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1、地铁开挖引起广州海珠广场地表沉陷过程的数值模拟杨天鸿 刘红元 朱万成 唐春安 陆培炎（东北大学 沈阳 110006） （广东陆仕岩土工程有限公司 广州 510660）摘要本文应用自行开发的材料破坏过程分析软件系统MFPA2D对广州地铁二号线隧道施工 引起海珠广场地表沉陷事故进行了数值模拟分析，数值模拟结果再现了岩体塌陷破坏的全过 程，阐明了沉陷事故的原因。关键词 隧道开挖 地表沉陷 数值模拟1 引言广州地铁二号线海珠广场至公元前站区间隧道1在上半断开挖初期支护施工至ZDK12+698.6时，于1999年11月27日下午16时地表海珠广场北侧起路与一德路交界处的 广东贸易中心门前空旷地坪突然发生
2、沉陷（见图 1），沉陷事故造成地下通讯电缆护管及污 水管破裂，隧洞施工中断。该地质灾害具有隐蔽性（无前兆）、突发性（过程1分钟左右）、局部性（深3-4m，面 积6X850m2）的特点，事故原因有许多种说法：有的认为是不明孔道引起土层失水所致; 有的认为是城市大规模抽取地下水造成，与隧道施工无关。事故发生后，利用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的材料破坏过程分析系统 （MFPA2D）分析了事故的原因，提出了初步的处理意见并被采纳。如今虽然该事故早已得到 及时妥善的处理，隧道施工也已顺利通过，但事故的确切原因并没有在各相关部门中达到共 识。因此有必要深入调查事故原因，总结经验教训，对今后类似事故
3、的预防和治理无疑将具 有重要的实用价值和现实意义。2塌陷过程2据此，本文在全面分析了地质资料和监测资料的基础上，建立了地层结构和隧道位置关 系的三维模型，通过数值模拟的方法再现了岩体塌陷破坏的全过程，分析了沉陷事故的原因。1999年11月27日早上 5:00,广州地铁二号线海公 区间开挖至 ZDK12+698.6 里程处，在上半断开挖过程 中，掌子面沿上次已打好的 小导管之间局部有掉块现 象。到下午15:20时掌子面 上突然听到泼水的声音，之后从已图 1 地表及建筑物测点布置平面示意图打好还未注浆小导管中以及Fig 1 Plane schematic diagram of observatio
4、n point on surface and building掌子面上开始出水，并且水流逐渐加大。到 15:50，涌出大股黑泥水，到 15:58，掌子面左侧突然涌出大股黑淤泥与水，伴随岩土体垮落到掌子面。然后广东贸易中心门口 ZDK12+696 里程处出现地表下沉，下沉最多处达1.3m,沉降地表直径为7.5m的圆形，沉降中心点位 于ZDK12+696左线隧道左侧约2m处。次日10时许地陷处再次下沉，地陷面积50m2，深度 3.5-4.0m。3 隧洞施工和地质概况该区间隧洞按设计采用矿山法施工，单线断面采用正台阶开挖，洞室宽6.40m，最大 拱高6.70m,平均埋深为18.3m。该区地质状况从上
5、至下为杂填土（1）,厚约1.8m；灰黑色 淤泥（2-1）,厚约6.1m；灰黑色泥质粉细沙（2-3），厚约6.3m；紫红色粉质粘土（5）,厚 约4.8m；紫灰褐色粉质粘土（5-2）,厚约2.5m；紫红色强风化粉砂质泥岩（7），厚2.8m； 紫红色中风化粉砂质泥岩（8）。层状分布，厚度局部有变化。使用 Auto CAD 绘制出整个隧洞范围内的地层结构三维透视图（见图 2），图中清晰示 出隧洞与所处地层的空间位置关系。图中可见，隧道左线推进到 ZDK12+696.6 时，地层层位 变化较大：在该处基岩面下降，以 B6 孔为中心形成一个漏斗状凹陷，被隧洞切穿；靠近洞 室左线的 134 孔附近基岩直接和
6、含水丰富的泥质粉细沙层（2-3）接触，原本隔水良好的粉 质粘土层（5-2）缺失，隧道开挖通过该处时引起顶板围岩破坏，在此处形成局部强径流带 2-3 层的地下水夹裹着 2-1 层的淤泥大量流入隧道，当 2-1 层上的填土层不足以支撑上覆荷载时发生断裂，从而造成塌陷事故的发生。2粘土层基岩顶板强风化地表 . 素填土 淤泥层隧道左线:.塌.陷坑:. .- - Fig 2 Three dimension diagram of location relations between stratum structure and tunnel4 沉陷破坏过程的数值模拟分析4.1 岩石破裂过程分析程序 RFPA
7、2D 概述本文所用 RFPA2D 系统，与其它已有的逐渐破坏模型（ Progressive Failure/Fracture /Damage Model ）一样3 ，是一个能模拟岩石介质逐渐破坏过程的数值模拟工具，在国内和 国际合作中得到了许多应用 4-7。 1999 年推出 RFPA2D2000 版本，软件功能日益丰富，增加 了流固耦合作用的功能。RFPA2D2000 的分析过程包括：渗流分析+应力分析+渐进破坏分析+耦合分析。渗流分析采用 有限元法进行，求渗流模型的解得到每一计算步（降雨、疏干排水、渗流边界条件的改变等） 水头分布和水荷载，应力分析求解器采用有限元法进行，依据有效应力原理完
8、成每一计算步 在外载荷或环境因素作用下（加载、开挖、水荷载和位移边界条件的改变等）的力学响应。 渐进破坏模型是在假定组成材料各单元的力学性质整体上服从 Weibull 分布的基础上，根 据一定的破坏准则来检查材料中是否有单元破坏，对破坏单元则采用刚度特性退化（处理分 离）和刚度重建（处理接触）的办法进行处理。耦合分析指通过单元渗透特性与应力之间的 耦合计算8求解单元的渗透系数张量，重复上述渗流分析、应力分析、破环分析各过程，进 行耦合迭代循环，直到满足迭代误差为止，之后进行下一步骤的计算。考虑到岩石类脆性材料的抗拉强度远小于抗压强度，因此本文采用了修正后的库仑（Coulomb）准则（包含拉伸截
9、断Tension cut-off9）作为单元破坏的强度判据。上述分析 过程可以处理裂纹萌生、扩展以及裂纹的非规则路径选择问题，同时能够研究岩体破裂过程 中渗透性能、水力梯度、渗透作用力分布的演化规律及其与岩体的相互影响。4.2 计算模型及参数取垂直于隧洞的横剖面作为研究对象，按照平面应变问题考虑。计算取60mx40m（240x160=38400个单元）的分析区域（见图3），上部取到地表，左右两侧的水平位移取零, 垂直方向可自由滑动；底部水平和垂直位移取零。岩土体承受自重荷载和渗透应力，模拟左 线单隧道开挖及破坏过程中隧洞围岩应力场和渗流场不断变化。各层岩土和支护结构的物理 力学参数如表 1 所
10、列。表 1 岩体力学参数Table 1 Rock mass mechanics parameters参数弹性模量泊松比凝聚力摩擦角渗透系数自重岩层玖 MPa)MC(kPa)申( )K(cm/s)Y (kg/ m3)杂填土（1）100.310182.8e-52000淤泥（2-1）1.50.44951.8e-62000泥质粉细沙（2-3）150.30261.0e-22000粉质粘土（5-1）200.321.5182.8e-52000粉质粘土（5-2）250.325222.8e-52000强风化泥质砂岩（7）1500.2100282.1e-52300中风化泥质砂岩（8）5000.2250302.1e
11、-523004.3计算结果（见图 3，4）图 3 为水流矢量场、潜水位，隧道开挖切穿基岩，引起顶板粉质粘土层破坏，该层失去 隔水性，形成渗透性良好的径流带，2-3细沙含水层地下水裹带淤泥渗入隧道，形成管涌， 从而造成上覆填土层破坏塌陷。图 3 计算模型及水流矢量场计算结果Fig 3 Simulation model and simulation result of seepage vector field图 4 隧洞破坏过程的数值模拟结果Fig 4 Numerical simulation result of tunnel progressive fracture process图4中a-d为
12、岩土体弹性模量分布图（越亮弹模越高），e,f为隧洞破坏前后等水头线图 （越亮水头越高），g,h为隧洞破坏前后剪应力场分布（越亮应力越高）。图中可见，基岩以 洞顶为中心形成一个漏斗状凹陷，弹模小、强度低的粉质粘土层随隧道开挖失去下部支撑 在顶部岩体自重应力和渗透应力的作用下破坏，此处隔水层渗透系数随拉应力增加不断提 高，形成局部强径流带，潜水位初见逐渐下降，动水压力不断增加， 层的地下水夹裹 着2-1层的淤泥大量流入隧道，2-1层随之下沉，当2-1层上的填土层不足以支撑上覆 荷载时发生断裂，从而造成塌陷事故的发生。由于隧洞顶部粘土层的两侧为坚硬的基岩，所 以只在两者的界面上剪断，洞顶两侧基岩仍具
13、有一定的支撑作用，受其影响，引起的地表塌 陷区范围只比洞宽略大，地表没有形成较大的移动下沉盆地。5结论1. 海珠广场“11.27”地表沉陷事故的原因是隧道开挖遇局部变异地层切穿基岩顶板引 起上覆沙层和淤泥层失水造成的. 该事故具有隐蔽性，突发性，局部性的特点。2. 破坏机制为隧道顶部粉质粘土层在上覆土体和水压作用下，发生管涌破坏，大量的 地下水和淤泥通过强径流带涌入隧洞，导致上部填土层逐渐失去支撑能力，突然折 断形成塌陷。3. 应用RFPA2D呈序进行数值计算，再现了岩体塌陷破坏的全过程，确定了破坏模式和破坏范围, 其结果与现场勘察及观测资料基本吻和.参考文献1 广州地铁二号线首期工程初步设计
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