滲流對重疊盾構(gòu)隧道的影響分析

□林培忠　□林志斌　□王銀山（.河南省土地整理中心；.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院；.河南省水利水電工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)測監(jiān)督站）

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滲流對重疊盾構(gòu)隧道的影響分析

□林培忠1□林志斌2□王銀山3
（1.河南省土地整理中心；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院；3.河南省水利水電工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)測監(jiān)督站）

為研究滲流對重疊盾構(gòu)隧道的影響，以杭州地鐵1號(hào)線武-文區(qū)間工程為背景，采用FLA C3D軟件的滲流模擬方法對交叉重疊盾構(gòu)隧道的地表沉降、襯砌位移與內(nèi)力等進(jìn)行了分析，如何有效預(yù)測隧道施工引起的地表沉降或襯砌內(nèi)力就顯得尤為關(guān)鍵。采用數(shù)值模擬分析方法顯然是一種行之有效的方法，但其前提是保證模型參數(shù)和分析方法必須盡可能與實(shí)際保持一致。然而現(xiàn)有隧道的數(shù)值分析結(jié)果卻大多沒有考慮地下水的滲流影響，導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際存在較大誤差。因此，文章基于杭州地鐵1號(hào)線武文-區(qū)間工程，采用FLA C3D的滲流模擬分析方法，研究滲流作用下重疊盾構(gòu)隧道的地表沉降、圍巖塑性區(qū)、襯砌內(nèi)力等，以為實(shí)際工程以及今后類似工程提供借鑒或參考。

FLA C3D；重疊盾構(gòu)隧道；滲流

1　工程概況

杭州地鐵1號(hào)線武林廣場站至文化廣場站區(qū)為1、3號(hào)線4條單線隧道并行且在空間上相互交叉重疊。該區(qū)間盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為5.50 m，外徑為6.20 m，管片厚度為0.35 m。區(qū)間隧道洞身主要穿越淤泥質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、粉質(zhì)粉土層、及含砂粉質(zhì)粘土等，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。水文地質(zhì)方面，沿線淺部地下水屬潛水類型，主要賦存于上部填土層及粉土、砂土層中，補(bǔ)給來源主要為大氣降水及地表水。重疊盾構(gòu)周邊土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　重疊盾構(gòu)周邊土層的物理力學(xué)參數(shù)表

2　數(shù)值模擬模型

2.1模型建立

選取該工程具有代表性的斷面進(jìn)行分析，模型范圍為自隧道中心水平向外各取5D（D為隧道外徑），垂直向下取5D。盾構(gòu)管片采用彈性實(shí)體單元模擬，彈性模量為30GPa，泊松比為0.20；另外，在管片外設(shè)置一層厚度為0.20 m的等代層，表示壁后注漿位置力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的土體，該土體彈性模量設(shè)為100MPa，泊松比為0.25。模型應(yīng)力邊界條件為頂端自由，底部固定，四周法向位移約束。模型水力邊界條件：初始孔隙水壓力為按重力場梯度分布的靜水壓力，根據(jù)水質(zhì)條件，取潛水水位為地面下2.85 m，當(dāng)管片脫離盾尾后管片內(nèi)邊界孔隙水壓力固定為0。

2.2計(jì)算工況

為研究滲流對重疊盾構(gòu)管片以及周邊地層的影響，文章根據(jù)實(shí)際盾構(gòu)隧道的開挖順序，設(shè)計(jì)了以下2種不同的模擬工況：工況1：考慮水壓力影響，但不考慮滲流，先開挖下部左邊隧道T3，然后開挖上部右邊隧道T2，再開挖下部右邊隧道T4，再后開挖上部左邊隧道T1；工況2：同時(shí)考慮地下水壓力和滲流，其他條件與工況1同。

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1滲流對地表沉降的影響分析

圖1給出了考慮滲流和不考慮滲流時(shí)重疊盾構(gòu)的地表沉降曲線，當(dāng)不考慮滲流時(shí)：在隧道T3開挖完后，地表沉降幾乎為0；在隧道T2開挖完后，地表最大沉降出現(xiàn)在模型中間偏右3 m的位置，為2.57 mm，沉降影響范圍為2.50D（D為隧道直徑）；在隧道T4開挖完后，地表最大沉降出現(xiàn)在模型中間偏右0.50 m的位置，為5.08 mm，沉降影響范圍擴(kuò)大到5.50D；在隧道T1開挖完畢后，地表最大沉降出現(xiàn)在模型中間偏左2 m的位置，為8.56 mm；沉降影響范圍擴(kuò)大到6D。當(dāng)考慮滲流時(shí)；在隧道T3開挖完后，地表最大沉降出現(xiàn)在模型中間偏左11 m的位置，為0.50 mm；在隧道T2開挖完后，地表最大沉降出現(xiàn)在模型中間偏右1.80 m的位置，為5.78 mm，沉降影響范圍為6.30D；在隧道T4開挖完后，地表最大沉降出現(xiàn)在模型中間偏右0.50 m的位置，為7.33 mm，沉降影響范圍擴(kuò)大到8.20D；在隧道T1開挖完畢后，地表最大沉降出現(xiàn)在模型中間偏左2 m的位置，為11.50 mm；沉降影響范圍擴(kuò)大到9.10D。這說明，重疊隧道開挖過程中，考慮滲流引起地表的最終沉降量要比不考慮滲流約大30% ～40%。這是由于隧道開挖后，管片內(nèi)側(cè)的孔隙水壓力降低，遠(yuǎn)端地下水在動(dòng)水壓力的驅(qū)動(dòng)下向洞內(nèi)涌入，滲流引起土體的固結(jié)沉降。水位升高，孔隙水壓力增大，隧道開挖時(shí)高孔隙水壓力的消散將引起更大的固結(jié)沉降。不考慮滲流時(shí)，不存在土體的固結(jié)沉降，因此不考慮滲流時(shí)地表最大沉降和地表沉降影響范圍都比較小?？梢哉J(rèn)為，不考慮滲流時(shí)地表沉降完全由應(yīng)力場決定；考慮滲流時(shí)，地表沉降則由滲流場和應(yīng)力場同時(shí)決定。

圖1　重疊盾構(gòu)隧道的地表沉降曲線圖

3.2滲流對地層塑性區(qū)的影響分析

有無滲流條件下，重疊隧道周邊土層塑性區(qū)分布如圖3所示。不考慮滲流情況下，各條隧道的圍巖塑性區(qū)都主要分布在其左右兩邊的位置，在上下兩邊則分布較少；同時(shí)在隧道兩邊，里側(cè)那邊的塑性屈服區(qū)范圍要稍大于外側(cè)；4條隧道中，隧道T4周邊的土層塑性屈服區(qū)最大。在考慮滲流條件下，重疊隧道開挖引起的圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律與不考慮滲流時(shí)相似，但其塑性區(qū)的分布范圍要稍小于不考慮滲流的情況，這說明，滲流作用可以使隧道周邊土層的受力更為均勻，有利于隧道管片的穩(wěn)定。

3.3滲流對隧道管片內(nèi)力的影響分析

有無滲流情況下，4條盾構(gòu)隧道管片的最大和最小彎矩、軸力和剪力如圖2所示。

由圖可知，考慮滲流時(shí)，盾構(gòu)隧道管片的剪力值將顯著減小，而軸力和彎矩值則有所偏大。從結(jié)構(gòu)容許的最大應(yīng)力方面考慮，滲流更容易使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。但從表2各條隧道4個(gè)關(guān)鍵位置（拱頂、拱底、左腰、右腰）的彎矩和軸力值不難看出，滲流作用使這4個(gè)部位的內(nèi)力差值顯著減小，使得管片受力趨于“均勻”，對結(jié)構(gòu)的受力有利。

圖2　重疊盾構(gòu)隧道管片的最大內(nèi)力

表2　不同工況下各條隧道的彎矩與軸力表

表3　不同工況下各條隧道的位移表

3.4滲流對隧道管片位移的影響分析

表3給出了各條隧道4個(gè)關(guān)鍵位置（拱頂、拱底、左腰、右腰）的水平位移和豎向位移。由表3可知，滲流作用可以有效減小在重疊盾構(gòu)隧道開挖過程中襯砌管片的上浮或橫向偏移，從而更有利于隧道方位和走向的控制。

4　結(jié)論

重疊隧道開挖過程中，考慮滲流引起地表的最終沉降量和沉降范圍都要比不考慮滲流大30%～40%；可以認(rèn)為，重疊盾構(gòu)隧道的地表沉降在不考慮滲流時(shí)完全由應(yīng)力場決定，在考慮滲流時(shí)，則由應(yīng)力場和滲流場同時(shí)決定。滲流作用可以使隧道周邊土層和襯砌管片的受力都更為均勻，有利于隧道管片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。滲流作用可以有效減小襯砌管片的上浮或橫向偏移，更有利于盾構(gòu)隧道方位和走向的控制。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

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2016-03-17