管片透水條件的地鐵隧道長期沉降數(shù)值計算
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【摘要】采用PLaxis3d對隧道管片透水條件下引起的地層長期沉降情況進行了研究分析。通過隧道施工完成瞬時地層的沉降云圖、隧道施工完成瞬時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。管片透水時造成的地表最大沉降約為不透水時的2倍，地表沉降槽寬度也約為管片不透水時的2倍。
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注。目前隧道開挖的瞬時或短期效應已經(jīng)有了較為充分的研究，隧道開挖對周邊深基坑、地下管線的研究成果也很多。國外學者對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營后的沉降現(xiàn)象日益嚴重，地鐵隧道的過大不均勻沉降會對地鐵結構本身和接頭的安全性、耐久性及防水性等產(chǎn)生影響，嚴重的不均勻沉降甚至會威脅軌道的平順度、乘坐舒適度及地鐵的安全運營。因此，隧道長期沉降問題也已引起相關學者的重視，最近已有關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，勢必惡化隧道結構的受力，降低隧道結構的安全度，這就要求隧道結構在規(guī)劃設計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目前還缺乏相應的資料。隧道周圍地層的長期變形勢必會對地層中的構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，尤其是建設在軟弱、高壓縮性土體中的隧道的長期沉降有時相當顯著[1]，更重要的是，在地鐵運營過程中不斷發(fā)展的長期沉降對地鐵結構、車站和隧道都可能產(chǎn)生嚴重的破壞作用。Shirlaw[2]在研究大量隧道長期沉降實測數(shù)據(jù)的基礎上曾得到如下結論：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相應增加。英國劍橋大學教授Mair在2008年第16屆朗肯講座上做了隧道與土工技術的報告。他在總結多年的研究成果基礎上他指出，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于土體的滲透性；（4）隧道施工前的孔隙水壓力分布。相對于土體滲透性的隧道襯砌的滲透性更是尤為重要。Mair教授的建議對研究隧道長期沉降問題指明了方向。盾構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、有效應力增大，進而引起地層沉降。隧道周圍超孔隙水壓力的分布狀況對長期沉降的發(fā)展起著相當大的影響，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以及隧道施工過程中對周圍土體的擾動狀態(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)對土壓平衡盾構施工引起的隧道周圍的孔隙水壓力的變化進行觀察，發(fā)現(xiàn)盾構施工過程中隧道軸線兩側的孔隙水壓力有明顯升高的趨勢。Lee等[6]在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的基礎上對上海地鐵2號線隧道盾構施工引起的孔隙水壓力的分析也表明，盾構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。馬險峰[7]采用離心機試驗模擬了上海8號線隧道由施工產(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
有限元可以反映結構、土體以及流體間復雜的相互作用，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，并與短期沉降對比，分析長短期沉降的特點?？紤]某隧道埋深為25m，隧道直徑為6m，管片厚度0.3m，土體采用HSsmall本構模型模擬。該本構模型在HS模型的基礎上考慮了土體微小應變條件下土體剛度的特點，能較好地反映土工問題的變形。土體計算參數(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/m3，參考壓縮模量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)點四面體單元模擬。計算中考慮地層損失比為2%。
4計算結果分析
通過計算可得隧道施工完成瞬時地層的沉降云圖。由地層的瞬時沉降云圖可以發(fā)現(xiàn)，隧道施工完成時，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地層擾動，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，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結論
通過有限元計算分析表明，當管片完全透水時，將會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。本文案例的計算結果及對比表明，管片透水時造成的地表最大沉降為不透水時的近2倍，地表沉降槽寬度顯著增加，也是不透水時的近2倍。對比分析隧道管片透水時地層表面沉降槽與施工結束瞬時、超靜孔隙水壓力消散完畢的結果，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】
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[5]CloughGW,LecaE.EPBshieldtunnelinginmixedfaceconditions[J].JournalofGeotechnicalEngineering,1993,119(10):1610-1656.
作者:張清林 秦會來 單位:中國建筑股份有限公司技術中心 中建一局集團建設發(fā)展有限公司