邻近水库水位下降产生的卸载效应对地铁隧道变形的影响研究

陈 贺，阳生权，2

（1.湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201；2.土木工程施工过程与质量安全控制实验室，湘潭 411201）

邻近水库水位下降产生的卸载效应对地铁隧道变形的影响研究

陈 贺1，阳生权1，2

（1.湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201；2.土木工程施工过程与质量安全控制实验室，湘潭 411201）

紧邻地铁车站的地表水体，在水位变化时会对车站隧道的变形及稳定性产生一定程度的影响.本文依托重庆轨道交通六号线曹家湾车站工程，通过现场观测试验，分析了场地内双碑水库水位下降时产生的卸载效应对隧道变形的影响，并总结了其变形规律，认为水位下降大小及水库与车站的相对位置是影响隧道变形的主要因素.此外，利用有限差分FLAC3D数值分析软件对水位下降产生的卸载效应进行了模拟，得到的结果与工程实际监测结果基本相符.

地铁隧道；水库水位下降；卸载效应；隧道变形；现场观测试验；数值分析

0 引 言

随着我国城市化进程的不断加快，城市轨道交通建设的热潮正以前所未有的速度向各大中城市扩展.地铁就像一座城市的动脉，除大大缩短两地之间的时间距离以外，同时也将带动城市规划格局的改写.许多城市通过轨道交通系统将规划新城区与原有城区连接起来，使新老城区之间的联系更加方便、快捷［1］.但新老城区间往往存在着大量的未建成带和空置区，不可避免地使地铁线路穿越一些地质条件复杂的地区，如沟谷，河流，水库等.这些复杂的外部环境必然会对地铁隧道的使用功能和安全性产生重要影响甚至危害［2］.

本文以重庆市区某一临近水库地铁车站隧道为例，分析了水库季节性水位下降对地铁车站隧道产生卸载效应，进而在一定程度上对地铁车站隧道的变形产生的影响.研究了卸载效应对隧道变形的影响因素，并提出了一些合理化的建议，以期为类似工程提供一定的借鉴意义.

1 工程概况

重庆轨道交通六号线曹家湾车站，位于北碚区蔡家岗镇灯塔村南侧约0.8km处，车站呈南北向设置于规划纵二路及其支路的交汇处.车站总长185.00m，车站起点里程：YDK41＋479.967，车站终点里程YDK41＋664.967.

场地位于川东南弧形构造带华莹山帚状褶皱构造束东南部，观音峡背斜东冀，岩层呈单斜状构造，无区域性断层通过，构造简单.场地内多为农田及旱地，在曹家湾站东侧发育双碑水库，最近处相距约8 m.该水库长约200m，宽50～70m，深4～6m，水位347.9m，车站隧道与水库相对位置如图1所示.水库主要接受大气降水补给，水量大小与季节关系密切，雨季水量丰富，枯季水量相对较小.

根据曹家湾车站岩土工程详细勘察报告及场地水文地质条件，车站隧道岩体完整，水库底岩体裂隙少，渗流很小，隧道涌水量较少.

2 现场观测试验分析

2.1 观测试验与测点布置

重庆轨道交通六号线曹家湾车站主体全长187 m，由于紧邻双碑水库，水库水位变化卸载时影响范围较大，故将全部车站隧道主体纳入监测范围［3］.车站主体范围内选取15个断面，作为观测试验位置.车站起点里程DK41＋477，断面D－1里程为DK41＋485，断面D－2里程为DK41＋497，每间隔12m设置一个断面，断面D－15里程为DK41＋653，断面布置见图1.

图1 依托工程总平面图

对于每个断面，监测车站隧道拱顶沉降以及隧道的水平位移，同时配合监测水库水位的相应变化.

2.2 观测结果与分析

在水库水位下降过程中，对车站隧道加强了监测.不同水位下降时隧道各断面的竖向变形及水平位移分别见图2和图3.

图2 不同水位下降时隧道竖向变形曲线

图3 不同水位下降时隧道水平位移曲线

水库水位下降的过程，等效于车站隧道结构上方大面积卸载的过程.分析图2与图3可知，卸载会使隧道结构产生较大的回弹变形以及侧向位移，并且卸载产生的影响一方面与水位下降的大小有关，另一方面与车站和水库的相对位置有关.

（1）水位变化大小的影响

水位变化的大小，是在进行卸载分析时首先应考虑的因素.分别对水位下降0.5m、1.0m、2.0m、3.0m情况下隧道的拱顶沉降和水平位移进行了观测分析.

从图2与图3可以看出，当水位下降0.5m时，卸载效应较小，隧道各断面拱顶回弹值均在1.5mm以下，最大值为1.4mm，最大侧移为1.5mm.随着水位降的增加，隧道拱顶隆起及水平侧移相应增大，水位降低3.0m时，隧道拱顶回弹及水平侧移分别达到5.2mm、4.7mm.

同时，随着卸载的增大，隧道拱顶回弹变形增加呈减速趋势，但隧道受卸载影响的范围逐渐扩大，变形曲线在沉降峰值区域拓宽.

（2）水库与车站相对位置的影响

从图2和图3分析可知，离水库的距离越近，隧道受水库影响的程度越大.反之，离水库水平距离较远的地方，隧道的变形和位移相对较小［3］.隧道D－5、D－6、D－7断面与水库最为接近，水平距离约8 m，通过监测数据曲线可以看出，隧道在此区域内拱顶回弹和水平位移最大；随着水平距离的增大，曲线逐渐下降，从D－13断面以后，无论卸载如何变化，变形曲线都近似于水平，且变形数值均在1mm以下，隧道D－1到D－3断面区间因距离水库稍近，变形有所增加.因此，车站和水库相对位置关系与车站隧道的变形曲线基本上是相对应的.

3 数值模拟对比分析

根据依托工程的特点，运用有限差分FLAC3D数值分析软件，就水位下降对地铁车站隧道的影响进行了模拟分析.

考虑水位下降对周围岩土体及隧道的影响范围，二维计算模型的尺寸选取200m×90m，并将水库水位等效为应力边界条件，通过改变应力边界条件来模拟水位下降形成的卸载效应［4］.在水位最大下降值3m时，选取断面D－1、D－3、D－5、D－7、D－9、D－11建立二维模型.隧道特征断面D－5模拟位移云图见图4、图5，各断面位移统计分析曲线见图6［5］.

图4 (a)水位下降（卸荷）前

图4 D－5断面隧道竖向总位移分布图

图5 D－5断面隧道水平总位移分布图

图6 隧道位移曲线

由图6分析可知，在水位下降过程中，隧道拱顶回弹最大值为4.8mm，隧道水平位移最大值为4mm，模拟曲线与监测数据曲线基本一致.同时，也印证了卸载产生的影响与车站和水库的相对断面位置有关.

4 结 论

结合重庆轨道交通六号线曹家湾车站工程，采用现场观测试验与数值模拟分析相结合的方法，研究了临近水库水位下降对地铁车站隧道的变形产生的影响，得到以下结论：

（1）在库底岩体裂隙很小的情况下，水库水位下降的过程，等效于库底及周边岩体卸载的过程，卸载引起了隧道的拱顶回弹及趋向水体方向的水平位移［6］.

（2）卸载产生的影响与水库水位下降的大小有关，水库水位下降越大，卸载效应越强，隧道受卸荷影响的范围越广，隧道变形也越大.反之，则隧道变形越小.同时，随着卸载的增大，隧道拱顶回弹变形增加呈减速趋势.

（3）卸载产生的影响也与水库和车站的相对位置有关，离水库的距离越近，隧道受水库影响的程度越大［7］.反之，离水库水平距离较远的地方，隧道的变形和位移相对较小，超出一定距离以后，影响可以忽略不计，以本工程为例，与水库距离超过100m以外的断面，隧道变形均在0.5mm以下.

（4）结合工程实例，进行数值模拟的结果与观测试验结果基本一致，验证了上述结论的正确性.

［1］陈之毅，沈祖炎.城市地下空间利用与可持续发展［J］.地下空间与工程学报，2001，21（3）：188－238.

［2］况龙川.深基坑施工对地铁隧道的影响［J］.岩土工程学报，2000，22（3）：284－288.

［3］周群华，闫澍旺，邓卫东，熊 伟.水库水位变化对某岸区公路边坡稳定性影响分析［J］.公路交通科技，2011，28（6）：32－39.

［4］汪小兵，贾 坚.深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控制措施［J］.城市轨道交通研究，2009，（5）：52－57.

［5］刘 波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［6］朱正峰，陶学梅，谢弘帅.基坑施工对运营地铁隧道变形影响及控制研究［J］.地下空间与工程学报，2006，2（1）：128－131.

［7］曾 远，李志高，王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究［J］.地下空间与工程学报，2005，4（1）：642－645.

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，FLAC3Dsimulation 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

陈 贺（1989－），男，硕士研究生，研究方向：隧道与地下工程.