鄰近水庫(kù)水位下降產(chǎn)生的卸載效應(yīng)對(duì)地鐵隧道變形的影響研究

陳 賀，陽(yáng)生權(quán)，2

（1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201；2.土木工程施工過(guò)程與質(zhì)量安全控制實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201）

鄰近水庫(kù)水位下降產(chǎn)生的卸載效應(yīng)對(duì)地鐵隧道變形的影響研究

陳 賀1，陽(yáng)生權(quán)1，2

（1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201；2.土木工程施工過(guò)程與質(zhì)量安全控制實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201）

緊鄰地鐵車(chē)站的地表水體，在水位變化時(shí)會(huì)對(duì)車(chē)站隧道的變形及穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的影響.本文依托重慶軌道交通六號(hào)線(xiàn)曹家灣車(chē)站工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，分析了場(chǎng)地內(nèi)雙碑水庫(kù)水位下降時(shí)產(chǎn)生的卸載效應(yīng)對(duì)隧道變形的影響，并總結(jié)了其變形規(guī)律，認(rèn)為水位下降大小及水庫(kù)與車(chē)站的相對(duì)位置是影響隧道變形的主要因素.此外，利用有限差分FLAC3D數(shù)值分析軟件對(duì)水位下降產(chǎn)生的卸載效應(yīng)進(jìn)行了模擬，得到的結(jié)果與工程實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本相符.

地鐵隧道；水庫(kù)水位下降；卸載效應(yīng)；隧道變形；現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)；數(shù)值分析

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市軌道交通建設(shè)的熱潮正以前所未有的速度向各大中城市擴(kuò)展.地鐵就像一座城市的動(dòng)脈，除大大縮短兩地之間的時(shí)間距離以外，同時(shí)也將帶動(dòng)城市規(guī)劃格局的改寫(xiě).許多城市通過(guò)軌道交通系統(tǒng)將規(guī)劃新城區(qū)與原有城區(qū)連接起來(lái)，使新老城區(qū)之間的聯(lián)系更加方便、快捷［1］.但新老城區(qū)間往往存在著大量的未建成帶和空置區(qū)，不可避免地使地鐵線(xiàn)路穿越一些地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，如溝谷，河流，水庫(kù)等.這些復(fù)雜的外部環(huán)境必然會(huì)對(duì)地鐵隧道的使用功能和安全性產(chǎn)生重要影響甚至危害［2］.

本文以重慶市區(qū)某一臨近水庫(kù)地鐵車(chē)站隧道為例，分析了水庫(kù)季節(jié)性水位下降對(duì)地鐵車(chē)站隧道產(chǎn)生卸載效應(yīng)，進(jìn)而在一定程度上對(duì)地鐵車(chē)站隧道的變形產(chǎn)生的影響.研究了卸載效應(yīng)對(duì)隧道變形的影響因素，并提出了一些合理化的建議，以期為類(lèi)似工程提供一定的借鑒意義.

1 工程概況

重慶軌道交通六號(hào)線(xiàn)曹家灣車(chē)站，位于北碚區(qū)蔡家崗鎮(zhèn)燈塔村南側(cè)約0.8km處，車(chē)站呈南北向設(shè)置于規(guī)劃縱二路及其支路的交匯處.車(chē)站總長(zhǎng)185.00m，車(chē)站起點(diǎn)里程：YDK41＋479.967，車(chē)站終點(diǎn)里程YDK41＋664.967.

場(chǎng)地位于川東南弧形構(gòu)造帶華瑩山帚狀褶皺構(gòu)造束東南部，觀(guān)音峽背斜東冀，巖層呈單斜狀構(gòu)造，無(wú)區(qū)域性斷層通過(guò)，構(gòu)造簡(jiǎn)單.場(chǎng)地內(nèi)多為農(nóng)田及旱地，在曹家灣站東側(cè)發(fā)育雙碑水庫(kù)，最近處相距約8 m.該水庫(kù)長(zhǎng)約200m，寬50～70m，深4～6m，水位347.9m，車(chē)站隧道與水庫(kù)相對(duì)位置如圖1所示.水庫(kù)主要接受大氣降水補(bǔ)給，水量大小與季節(jié)關(guān)系密切，雨季水量豐富，枯季水量相對(duì)較小.

根據(jù)曹家灣車(chē)站巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告及場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，車(chē)站隧道巖體完整，水庫(kù)底巖體裂隙少，滲流很小，隧道涌水量較少.

2 現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)分析

2.1 觀(guān)測(cè)試驗(yàn)與測(cè)點(diǎn)布置

重慶軌道交通六號(hào)線(xiàn)曹家灣車(chē)站主體全長(zhǎng)187 m，由于緊鄰雙碑水庫(kù)，水庫(kù)水位變化卸載時(shí)影響范圍較大，故將全部車(chē)站隧道主體納入監(jiān)測(cè)范圍［3］.車(chē)站主體范圍內(nèi)選取15個(gè)斷面，作為觀(guān)測(cè)試驗(yàn)位置.車(chē)站起點(diǎn)里程DK41＋477，斷面D－1里程為DK41＋485，斷面D－2里程為DK41＋497，每間隔12m設(shè)置一個(gè)斷面，斷面D－15里程為DK41＋653，斷面布置見(jiàn)圖1.

圖1 依托工程總平面圖

對(duì)于每個(gè)斷面，監(jiān)測(cè)車(chē)站隧道拱頂沉降以及隧道的水平位移，同時(shí)配合監(jiān)測(cè)水庫(kù)水位的相應(yīng)變化.

2.2 觀(guān)測(cè)結(jié)果與分析

在水庫(kù)水位下降過(guò)程中，對(duì)車(chē)站隧道加強(qiáng)了監(jiān)測(cè).不同水位下降時(shí)隧道各斷面的豎向變形及水平位移分別見(jiàn)圖2和圖3.

圖2 不同水位下降時(shí)隧道豎向變形曲線(xiàn)

圖3 不同水位下降時(shí)隧道水平位移曲線(xiàn)

水庫(kù)水位下降的過(guò)程，等效于車(chē)站隧道結(jié)構(gòu)上方大面積卸載的過(guò)程.分析圖2與圖3可知，卸載會(huì)使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的回彈變形以及側(cè)向位移，并且卸載產(chǎn)生的影響一方面與水位下降的大小有關(guān)，另一方面與車(chē)站和水庫(kù)的相對(duì)位置有關(guān).

（1）水位變化大小的影響

水位變化的大小，是在進(jìn)行卸載分析時(shí)首先應(yīng)考慮的因素.分別對(duì)水位下降0.5m、1.0m、2.0m、3.0m情況下隧道的拱頂沉降和水平位移進(jìn)行了觀(guān)測(cè)分析.

從圖2與圖3可以看出，當(dāng)水位下降0.5m時(shí)，卸載效應(yīng)較小，隧道各斷面拱頂回彈值均在1.5mm以下，最大值為1.4mm，最大側(cè)移為1.5mm.隨著水位降的增加，隧道拱頂隆起及水平側(cè)移相應(yīng)增大，水位降低3.0m時(shí)，隧道拱頂回彈及水平側(cè)移分別達(dá)到5.2mm、4.7mm.

同時(shí)，隨著卸載的增大，隧道拱頂回彈變形增加呈減速趨勢(shì)，但隧道受卸載影響的范圍逐漸擴(kuò)大，變形曲線(xiàn)在沉降峰值區(qū)域拓寬.

（2）水庫(kù)與車(chē)站相對(duì)位置的影響

從圖2和圖3分析可知，離水庫(kù)的距離越近，隧道受水庫(kù)影響的程度越大.反之，離水庫(kù)水平距離較遠(yuǎn)的地方，隧道的變形和位移相對(duì)較?。?］.隧道D－5、D－6、D－7斷面與水庫(kù)最為接近，水平距離約8 m，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)可以看出，隧道在此區(qū)域內(nèi)拱頂回彈和水平位移最大；隨著水平距離的增大，曲線(xiàn)逐漸下降，從D－13斷面以后，無(wú)論卸載如何變化，變形曲線(xiàn)都近似于水平，且變形數(shù)值均在1mm以下，隧道D－1到D－3斷面區(qū)間因距離水庫(kù)稍近，變形有所增加.因此，車(chē)站和水庫(kù)相對(duì)位置關(guān)系與車(chē)站隧道的變形曲線(xiàn)基本上是相對(duì)應(yīng)的.

3 數(shù)值模擬對(duì)比分析

根據(jù)依托工程的特點(diǎn)，運(yùn)用有限差分FLAC3D數(shù)值分析軟件，就水位下降對(duì)地鐵車(chē)站隧道的影響進(jìn)行了模擬分析.

考慮水位下降對(duì)周?chē)鷰r土體及隧道的影響范圍，二維計(jì)算模型的尺寸選取200m×90m，并將水庫(kù)水位等效為應(yīng)力邊界條件，通過(guò)改變應(yīng)力邊界條件來(lái)模擬水位下降形成的卸載效應(yīng)［4］.在水位最大下降值3m時(shí)，選取斷面D－1、D－3、D－5、D－7、D－9、D－11建立二維模型.隧道特征斷面D－5模擬位移云圖見(jiàn)圖4、圖5，各斷面位移統(tǒng)計(jì)分析曲線(xiàn)見(jiàn)圖6［5］.

圖4 (a)水位下降（卸荷）前

圖4 D－5斷面隧道豎向總位移分布圖

圖5 D－5斷面隧道水平總位移分布圖

圖6 隧道位移曲線(xiàn)

由圖6分析可知，在水位下降過(guò)程中，隧道拱頂回彈最大值為4.8mm，隧道水平位移最大值為4mm，模擬曲線(xiàn)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)基本一致.同時(shí)，也印證了卸載產(chǎn)生的影響與車(chē)站和水庫(kù)的相對(duì)斷面位置有關(guān).

4 結(jié) 論

結(jié)合重慶軌道交通六號(hào)線(xiàn)曹家灣車(chē)站工程，采用現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法，研究了臨近水庫(kù)水位下降對(duì)地鐵車(chē)站隧道的變形產(chǎn)生的影響，得到以下結(jié)論：

（1）在庫(kù)底巖體裂隙很小的情況下，水庫(kù)水位下降的過(guò)程，等效于庫(kù)底及周邊巖體卸載的過(guò)程，卸載引起了隧道的拱頂回彈及趨向水體方向的水平位移［6］.

（2）卸載產(chǎn)生的影響與水庫(kù)水位下降的大小有關(guān)，水庫(kù)水位下降越大，卸載效應(yīng)越強(qiáng)，隧道受卸荷影響的范圍越廣，隧道變形也越大.反之，則隧道變形越小.同時(shí)，隨著卸載的增大，隧道拱頂回彈變形增加呈減速趨勢(shì).

（3）卸載產(chǎn)生的影響也與水庫(kù)和車(chē)站的相對(duì)位置有關(guān)，離水庫(kù)的距離越近，隧道受水庫(kù)影響的程度越大［7］.反之，離水庫(kù)水平距離較遠(yuǎn)的地方，隧道的變形和位移相對(duì)較小，超出一定距離以后，影響可以忽略不計(jì)，以本工程為例，與水庫(kù)距離超過(guò)100m以外的斷面，隧道變形均在0.5mm以下.

（4）結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果與觀(guān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了上述結(jié)論的正確性.

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Research on Effect of Unloading Effect on Deformation of Subway Tunnel Due to Drawdown of Adjacent Reservoir Water Level

CHEN He1，YANG Sheng－quan1，2
（1.School of Civil Engineering，Hunan University of Science ＆ Technology，Xiangtan 411201，China；2.College Key Laboratory of Construction Process，Quality and Safety of Civil Engineering，Xiangtan 411201，China）

The water level fluctuations of surface water body can have effects on the deformation and stability of adjacent subway tunnel to a certain extent.With the practical example of Caojiawan Station in Chongqing Metro Line 6，the paper analyzes the influences of unloading effect from water level decline to deformation of subway tunnel，and summarizes the tunnel deformation law by the observational experiment.Furthermore，the decline value of water level and the relative position of reservoir and tunnel are the major factors that affect the deformation of subway tunnel.In addition，F(xiàn)LAC3Dsimulation analysis is applied to simulate the loading effect from water level decline，and the result of numerical simulation is basically accord with monitoring data.

subway tunnel；drawdown of reservoir water level；unloading effect；deformation of tunnel；in－situ observation；numerical analysis

U456.3

A

1671－119X（2014）02－0073－04

2014－03－01

陳 賀（1989－），男，碩士研究生，研究方向：隧道與地下工程.