的重要控制指标。因此，有必要对地裂缝和盾构隧道之间的关系展开研究。为了方便模拟和重点关注隧道的最终变形，将三维模型简化为二维模型，分析不同因素下地裂缝对隧道的影响。
4影响因素及加固方式
4.1模型验证
为了验证二维模型和三维模型的相关性，选择地裂缝和隧道中心线的交点处的隧道断面，建立二维模型。同时，提取相应模型在该点处的拱顶最终沉降值和拱底隆起值进行对比，见图7所示。由图7可知，三维模型在该点的隧道拱顶沉降为15mm，拱底隆起为9mm，而二维模型在该点的拱顶沉降为12mm，拱底隆起为8mm。两模型对应位置变形差分别为3mm和1mm，这是因为在二维建模中将不同类型的土层简化为了同一土层，使得隧道变形产生了不同，但变形差值较小，说明二维模型和三维模型在最终变形上具有一定的相关性，能够利用二维模型进行模拟分析。
4.2影响因素分析
4.2.1隧道埋深
为了研究不同隧道埋置深度在地裂缝场地的变形情况，设置了四种不同的埋置深度5m、10m、15m和20m，提取隧道拱顶沉降值进行分析，见图8所示。可以看出，当隧道埋深为5m、10m、15m和20m时，在无地裂缝的情况下，相应的隧道拱顶最终沉降值分别为0.8mm、1.2mm、1.5mm和2mm，且随着埋置深度的增加，拱顶沉降速率较为缓慢。而当有地裂缝的情况下，相应的隧道拱顶最终沉降值分别为8mm、9mm、13mm和16mm，且随着埋置深度的增加，拱顶沉降速率逐渐增大。同时，两种情况下的拱顶沉降之差也随着隧道埋置深度的增加而增加，在埋深5m时，拱顶沉降差为7.2mm，而在埋深20m时，拱底沉降差达到了14mm。这说明，在有地裂缝的情况下，隧道埋置越深会增大拱顶沉降变形。在实际工程中，应注意地裂缝和隧道埋深的关系，防止出现较大的隧道变形。
4.2.2隧道洞径
为研究隧道不同洞径在地裂缝场地的变形情况，设置四种不同洞径长度分别为6m、8m、10m和12m，提取隧道拱顶沉降值见图9。可以看出当无地裂缝时，相应的隧道拱顶最终沉降值分别为1.7mm、2.2mm、2.9mm和3mm，且随着隧道洞径长度的增加，拱顶沉降速率较为缓慢。当有地裂缝的情况下，相应的隧道拱顶最终沉降值分别为13mm、14.4mm、14.9mm和16.8mm，且随着隧道洞径长度的增加，拱顶沉降速率逐渐增大。同时，两种情况下的拱顶沉降之差也随着隧道洞径长度的增加而增加，在洞径长度为6m时，拱顶沉降差为13mm，而在洞径长度为12m时，拱底沉降差达到了16.8mm。
4.3加固措施
由上述分析可知，在地裂缝场地下隧道的拱顶变形要远大于无地裂缝的情况，尤其是在靠近地裂缝的区域，隧道变形明显增加。同时，不同的隧道埋深和洞径也会因地裂缝的存在增强了对隧道变形的影响。因此，需在进行隧道施工中，对地裂缝区域进行加固。经分析采用地基加固法先对地裂缝区域地基进行注浆加固处理。地基加固是在超浅埋隧道施工时，为减少地裂缝对隧道的影响，达到增强围岩的扰动性，控制隧道地表沉降的目的而采用的施工方式。不同隧道埋深和隧道洞径下的加固效果见图10。
从图10（a）可以看出，在采用地基加固法加固后，拱顶沉降值减小，减小速率较快。当隧道埋深位于5m、10m、15m和20m时，拱顶沉降值分别减小3mm、2mm、1.4mm和0.7mm，拱顶沉降值减小值随隧道埋深的增加逐渐减弱，由隧道埋深5 m时的3 mm减小值至隧道埋深20m时的0.7mm减小值，这说明地基加固法加固地裂缝场地时，对于浅埋隧道的加固效果更佳。由图10（b）可知，在采用地基加固法加固后，拱顶沉降值减小，减小速率较慢，当隧道埋洞径长度分别6m、8m、10m和12m时，拱顶沉降值分别减小0.8mm、1.4mm、1.7mm和3mm，拱顶沉降值减小值随隧道洞径长度的增加逐渐增强，由隧道洞径长度6m时的0.8mm减小值至隧道洞径12m时的3mm减小值，这说明地基加固法加固地裂缝场地时，对于较大洞径的隧道加固效果更佳。因此，采用地基加固法能够较好地加固地裂缝场地，在一定程度上能够保证盾构隧道施工的安全性。
5结论
（1）在有地裂缝情况下，隧道拱顶沉降速率可划分为缓慢下降阶段、快速下降阶段和稳定阶段，同时，拱顶最终沉降值较为明显，在地裂缝附近拱顶沉降值发生突变，该突变区域为地裂缝影响区。
（2）在有地裂缝的情况下，相应的隧道拱顶最终沉降值随着埋置深度和隧道洞径长度的增加，拱顶沉降速率逐渐增大，隧道埋置越深会增大拱顶沉降变形。
（3）采用地基加固法加固地裂缝场地时，对于浅埋隧道和较大洞径长度隧道的加固效果更佳。因此，采用地基加固法能够较好地加固地裂缝场地，在一定程度上能够保证盾构隧道施工的安全性。
转载文献来源：中国知网-结构工程师
