軟土盾構(gòu)隧道局部滲漏引起的沉降計(jì)算與分析

張柏林

（南京地下鐵道有限責(zé)任公司，210024，南京／／教授級高級工程師）

0 引言

地鐵盾構(gòu)隧道滲漏水會(huì)使得隧道周邊土體孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加，進(jìn)而使土體壓密產(chǎn)生沉降，而局部的滲漏會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，使隧道產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致隧道接縫張開，從而進(jìn)一步加劇隧道的滲漏和沉降。若隧道的滲漏水問題得不到有效地控制，必然會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性和設(shè)備的正常使用，危及行車安全。

國內(nèi)外學(xué)者已對隧道的滲漏問題進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［1］采用彈塑性理論首次引入了隧道襯砌有限滲透性的概念來模擬英國Grilnsby隧道11年來不斷發(fā)展的地表長期沉降。文獻(xiàn)［2］在Perzyna的流變理論和修正劍橋模型的理論框架下構(gòu)建彈黏塑性時(shí)效性本構(gòu)模型，耦合Biot固結(jié)理論針對隧道不同有限滲透性的條件下對隧道地表的長期沉降發(fā)展進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［3］、［4］應(yīng)用力學(xué)和滲漏耦合的方法，從隧道滲漏角度，計(jì)算并分析了隧道相對周圍軟土不同滲透系數(shù)比條件下的隧道沉降，分析了滲漏沉降穩(wěn)定時(shí)間。文獻(xiàn)［5］通過增加滲漏點(diǎn)的個(gè)數(shù)并改變區(qū)間隧道的總滲漏量，討論管片滲漏對地鐵隧道長期沉降的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［6］建立了隧道周圍孔隙水壓力、地層及隧道長期沉降解析計(jì)算方法，探討了隧道不同滲流量對孔壓及地層和隧道長期沉降的影響規(guī)律。上述文獻(xiàn)均是在相對滲透性概念基礎(chǔ)之上來研究地鐵結(jié)構(gòu)滲漏和沉降的關(guān)系。事實(shí)上，襯砌的滲透性并不是指隧道襯砌混凝土的滲透特性，而是指隧道襯砌在管片拼縫、裂縫、注漿孔、螺栓孔等位置處的局部滲流。文獻(xiàn)［7］通過管片接頭弱化和接頭滲流路徑的設(shè)置，建立了一種既能符合盾構(gòu)隧道剛度要求又能實(shí)現(xiàn)局部接頭滲水的模型。

本文基于有限元模擬，通過對隧道襯砌局部滲漏的模擬，研究局部滲漏對地鐵隧道長期沉降的影響大小及影響規(guī)律。既可為地鐵隧道的沉降控制提供依據(jù)，也可為盾構(gòu)隧道的防水提供參考。

1 有限元模型

采用ADINA 有限元分析軟件建立平面應(yīng)變計(jì)算模型，模型橫向?qū)?20 m，根據(jù)隧道斷面埋深的不同，模型在深度方向尺寸可變?？紤]到南京地區(qū)歷年地下水位變化情況，取地下水位為地表以下1.0m。計(jì)算模型如圖1所示。

數(shù)值模擬中邊界條件包括兩類：一類為位移邊界條件，另一類為與孔隙水壓力有關(guān)的滲流邊界條件。具體描述為：土層底部位移完全約束；土體兩側(cè)水平向位移限制為零，豎向自由；地表完全自由。地表處以及隧道邊界可以滲水；模型底部和兩側(cè)設(shè)置透水邊界，即認(rèn)為隧道周邊的地下水可以對滲漏進(jìn)行補(bǔ)給。

圖1 計(jì)算模型示意圖

2 計(jì)算方法與步驟

以南京地鐵2號線某區(qū)間隧道為例闡明襯砌局部滲漏下地鐵隧道沉降的計(jì)算方法。首先利用ADINA軟件中的滲流場計(jì)算得到不同滲漏位置（拱頂、拱腰和拱底）滲流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的靜水位分布情況；再將滲漏前和滲流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)相應(yīng)的靜水位的變化量從滲流場中導(dǎo)出，將其代入ADINA軟件中的結(jié)構(gòu)場進(jìn)行變形計(jì)算。假定隧道襯砌和地基土體協(xié)同變形，則隧道的沉降值即為隧道下部土體的變形量。

計(jì)算所選隧道斷面模型總寬120 m，深度45 m，隧道埋深18.2 m。當(dāng)隧道拱頂發(fā)生滲漏時(shí)，初始潛水位到滲漏點(diǎn)位的土層分布和靜水壓力如圖2所示。各土層的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1。

本文主要采用調(diào)整參數(shù)進(jìn)行試算的方法得到沉降時(shí)程曲線，具體處理方法如下：

（1）在A點(diǎn)處的襯砌內(nèi)表面施加抽水孔壓，大小為理論三角形分布的函數(shù)：

式中：

p——滲漏點(diǎn)位的空孔隙水壓力；

α——折減系數(shù)，α＜1；

AB——滲漏位置理論水頭壓力。

（2）調(diào)整滲漏位置的抽水孔壓進(jìn)行多次試算，當(dāng)最終沉降符合滲流場中計(jì)算的沉降結(jié)果時(shí)，認(rèn)為參數(shù)調(diào)試完畢，即可獲得相關(guān)計(jì)算結(jié)果。圖3為拱頂滲漏時(shí)的沉降時(shí)程曲線。

表1 某區(qū)間土層的物理力學(xué)指標(biāo)

3 隧道滲漏沉降的影響因素及規(guī)律

為了分析不同滲漏點(diǎn)位置、下臥土層及埋深對隧道長期沉降的影響，采用變化單一影響因素的方法對滲漏引起的沉降大小及規(guī)律進(jìn)行了模擬。在分析滲漏點(diǎn)位置對長期沉降的影響規(guī)律時(shí)，假定隧道埋深為2D（D為隧道外徑），土層分別為單一的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂3種土層時(shí)，拱頂、拱腰、拱底位置滲漏對隧道長期沉降的影響見圖4。從圖4中可以看出，滲漏引起的沉降幅值與滲漏點(diǎn)位有關(guān)，拱底滲漏引起的沉降最大，拱腰次之，拱底最小。

在分析下臥土層對隧道滲漏沉降的影響時(shí)，假定隧道埋深分別為1D，隧道基底以上為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下臥土層分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂時(shí)，拱頂、拱腰、拱底滲漏對隧道結(jié)構(gòu)長期沉降的影響見圖5。從圖5中可以看出，拱腰和拱底滲漏引起的沉降幅值與下臥土層的性質(zhì)密切相關(guān)，淤泥質(zhì)土層中滲漏引起的沉降較大，粉土次之，粉砂最小，但拱頂滲漏時(shí)三者沉降相差不大。

圖2 壓縮土層和水壓力分布情況

圖3 拱頂滲漏沉降時(shí)程曲線

圖4 沉降量與滲漏點(diǎn)位置關(guān)系曲線圖

圖5 沉降量與下臥土層性質(zhì)關(guān)系

同樣地，在分析埋深對隧道滲漏沉降的影響規(guī)律時(shí)，考慮隧道位于單一的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，假定隧道埋深分別為1D、2D、3D（D為隧道外徑），拱頂、拱腰、拱底滲漏對隧道長期沉降的影響見圖6。從圖6中可以看出，滲漏引起的沉降幅值與隧道埋深有關(guān)，隨著隧道埋深的加大，滲漏沉降量減小。

圖6 沉降量與埋深關(guān)系曲線圖

4 結(jié)論

（1）隧道滲漏對結(jié)構(gòu)長期沉降影響的大小需要從滲漏位置、下臥土層的土性及隧道埋深等角度綜合考慮。

（2）隧道局部滲漏引起的沉降與滲漏點(diǎn)位置有關(guān)，同一斷面拱底滲漏引起的沉降最大，拱腰次之，拱底最小。

（3）隧道局部滲漏引起的沉降幅值與下臥土層的性質(zhì)有關(guān)，淤泥質(zhì)土層中滲漏引起的沉降較大，粉土次之，粉砂最小。

（4）隧道局部滲漏引起的沉降幅值與隧道埋深有關(guān)，隨著隧道埋深的加大，滲漏沉降量減小。

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