楊 兆,黃強(qiáng)兵,2,王立新,王友林

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系,西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué)巖土與地下工程研究所,西安 710054； 3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043；4.陜西省城市地質(zhì)與地下空間工程技術(shù)研究中心,西安 710068)

引言

西安市地處內(nèi)陸盆地，地質(zhì)構(gòu)造的特殊性與地下水的開(kāi)采，導(dǎo)致地裂縫災(zāi)害十分發(fā)育，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，西安市內(nèi)共出現(xiàn)14條地裂縫，地裂縫自東北向西南廣泛分布，遍布全城，在國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)，部分地裂縫仍在活動(dòng)，對(duì)在建的西安地鐵構(gòu)成嚴(yán)重威脅。針對(duì)西安地鐵建設(shè)中的地裂縫問(wèn)題，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者已開(kāi)展大量的研究并取得一系列重要成果[1-5]。為了安全可控、未來(lái)便于維護(hù)，目前西安地鐵穿越地裂縫地段均采用淺埋暗挖法(礦山法)通過(guò)，結(jié)構(gòu)上采取分段設(shè)縫、擴(kuò)大斷面、預(yù)留凈空及襯砌加強(qiáng)等特殊措施[1，2，4]。到目前為止，這種施工及應(yīng)對(duì)措施基本是有效的，但也存在工期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高等突出問(wèn)題。而盾構(gòu)法施工速度快且在安全性、施工質(zhì)量及成本等方面均優(yōu)于淺埋暗挖法，在地裂縫場(chǎng)地能否采用盾構(gòu)通過(guò)？如果采取盾構(gòu)法穿越地裂縫這種特殊地質(zhì)場(chǎng)地或地段，會(huì)引起什么樣的地表、地層沉降及結(jié)構(gòu)變形與圍巖壓力變化特征？與無(wú)地裂縫的天然場(chǎng)地有何差別？盾構(gòu)法施工過(guò)地裂縫帶需要采取什么樣的應(yīng)對(duì)措施？隨著西安城市軌道交通快速推進(jìn)，規(guī)劃線路之多，線路穿越地裂縫場(chǎng)地的次數(shù)越多，如果仍采用以往暗挖施工、隧道分段設(shè)縫與擴(kuò)大斷面等特殊措施通過(guò)，不僅成本高，防水壓力大，而且建設(shè)進(jìn)度也難以滿足規(guī)劃要求，于是盾構(gòu)法施工過(guò)地裂縫場(chǎng)地便提上日程。

關(guān)于盾構(gòu)法施工引起地表變形問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開(kāi)展了大量的研究，如1969年P(guān)eck[6]通過(guò)盾構(gòu)隧道地表沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出用于計(jì)算盾構(gòu)隧道施工所引起地表沉降值的Peck公式；唐曉武[7]等利用彈性力學(xué)Mindlin解，推導(dǎo)了盾構(gòu)施工引起的地面變形計(jì)算公式；韓煊等[8]通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了Peck公式對(duì)中國(guó)大部分地區(qū)地鐵隧道開(kāi)挖引起地表沉降的適用性；張?jiān)频萚9]針對(duì)盾構(gòu)隧道所引起的地表變形問(wèn)題提出了等代層概念，并結(jié)合工程實(shí)例，獲取等代層的參數(shù)，研究等代層參數(shù)對(duì)于地表沉降的影響；房明等[10]采用三維有限元方法對(duì)新建隧道盾構(gòu)下穿施工過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬；陳春來(lái)等[12]基于Peck公式，對(duì)雙線水平平行盾構(gòu)法施工中土體損失所引起的三維土體沉降計(jì)算方法進(jìn)行研究；朱合華[18]借助于模型試驗(yàn)方法，研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程頂進(jìn)推力變化的規(guī)律，土體與盾殼之間摩擦作用的機(jī)理及其影響因素，對(duì)盾構(gòu)千斤頂頂進(jìn)推力的計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)；何川[19]開(kāi)展室內(nèi)掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)，研究黃土地層盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)黃土擾動(dòng)情況及施工關(guān)鍵參數(shù)等問(wèn)題；梁榮柱[20]基于彈性力學(xué)Mindlin解，得出盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地表豎向位移及深層土體水平位移解答，等等。上述研究均未涉及地裂縫場(chǎng)地以及盾構(gòu)法施工穿越地裂縫帶地表及隧道變形等方面的問(wèn)題。

鑒于此，本文以西安地鐵8號(hào)線盾構(gòu)法穿越地裂縫場(chǎng)地為工程背景，基于有限元數(shù)值計(jì)算，對(duì)盾構(gòu)施工引起的地表沉降、結(jié)構(gòu)變形規(guī)律、影響范圍進(jìn)行分析，并與地裂縫場(chǎng)地傳統(tǒng)CRD工法、天然場(chǎng)地盾構(gòu)工法掘進(jìn)對(duì)比，以期為地裂縫場(chǎng)地地鐵盾構(gòu)工法過(guò)地裂縫帶施工與設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

目前西安市已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)地鐵線路共有5條，為地鐵1～4號(hào)線和機(jī)場(chǎng)城際線，里程長(zhǎng)度共計(jì)161.46 km；在建線路共12條(段)，分別為：1號(hào)線三期，5號(hào)線一期，5號(hào)線二期，6號(hào)線一期，6號(hào)線二期，9號(hào)線(臨潼線)一期，8號(hào)線，2號(hào)線二期，10號(hào)線一期，14號(hào)線、16號(hào)線一期。預(yù)計(jì)到2025年，形成12條線路運(yùn)營(yíng)、總長(zhǎng)423 km的軌道網(wǎng)，由于西安市地裂縫貫穿整個(gè)市區(qū)(圖1)，因此幾乎所有地鐵線路不可避免通過(guò)這些地裂縫帶，對(duì)地鐵建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)重安全隱患。

圖1 西安地裂縫分布[1]

根據(jù)《西安市城市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃(2019-2024年)》，其中西安地鐵8號(hào)線是西安市唯一的市域大環(huán)線，該線路穿越了西安地區(qū)的幾乎全部14條地裂縫，相交共31處(圖2)。建設(shè)單位首次考慮嘗試采用盾構(gòu)工法穿越地裂縫帶，目前正在進(jìn)行可行性論證研究，本文將通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，揭示盾構(gòu)施工引起的地表沉降、結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及影響范圍，并與地裂縫場(chǎng)地傳統(tǒng)CRD工法、天然場(chǎng)地盾構(gòu)工法掘進(jìn)結(jié)果對(duì)比，分析地裂縫環(huán)境下盾構(gòu)穿越地裂縫場(chǎng)地的優(yōu)越性和可行性。

圖2 西安地鐵與地裂縫相交示意[13]

f6地裂縫總體走向NE65°～75°，傾向SE，傾角75°～80°，發(fā)育帶寬度達(dá)35～70 m，地質(zhì)剖面見(jiàn)圖3，該地裂縫與地鐵8號(hào)線東線相交位置周?chē)_(kāi)發(fā)程度一般，以低層居民住房為主，遠(yuǎn)處有高層住房，周?chē)许?xiàng)目正在施工(圖4)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，萬(wàn)壽中路瀝青路面出現(xiàn)多處開(kāi)裂，裂縫走向與f6走向基本一致，地表裂縫間距相等約為2 m，裂縫長(zhǎng)3～4 m，寬0.5～1 cm。

圖3 f6地裂縫地層剖面

圖4 f6地裂縫周邊建筑情況

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

本次采用大型有限元分析軟件Midas GTS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將盾構(gòu)工法和傳統(tǒng)CRD工法進(jìn)行掘進(jìn)進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算模型如圖5所示，模型尺寸為：135 m(長(zhǎng))×50 m(寬)×40 m(高)，即豎向z為40 m，水平向y為50 m，縱向x為135 m，地裂縫傾角取80°，與隧道相交為75°，隧道分別采用盾構(gòu)法錯(cuò)縫拼裝與傳統(tǒng)CRD工法掘進(jìn)，隧道拱頂埋深9 m，暗挖隧道斷面開(kāi)挖跨度9 m，高為9.2 m，斷面為馬蹄型；盾構(gòu)隧道的外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，標(biāo)準(zhǔn)幅寬1.5 m，分塊采用“1+2+3”，如圖6所示。模型左右兩端和前后兩側(cè)分別施加X(jué)方向和Y方向約束，底部施加Z方向約束，頂部為自由面。土體模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，初支噴混、中隔壁、臨時(shí)鋼支撐、盾殼與襯砌等隧道結(jié)構(gòu)均采用線彈性模型[10]。地裂縫采用interface接觸單元來(lái)模擬，GTS軟件所提供的interface接觸單元可以模擬單元間的相對(duì)滑動(dòng)或滑移， 能夠較好地反映錯(cuò)動(dòng)過(guò)程的力學(xué)特征，隧道結(jié)構(gòu)采用板單元來(lái)模擬，地層等采用實(shí)體單元模擬。

圖5 有限元計(jì)算模型

圖6 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)(單位：mm)

模擬計(jì)算過(guò)程中，初始地應(yīng)力場(chǎng)只考慮土體產(chǎn)生的自重應(yīng)力，不同土層土體均為連續(xù)介質(zhì)，圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)均不考慮膨脹。超前注漿加固區(qū)域通過(guò)改變相應(yīng)區(qū)域圍巖屬性實(shí)現(xiàn)。

2.2 模型及計(jì)算參數(shù)

(1)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘察資料顯示地下水位位于地表以下10.0 m，地層分別為雜填土、新黃土、古土壤、老黃土、老黃土(水位下)、古土壤、粉質(zhì)黏土、中砂；地裂縫屬于軟弱結(jié)構(gòu)面，根據(jù)野外調(diào)查，地裂縫帶常被粉土、粉細(xì)砂等填充，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1[10，14，15，17]。

(2)計(jì)算工況

盾構(gòu)法從地裂縫帶下盤(pán)至上盤(pán)循環(huán)開(kāi)挖模擬過(guò)程為：①開(kāi)挖進(jìn)尺為盾構(gòu)管片幅寬1.5 m的地層，對(duì)注漿體單元賦以盾殼單元屬性[16]，對(duì)開(kāi)挖面施加掘進(jìn)壓力；②依次循環(huán)直至盾構(gòu)機(jī)全部推進(jìn)地層(盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)7.5 m)；③盾構(gòu)機(jī)再次向前推進(jìn)一個(gè)襯砌單元環(huán)長(zhǎng)度，將第一環(huán)襯砌環(huán)注漿體單元與襯砌單元賦以初期注漿體單元與襯砌單元材料，對(duì)管片襯砌施加注漿壓力；④為了反映注漿體的冷凝過(guò)程，將注漿材料此時(shí)屬性延續(xù)3次盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)間。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)到第9環(huán)管片位置時(shí)，將第一環(huán)管片注漿材料屬性賦予穩(wěn)定注漿材料，同時(shí)消去注漿壓力，管片僅承受地層應(yīng)力，整個(gè)模擬過(guò)程不斷推進(jìn)直至施工完畢，如圖7所示。

表1 有限元模型計(jì)算參數(shù)

圖7 盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程模擬(單位：m)

圖8 開(kāi)挖斷面

傳統(tǒng)CRD工法從地裂縫帶下盤(pán)至上盤(pán)循環(huán)開(kāi)挖模擬過(guò)程為：①超前支護(hù)；②導(dǎo)洞一開(kāi)挖支護(hù)；③導(dǎo)洞一封閉5 m后，導(dǎo)洞二開(kāi)挖支護(hù)；④導(dǎo)洞二封閉10 m后，導(dǎo)洞三開(kāi)挖支護(hù)；⑤導(dǎo)洞三封閉5 m后，導(dǎo)洞四開(kāi)挖支護(hù)，如圖8、圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)CRD法模擬

盾構(gòu)掘進(jìn)土壓力為80 kPa，注漿壓力為170 kPa[10]，隧道襯砌管片采用C35混凝土，管片接頭影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性態(tài)。關(guān)于接頭的模擬，目前有不同的計(jì)算模型，如彈簧模型[21]與實(shí)體單元模型[22]等。彈簧模型難以模擬隧道結(jié)構(gòu)與地層土體的共同作用，而實(shí)體單元存在相對(duì)難以收斂的缺陷，考慮到接頭對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)影響，本次采用剛度折減法，管片整體結(jié)構(gòu)彈性模量折減20%[11]。傳統(tǒng)CRD工法采用C25混凝土[17]，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

圖10 有、無(wú)地裂縫場(chǎng)地監(jiān)測(cè)斷面布置(單位：m)

模擬施工過(guò)程中在地表布設(shè)8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析，如圖10所示。地裂縫帶場(chǎng)地工況(見(jiàn)圖10(a))，在垂直于隧道中心線在下盤(pán)布設(shè)H1與H2斷面，分別距地裂縫36，12 m；在上盤(pán)布設(shè)H3和H4斷面，分別距地裂縫12，36 m，與下盤(pán)H1、H2斷面對(duì)稱(chēng)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 地表沉降變形特征

(1)沿開(kāi)挖方向地表沉降過(guò)程

圖11 盾構(gòu)法開(kāi)挖引起地表沉降的變化曲線

(2)沿隧道軸線地表最終沉降規(guī)律

圖12給出了沿隧道軸線地表最終沉降曲線。由圖可知，在無(wú)地裂縫的天然場(chǎng)地，盾構(gòu)施工引起地表變形曲線基本平緩，變形較?。欢诘亓芽p場(chǎng)地，盾構(gòu)法與傳統(tǒng)CRD法沿隧道軸線從地裂縫下盤(pán)至上盤(pán)開(kāi)挖過(guò)程中，沉降曲線趨勢(shì)基本一致，均在近地裂縫處曲線呈現(xiàn)臺(tái)階形；傳統(tǒng)CRD工法開(kāi)挖對(duì)地裂縫影響區(qū)長(zhǎng)L1=57 m，下盤(pán)24 m，上盤(pán)33 m，地表最大沉降位于上盤(pán)，為20.57 mm；盾構(gòu)掘進(jìn)在初始階段地表沉降速率較大，但隨著施工的進(jìn)行沉降速率逐漸減小，地地表最大沉降量為14.2 mm，約為CRD工法69.0%，地裂縫對(duì)盾構(gòu)施工影響范圍為下盤(pán)21 m，上盤(pán)24 m，影響區(qū)長(zhǎng)L=45 m，相對(duì)CRD工法減小21.1%，并在地裂縫附近發(fā)生突變，地表在盾構(gòu)穿越地裂縫前與穿越過(guò)程中發(fā)生差異沉降，需注意防護(hù)。相比于傳統(tǒng)CRD工法，盾構(gòu)法施工在地裂縫地段對(duì)地層的影響明顯較小。

圖12 沿隧道軸線地表最終沉降曲線

(3)地表變形與施工進(jìn)尺之間的關(guān)系

圖13為有、無(wú)地裂縫場(chǎng)地盾構(gòu)開(kāi)挖地表差異沉降曲線。無(wú)地裂縫的天然場(chǎng)地變化幅度較小，在初步施工階段地表出現(xiàn)輕微隆起，但隨著施工的進(jìn)行，地表逐漸下沉，但沉降值很小(小于2 mm)；而地裂縫場(chǎng)地，當(dāng)施工進(jìn)尺為25 m，位于地裂縫下盤(pán)6 m處B點(diǎn)出現(xiàn)明顯沉降，而上盤(pán)測(cè)點(diǎn)A未出現(xiàn)明顯變化；當(dāng)施工進(jìn)尺為35 m及施工面距地裂縫22 m時(shí)，A點(diǎn)沉降速率增加；當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為96 m時(shí)，B點(diǎn)進(jìn)入平穩(wěn)階段，此時(shí)沉降量9.42 mm；施工進(jìn)尺為110 m時(shí)，A點(diǎn)進(jìn)入平穩(wěn)階段，此時(shí)沉降量為9.62 mm。

圖13 有、無(wú)地裂縫場(chǎng)地盾構(gòu)開(kāi)挖地表差異沉降曲線

地裂縫帶上、下盤(pán)測(cè)點(diǎn)沉降量隨著施工的進(jìn)行未出現(xiàn)顯著差異，地裂縫存在使上盤(pán)測(cè)點(diǎn)A沉降時(shí)長(zhǎng)大于下盤(pán)測(cè)點(diǎn)B沉降時(shí)長(zhǎng)，A點(diǎn)受施工影響范圍約為75 m，B點(diǎn)受施工影響范圍約為69 m。

3.2 地表橫向變形特征

圖14為施工引起橫向地表最終沉降的變化曲線。由圖14可知，在有、無(wú)地裂縫的場(chǎng)地，盾構(gòu)法施工引起的橫向地表沉降曲線均呈現(xiàn)出凹槽形，具有對(duì)稱(chēng)分布特征，凹槽底部位于隧道中心。在無(wú)地裂縫的天然場(chǎng)地，地表橫向沉降變形較小，在隧道中心處產(chǎn)生1.12 mm的最大沉降，影響范圍約為4倍洞徑，而在地裂縫場(chǎng)地，地表橫向變形較為顯著，最大沉降達(dá)10.31 mm，為天然場(chǎng)地的9.2倍，橫向影響范圍左右各約19 m，約6.1倍洞徑，如圖14(a)所示。地裂縫場(chǎng)地盾構(gòu)法與傳統(tǒng)CRD工法施工沉降對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者對(duì)地表橫向變形產(chǎn)生的擾動(dòng)變形曲線基本一致，均呈凹槽型，上盤(pán)沉降量(H3、H4斷面)大于下盤(pán)(H1、H2斷面)，靠近地裂縫處沉降量與沉降槽寬度均相應(yīng)增加，傳統(tǒng)CRD工法橫向影響范圍為50 m，約為5.5倍洞徑，最大沉降量16.6 mm，而盾構(gòu)法掘進(jìn)對(duì)沉降影響范圍與沉降量均明顯小于CRD工法，其橫向影響范圍約38 m，最大沉降量10.3 mm，橫向地表沉降與影響范圍分別減小38%和24%(見(jiàn)圖14(b))。

圖14 施工引起橫向地表最終沉降的變化曲線

關(guān)于隧道開(kāi)挖引起地表沉降方面，Peck[6]曾提出了經(jīng)典的估算隧道開(kāi)挖引起地表沉降方法，其沉降斷面凹槽如圖15所示，基本符合正態(tài)分布曲線特征。

圖15 盾構(gòu)施工地面沉降

為了更加深入分析地裂縫場(chǎng)地盾構(gòu)施工橫向地表沉降特征，本次對(duì)地裂縫帶影響較大的斷面曲線進(jìn)行擬合，如圖16所示，地鐵隧道盾構(gòu)法穿越地裂縫地段引起的橫向地層沉降符合高斯分布函數(shù)

式中y——沉降值；

x——距隧道中心橫向距離，確定系數(shù)R2=0.999 6。

沉降槽寬度系數(shù)i=7.91(地表沉降曲線反彎點(diǎn)與隧道軸線的水平距離)。

圖16 地表沉降槽擬合曲線

3.3 隧道拱頂?shù)卓v向沉降變化特征

圖17 有、無(wú)地裂縫場(chǎng)地盾構(gòu)施工引起拱頂累計(jì)沉降曲線

圖17為有、無(wú)地裂縫場(chǎng)地下盾構(gòu)施工引起隧道拱頂累計(jì)沉降變化曲線。由圖17可知，在無(wú)地裂縫的天然場(chǎng)地中隧道拱頂縱向沉降曲線變化幅度較小，在部分施工段結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微隆起變形；而地裂縫場(chǎng)地，曲線變化幅度較大，位于地裂縫下盤(pán)較遠(yuǎn)處監(jiān)測(cè)斷面H1與隧道拱頂交點(diǎn)，在施工進(jìn)尺為9 m時(shí)開(kāi)始發(fā)生急劇沉降，當(dāng)施工進(jìn)尺為60 m時(shí)，進(jìn)入平穩(wěn)階段，最大沉降量為15.05 mm，影響范圍約為51 m；H2與隧道拱頂交點(diǎn)在開(kāi)挖進(jìn)尺為36 m時(shí)，發(fā)生急劇下沉，施工進(jìn)尺達(dá)到91 m時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定階段，最大沉降量達(dá)14.79 mm，影響范圍約為55 m；位于上盤(pán)監(jiān)測(cè)斷面H3與隧道拱頂交點(diǎn)在施工進(jìn)尺為54 m時(shí)進(jìn)入急劇下沉階段，而當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺達(dá)到120 m時(shí)基本處于穩(wěn)定階段，最大沉降量為15.21 mm，影響范圍約為66 m；H4斷面與拱頂交點(diǎn)在施工進(jìn)尺為81 m時(shí)進(jìn)入急劇沉降階段，當(dāng)施工進(jìn)尺為135 m時(shí)，此時(shí)仍未處于穩(wěn)定階段。沉降曲線之間存在類(lèi)似的變化規(guī)律，但地裂縫的存在使沉降出現(xiàn)了差異，上盤(pán)隧道拱頂沉降時(shí)長(zhǎng)與沉降量均大于下盤(pán)。

圖18 隧道拱頂最終沉降曲線

圖18為隧道拱頂最終沉降曲線。由圖可知，在無(wú)地裂縫的場(chǎng)地，盾構(gòu)施工引起拱頂沉降變化幅度較小，受施工影響發(fā)生沉降并伴有輕微隆起變形；在地裂縫場(chǎng)地，盾構(gòu)法與CRD工法從下盤(pán)至上盤(pán)掘進(jìn)，襯砌頂部沉降變化曲線基本一致，上盤(pán)沉降量大于下盤(pán)，穿越地裂縫帶時(shí)出現(xiàn)差異沉降，因?yàn)榇┰降亓芽p帶時(shí)，地裂縫為軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖易受擾動(dòng)變形，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。CRD工法拱頂最大沉降量22.1 mm，為盾構(gòu)工法的1.30倍，CRD法相對(duì)于盾構(gòu)法對(duì)土層擾動(dòng)次數(shù)較多，產(chǎn)生的擾動(dòng)變形較大，盾構(gòu)工法對(duì)土層擾動(dòng)次數(shù)較少，更適應(yīng)地裂縫地段城市地鐵隧道建設(shè)。

3.4 管片襯砌頂部圍巖接觸土壓力

圖19為隧道頂部圍巖接觸壓力變化曲線。由圖19(a)可知，在無(wú)地裂縫的場(chǎng)地，盾構(gòu)施工引起拱頂圍巖接觸壓力變化基本平穩(wěn)，而在地裂縫場(chǎng)地，盾構(gòu)法與CRD工法施工均導(dǎo)致拱頂圍巖接觸壓力下盤(pán)增大、上盤(pán)減小，并在地裂縫附近產(chǎn)生突變或跳躍現(xiàn)象，CRD工法開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力波動(dòng)較大，對(duì)地裂縫影響區(qū)長(zhǎng)L1=75 m即下盤(pán)42 m、上盤(pán)33 m，最大值位于上盤(pán)地裂縫附近，達(dá)210.0 kPa，而盾構(gòu)法相比CRD工法，能夠使隧道結(jié)構(gòu)整體受力更為平穩(wěn)，對(duì)地裂縫影響區(qū)長(zhǎng)L=53 m即下盤(pán)42 m、上盤(pán)33 m，影響區(qū)范圍和圍巖接觸壓力相較于CRD工法分別減小約29.3%和35.8%。

圖19 隧道頂部圍巖接觸壓力變化曲線

4 結(jié)論

本文針對(duì)地裂縫場(chǎng)地盾構(gòu)施工沉降問(wèn)題，基于三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算，分析了盾構(gòu)施工引起的地表沉降、結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及影響范圍，并與地裂縫場(chǎng)地傳統(tǒng)CRD工法、無(wú)地裂縫的天然場(chǎng)地盾構(gòu)工法掘進(jìn)對(duì)比，驗(yàn)證了盾構(gòu)施工過(guò)地裂縫場(chǎng)地的可行性，主要結(jié)論如下。

(1)地裂縫場(chǎng)地，盾構(gòu)工法引起地表沉降變形曲線呈反“S”形，分為平穩(wěn)變形階段、急劇下沉階段和穩(wěn)定階段，而無(wú)地裂縫的天然場(chǎng)地中曲線變化較平穩(wěn)。

(2)在地裂縫場(chǎng)地，盾構(gòu)法相對(duì)于傳統(tǒng)CRD工法，減小了對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)，縱向地表影響范圍和最大沉降量分別減小21.1%和31%，而橫向地表影響范圍和沉降量分別減小24%和38%。

(3)盾構(gòu)法相比CRD工法穿越地裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)變形較小，隧道拱頂最大沉降量減小22.8%，而天然場(chǎng)中拱頂沉降曲線變化基本平穩(wěn)。

(4)無(wú)論是盾構(gòu)法還是CRD工法，穿越地裂縫均導(dǎo)致拱頂圍巖接觸壓力在下盤(pán)增大、上盤(pán)減小，但相較于CRD工法，盾構(gòu)法施工影響范圍和圍巖接觸壓力分別減小約29.3%和35.8%，而在無(wú)地裂縫的天然場(chǎng)地中拱頂圍巖接觸壓力曲線變化幅度較?。欢軜?gòu)法使隧道結(jié)構(gòu)整體受力體系更為平穩(wěn)，對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)變形較小，對(duì)于活動(dòng)性較弱或不活動(dòng)的地裂縫，可以采用盾構(gòu)法穿越。

地裂縫場(chǎng)地隧道施工影響與隧道開(kāi)挖推進(jìn)方向、地裂縫帶與隧道走向交角大小密切相關(guān)，從地裂縫下盤(pán)至上盤(pán)與從上盤(pán)至下盤(pán)開(kāi)挖引起的沉降及應(yīng)力場(chǎng)變化可能存在差異。限于篇幅，本文僅考慮了從地裂縫場(chǎng)地下盤(pán)至上盤(pán)盾構(gòu)法與CRD工法施工工況，未考慮從上盤(pán)至下盤(pán)施工的情況以及地裂縫帶與隧道走向相交角度等因素對(duì)施工的影響，這些問(wèn)題有待后續(xù)進(jìn)一步深入研究。