管片透水條件的地鐵隧道長期沉降數(shù)值計(jì)算

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【摘要】采用PLaxis3d對(duì)隧道管片透水條件下引起的地層長期沉降情況進(jìn)行了研究分析。通過隧道施工完成瞬時(shí)地層的沉降云圖、隧道施工完成瞬時(shí)地層中的超靜孔隙水壓力分布圖等分析可知，管片透水誘發(fā)地層長期沉降主要是地層中的滲流場決定的。管片透水時(shí)造成的地表最大沉降約為不透水時(shí)的2倍，地表沉降槽寬度也約為管片不透水時(shí)的2倍。

【關(guān)鍵詞】地鐵隧道；管片；沉降；孔壓

1引言

隨著城市地鐵的大量投入使用，地鐵隧道的長期沉降問題也越來越受關(guān)注。目前隧道開挖的瞬時(shí)或短期效應(yīng)已經(jīng)有了較為充分的研究，隧道開挖對(duì)周邊深基坑、地下管線的研究成果也很多。國外學(xué)者對(duì)隧道長期沉降研究的主要手段有現(xiàn)場長期監(jiān)測、數(shù)值模擬等，研究重點(diǎn)主要是由于隧道管片的透水性誘發(fā)隧道與周邊地下水形成穩(wěn)定滲流的影響。我國軟土地區(qū)隧道工程修建較晚，但軟土中地鐵隧道在運(yùn)營后的沉降現(xiàn)象日益嚴(yán)重，地鐵隧道的過大不均勻沉降會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)本身和接頭的安全性、耐久性及防水性等產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的不均勻沉降甚至?xí){軌道的平順度、乘坐舒適度及地鐵的安全運(yùn)營。因此，隧道長期沉降問題也已引起相關(guān)學(xué)者的重視，最近已有關(guān)于隧道管片局部滲漏引起的長期沉降問題研究成果出現(xiàn)。隧道的長期沉降會(huì)造成隧道上下方向空間的減小和左右方向空間的增加，勢必惡化隧道結(jié)構(gòu)的受力，降低隧道結(jié)構(gòu)的安全度，這就要求隧道結(jié)構(gòu)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段考慮隧道可能的長期沉降影響。與隧道長期沉降相伴的是隧道周圍地層的長期變形問題，隧道地層的長期變形特點(diǎn)目前還缺乏相應(yīng)的資料。隧道周圍地層的長期變形勢必會(huì)對(duì)地層中的構(gòu)建筑物的受力和變形造成影響，其影響規(guī)律研究目前仍為空白。

2軟土隧道長期沉降的研究現(xiàn)狀

城市地鐵的長期沉降，尤其是建設(shè)在軟弱、高壓縮性土體中的隧道的長期沉降有時(shí)相當(dāng)顯著[1]，更重要的是，在地鐵運(yùn)營過程中不斷發(fā)展的長期沉降對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)、車站和隧道都可能產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用。Shirlaw[2]在研究大量隧道長期沉降實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上曾得到如下結(jié)論：在正常情況下，隧道的長期沉降占總沉降量中的比例在30%~90%之間變化，而且，伴隨著長期沉降的增加，地面沉降槽的寬度也會(huì)相應(yīng)增加。英國劍橋大學(xué)教授Mair在2008年第16屆朗肯講座上做了隧道與土工技術(shù)的報(bào)告。他在總結(jié)多年的研究成果基礎(chǔ)上他指出，影響隧道長期沉降發(fā)展的主要因素有：（1）隧道開挖引起的周圍土體的超孔隙水壓力大小和分布；（2）土體的壓縮性和滲透特性；（3）滲流邊界條件，尤其是隧道襯砌相對(duì)于土體的滲透性；（4）隧道施工前的孔隙水壓力分布。相對(duì)于土體滲透性的隧道襯砌的滲透性更是尤為重要。Mair教授的建議對(duì)研究隧道長期沉降問題指明了方向。盾構(gòu)隧道在飽和土體中建成后，由于隧道內(nèi)外存在較大的水頭差，不可避免的造成隧道滲漏的現(xiàn)象。滲漏又使周圍土體的孔壓減小、有效應(yīng)力增大，進(jìn)而引起地層沉降。隧道周圍超孔隙水壓力的分布狀況對(duì)長期沉降的發(fā)展起著相當(dāng)大的影響，而隧道周圍超孔隙水壓力的大小和分布情況取決于地層土性特點(diǎn)以及隧道施工過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)狀態(tài)，即周圍土體處于加載擠壓狀態(tài)還是卸載狀態(tài)（Mair，O'Reilly[3]，Shin[4]）。Clough等[5]曾經(jīng)對(duì)土壓平衡盾構(gòu)施工引起的隧道周圍的孔隙水壓力的變化進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)施工過程中隧道軸線兩側(cè)的孔隙水壓力有明顯升高的趨勢。Lee等[6]在現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)上海地鐵2號(hào)線隧道盾構(gòu)施工引起的孔隙水壓力的分析也表明，盾構(gòu)施工在隧道下半部的周圍土體中產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力。馬險(xiǎn)峰[7]采用離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)M了上海8號(hào)線隧道由施工產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散引起的長期沉降問題。

3模型的建立

有限元可以反映結(jié)構(gòu)、土體以及流體間復(fù)雜的相互作用，是分析隧道施工誘發(fā)地層變位短期及長期效應(yīng)的最佳選擇。采用PLaxis3d研究分析隧道管片透水條件下引起的地層長期沉降情況，并與短期沉降對(duì)比，分析長短期沉降的特點(diǎn)。考慮某隧道埋深為25m，隧道直徑為6m，管片厚度0.3m，土體采用HSsmall本構(gòu)模型模擬。該本構(gòu)模型在HS模型的基礎(chǔ)上考慮了土體微小應(yīng)變條件下土體剛度的特點(diǎn)，能較好地反映土工問題的變形。土體計(jì)算參數(shù)如下：土體有效內(nèi)摩擦角φ′=25°，有效黏聚力c′=5kPa，飽和重度γsat=20kN/m3，參考?jí)嚎s模量Erefoed=10MPa，參考割線剛度Eref50=10MPa，參考卸荷再加荷模量Erefur=30MPa，m值可取為0.9，卸載再加載泊松比νur取為0.2；γ0.7=1×10-3，Gref0=106MPa，參考應(yīng)力pref取為100kPa；土體滲透系數(shù)k=0.0861×10-3m/d，地下水位位于地表。為了消除滲流邊界影響，模型的水平方向距離為200m，豎向距離50m。土體單元由10節(jié)點(diǎn)四面體單元模擬。計(jì)算中考慮地層損失比為2%。

4計(jì)算結(jié)果分析

通過計(jì)算可得隧道施工完成瞬時(shí)地層的沉降云圖。由地層的瞬時(shí)沉降云圖可以發(fā)現(xiàn)，隧道施工完成時(shí)，地層中最大沉降為27.7mm，發(fā)生在隧道頂部位置，地層中的最大回彈量為7mm，發(fā)生于隧道下部位置。由于隧道施工過程對(duì)地層擾動(dòng)，在隧道周圍地層中產(chǎn)生了顯著的超靜孔隙水壓力。由隧道施工產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散后地層的沉降云圖分析可得，地層中超靜孔隙水壓力消散后，地層中隧道頂部的最大沉降由隧道施工完成瞬間的27.7mm降低為25.36mm?？紤]隧道管片透水時(shí)，地層中穩(wěn)定滲流場形成后，由于隧道管片透水，在地層中形成穩(wěn)定滲流后，地層的最大沉降增加至31.76mm。地層中穩(wěn)定滲流場形成，地層沉降穩(wěn)定后，地層中的孔隙水壓力分布云圖。由于隧道管片透水，在地層中形成穩(wěn)定滲流后，在隧道周圍水面顯著下降，從而引起地層的進(jìn)一步沉降。隧道施工產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散完成，以及考慮管片透水在地層中形成穩(wěn)定滲流場，地表的沉降槽分布曲線。隧道施工完成后地層表面的最大沉降為10.37mm，沉降槽寬度為17.7m，超靜孔隙水壓力消散完成后地層表面的最大沉降為9.96mm，沉降槽寬度為17m，地層長期沉降穩(wěn)定后地層表面的最大沉降為21.07mm，沉降槽寬度為95.1m。

5結(jié)論

通過有限元計(jì)算分析表明，當(dāng)管片完全透水時(shí)，將會(huì)引起隧道周圍地層中地下水位的顯著降低，造成地層沉降增加。本文案例的計(jì)算結(jié)果及對(duì)比表明，管片透水時(shí)造成的地表最大沉降為不透水時(shí)的近2倍，地表沉降槽寬度顯著增加，也是不透水時(shí)的近2倍。對(duì)比分析隧道管片透水時(shí)地層表面沉降槽與施工結(jié)束瞬時(shí)、超靜孔隙水壓力消散完畢的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，管片透水誘發(fā)地層長期沉降主要是地層中的滲流場決定的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]MairRJ,TaylorRN.Themelecture:Boredtunnelingintheurbanenvironment[C].ProceedingsoftheFourteenthInternationalConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering.1997.2353-2385.

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[3]O'ReillyMP,MairRJ,AldermanGH.Long-termsettlementsovertunnels:aneleven-yearstudyatGrimsby.ProceedingsofConferenceTunnelling[D].London:InstitutionofMiningandMetallurgy,1991:55-61.

[4]ShinJH,AddenbrookeTL,PottsDM.Anumericalstudyoftheeffectofgroundwatermovementonlong-termtunnelbehavior[J].Géotechnique,2002,52(6):391-103.

[5]CloughGW,LecaE.EPBshieldtunnelinginmixedfaceconditions[J].JournalofGeotechnicalEngineering,1993,119(10):1610-1656.

作者:張清林 秦會(huì)來 單位:中國建筑股份有限公司技術(shù)中心 中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司