隧道穿越管線滲漏區(qū)土巖復(fù)合地層沉降研究

關(guān)三飛，張玉鳳，于辰雨，陳德剛，杜明慶，張素磊

（1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.青建集團(tuán)股份公司，山東 青島 266071)

針對(duì)隧道穿越管線滲漏區(qū)土巖復(fù)合地層沉降的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)研究，代表性研究成果如下。

李加輝等[1]基于有限元軟件Midas/GTS 建立三維數(shù)值模型對(duì)曲線盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降槽偏移規(guī)律展開(kāi)研究，并依托工程實(shí)例檢測(cè)對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。汪維東等人[2]基于室內(nèi)模型試驗(yàn)得出管線滲漏條件對(duì)地表沉降、管線沉降以及隧道結(jié)構(gòu)受力均產(chǎn)生不利影響。王海濤等人[3]對(duì)砂土地區(qū)隧道開(kāi)挖-管線滲漏相互作用條件下地層變形機(jī)理展開(kāi)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，得出不同滲漏區(qū)大小條件下地層位移變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著滲漏范圍的增加，地表整體沉降由負(fù)增長(zhǎng)逐步轉(zhuǎn)化為正增長(zhǎng)，且最大值增長(zhǎng)規(guī)律呈二次函數(shù)形式。段超杰[4]采用兩階段分析法，通過(guò)理論公式、數(shù)值分析以及工程實(shí)例應(yīng)用的手段對(duì)地鐵隧道施工過(guò)程中管線滲漏誘發(fā)的結(jié)構(gòu)及地層位移與受力規(guī)律預(yù)測(cè)分析，最終提出相對(duì)應(yīng)的處治措施。躍敬亭[5]基于模型試驗(yàn)及數(shù)值分析手段研究了管線滲漏水對(duì)城市淺埋地鐵隧道施工的影響規(guī)律，結(jié)果表明由于滲漏水對(duì)圍巖的軟化性質(zhì)，加速了隧道開(kāi)挖后土體的失穩(wěn)速率以及塌方程度。WangH T 等人[6-7]基于Pasternak 地基模型建立隧道施工擾動(dòng)下滲漏管線的變形計(jì)算公式，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。武天儀[8]以鄭州地區(qū)典型粉土地層為工程背景，基于模型試驗(yàn)及數(shù)值分析方法對(duì)交通荷載-管線滲漏雙重因素影響下的地層穩(wěn)定性展開(kāi)分析。楊光[9]基于不同數(shù)值軟件預(yù)測(cè)了不同工況下管線滲漏水對(duì)地層的影響范圍，結(jié)果表明管線滲漏范圍與管線壓力、管線埋深以及管線破裂程度密切相關(guān)。

目前針對(duì)地鐵隧道穿越管線滲漏區(qū)變形機(jī)理課題的研究，主要針對(duì)單一土層，少見(jiàn)針對(duì)土巖復(fù)合地層的研究成果，而復(fù)合地層在實(shí)際工程中更為常見(jiàn)，因此，該方面的研究尚不完善。為此，本文擬依托某地鐵工程，對(duì)土巖復(fù)合地層地鐵隧道穿越管線滲漏區(qū)變形機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行深入研究，旨在揭示土巖復(fù)合地層地鐵隧道穿越管線滲漏區(qū)災(zāi)變機(jī)理，同時(shí)也為土巖復(fù)合地層地鐵隧道穿越管線滲漏區(qū)地層沉降風(fēng)險(xiǎn)控制提供依據(jù)。

1 非飽和土流固耦合計(jì)算模型

以某地鐵實(shí)際背景為依托建立圖1 所示的數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為寬60m×高50m，隧道埋深12m，隧道半徑3m、管道半徑0.6m。隧道上覆土層及巖層厚度分別為hs、hr，管道埋深hp。計(jì)算過(guò)程中約束模型的底部、左側(cè)、右側(cè)法向位移，上表面為自由面。土層及巖層均采用M-C 本構(gòu)模型，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1，其中土層滲透系數(shù)1×10-7m/s，巖層滲透系數(shù)1×10-9m/s，入滲速率1×10-4m/s。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 模型力學(xué)參數(shù)

3 管線滲漏對(duì)土巖復(fù)合地層隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性研究

3.1 管線滲漏對(duì)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響

圖2 為不同滲漏擴(kuò)散時(shí)間下的飽和度云圖，隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加，滲漏范圍逐漸增大，當(dāng)擴(kuò)散至土巖分界面時(shí)，由于巖層滲漏系數(shù)顯著小于土層，因此擴(kuò)散速率急劇下降，滲流將在土巖分界面上向兩側(cè)擴(kuò)散，而向巖層擴(kuò)散的速率顯著低于土層。

圖2 不同滲漏時(shí)間下地層飽和度云圖

地下管線滲漏水是造成地下隧道施工事故的重要誘因，受地下管線滲漏影響，滲漏區(qū)土層趨于飽和，其力學(xué)參數(shù)被弱化，在隧道施工擾動(dòng)下管線滲漏區(qū)成為隧道上部的不利地層，對(duì)隧道及管線結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。圖3 為不同滲漏擴(kuò)散時(shí)間下地表沉降曲線。滲漏區(qū)隨著滲流擴(kuò)散時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，由于考慮了地層參數(shù)隨飽和度的關(guān)聯(lián)劣化作用，因此，滲漏擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)地層參數(shù)劣化越顯著，因此隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下地層穩(wěn)定性越低，從圖3 可見(jiàn)地表沉降隨著滲漏擴(kuò)散時(shí)間的增大顯著增大，當(dāng)滲漏擴(kuò)散時(shí)間為300h 時(shí)，地表沉降可達(dá)12.4mm，已嚴(yán)重影響路面正常交通或使用狀態(tài)。

圖3 不同滲漏時(shí)間下地表沉降曲線（3m+6m）

以隧道上覆地層中心軸線為研究目標(biāo)對(duì)不同埋深位置的地層沉降規(guī)律進(jìn)行分析，不同滲漏擴(kuò)散時(shí)間下的地層沉降分布見(jiàn)圖4，管線滲漏嚴(yán)重影響地層沉降規(guī)律。滲漏時(shí)間為25h 時(shí)，隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下管線上部沉降達(dá)8.95mm，下部沉降為5.32mm，而沉降隨著埋深增加而增長(zhǎng)，其中在土巖界面處沉降速率增大，而隧道拱頂沉降達(dá)到了7.65mm，可見(jiàn)，管線上部地層的沉降顯著高于下部沉降。隨著管線滲漏時(shí)間的增長(zhǎng)，滲漏范圍擴(kuò)大，地層滲漏區(qū)參數(shù)劣化后導(dǎo)致隧道開(kāi)挖后管線上部地層沉降越大，因此地表整體沉降更為顯著。當(dāng)管線滲漏時(shí)間達(dá)到150h 時(shí)，此時(shí)滲漏區(qū)已接近土巖分界面，隧道上覆土層的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定嚴(yán)重降低，在隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下土層沉降量已大于巖層沉降，當(dāng)管線滲漏時(shí)間達(dá)到300h時(shí)此現(xiàn)象更為顯著，可見(jiàn)管線滲漏對(duì)土層參數(shù)劣化效應(yīng)致使其穩(wěn)定性降低，進(jìn)而對(duì)威脅地層整體穩(wěn)定性。

圖4 隧道上覆地層沉降曲線

上述分析可見(jiàn)，管線滲漏對(duì)地層沉降產(chǎn)生顯著影響，接下來(lái)對(duì)管線滲漏對(duì)隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下的地層塑性區(qū)進(jìn)行分析。圖5 給出了同滲漏擴(kuò)散時(shí)間下隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下地層塑性區(qū)分布，結(jié)合圖2 的地層飽和度云圖，可知滲漏時(shí)間為25h 時(shí)，擴(kuò)散區(qū)域僅在管道附近，因此隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下，地層塑性區(qū)緊鄰隧道周邊及管線滲漏區(qū)附近，由于地表沉降過(guò)大也出現(xiàn)張拉屈服現(xiàn)象；當(dāng)滲漏時(shí)間達(dá)到50～100h 后，滲漏區(qū)域持續(xù)擴(kuò)展，由于滲漏范圍仍分布于土層中，對(duì)巖層影響很小，因此隧道開(kāi)挖后巖層中的塑性區(qū)仍保持不變，且土層中的塑性區(qū)與其滲漏區(qū)范圍息息相關(guān)。當(dāng)滲漏時(shí)間達(dá)到150h 小時(shí)后，滲漏區(qū)范圍已位于土巖分界面上方，考慮到地層參數(shù)隨其飽和度的劣化效應(yīng)，隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下上覆土層由于其承載能力降低，因此隧道開(kāi)挖后在土巖分界面下部的巖層中出現(xiàn)了塑性屈服現(xiàn)象；隨著滲漏繼續(xù)擴(kuò)展，滲漏至巖層時(shí)滲漏擴(kuò)展速率顯著下降，滲漏區(qū)在土層中持續(xù)擴(kuò)展、飽和度也增大。當(dāng)滲漏時(shí)間達(dá)到300h 后，隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下管道下部土層均進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，而隧道拱頂上方的巖層也出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)?？深A(yù)見(jiàn)的是，當(dāng)滲流區(qū)擴(kuò)展至巖層時(shí)，巖層穩(wěn)定性亦會(huì)出現(xiàn)較大幅度的下降，將會(huì)嚴(yán)重威脅隧道施工安全；此外當(dāng)滲流區(qū)在土層中進(jìn)一步擴(kuò)展時(shí)，地層穩(wěn)定性逐漸降低、沉降量增大，當(dāng)隧道上覆巖層不足以承擔(dān)其松動(dòng)荷載及形變荷載時(shí)，不可避免的發(fā)生坍塌。

圖5 隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下地層塑性區(qū)分布

4 結(jié)論

本文通過(guò)FLAC3D 模擬，建立了隧道穿越管線滲漏區(qū)土巖復(fù)合地層流固耦合地層模型，研究單一工況不同滲漏時(shí)間的隧道開(kāi)挖擾動(dòng)下地表沉降以及塑性區(qū)發(fā)展，研究表明，隨著管線滲漏時(shí)間的增長(zhǎng)，滲漏范圍擴(kuò)大，地層滲漏區(qū)參數(shù)劣化后導(dǎo)致隧道開(kāi)挖后管線上部地層沉降越大，地表整體沉降更為顯著，最終當(dāng)滲漏擴(kuò)散時(shí)間為300h 時(shí)，地表沉降可達(dá)12.4mm，已嚴(yán)重影響路面正常交通或使用狀態(tài)。地層塑性區(qū)也由最初的隧道周邊及管線滲漏區(qū)附近的土層，逐漸向下擴(kuò)展，直至土巖分界面下部的巖層也出現(xiàn)較大范圍塑性屈服現(xiàn)象。