西安地鐵盾構施工中水分遷移規律數值模擬研究★

彭 敏 郭 潔 郅 彬 劉衛輝 徐媛媛,4

(1.信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054； 2.陜西省建筑設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710018； 3.西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054； 4.陜西海嶸工程試驗檢測有限公司，陜西 西安 710077)

目前，盾構法已被廣泛的應用于地鐵隧道工程的施工，盾構施工是應力釋放的過程，開挖前土體各點均處于初始應力平衡狀態，開挖后盾構施工打破了初始應力平衡狀態，迫使周圍土體產生水分遷移，導致地面沉降及地層位移[1]。近些年，因地鐵盾構施工誘發的地表變形及地面沉降問題時有發生，盾構施工導致的環境問題也愈加嚴重[2]。劉招偉[3],朱才輝[4],姜蓉[5],Xinggao Li[6],L. Ran[7],V. P. Samoilov[8]等國內外專家學者都對盾構施工引起的沉降、環境以及安全問題做了相關的研究。本文參照地層條件、施工環境等因素，通過理論分析和數值模擬對西安地鐵盾構施工引起的水分遷移規律進行了研究，并對盾構施工過程中水分場變化進行了歸類。

1 水分場變化對地層變形的影響

盾構開挖誘發地層變形的主要原因有以下幾點：

1)因盾構掘進圍巖應力獲得一定釋放，造成徑向收縮；

2)因盾構開挖造成水分遷移，土體孔隙水壓改變，致使有效應力增大，以致土體骨架壓縮，造成整體沉降變形[9]；

3)盾構開挖擾動周圍土體，迫使土體的承載能力下降，導致土體產生膨脹、擠密或是流動變形，實測數據顯示，在盾構開挖期間，超孔隙水壓的變化過程為三階段：

a.盾構未及之時，因盾構推力影響，生成超孔隙水壓；

b.盾構通過之時，因盾構擠壓造成周圍土體超孔隙水壓增大，致使盾構影響范圍之內，各點土體孔隙水壓改變率達到峰值；

c.盾尾通過之后，因超孔隙水壓消散，周圍土體開始固結沉降[10]。

2 盾構施工引起水分遷移規律研究

2.1 模型建立

本文依據該施工段的工程概況，采用數值模擬建立盾構開挖的隧道模型，然后考慮盾構開挖不同推力下水分場變化的影響來研究西安地鐵盾構施工中水分遷移規律。設定寬度為200 m，地鐵隧道埋深為20 m，截面影響區域宜設定為3倍，這樣既能滿足求解精度要求，亦能滿足計算需求。故最終模型尺寸設定為200 m×75 m(寬×深)的區域建立Midas/GTS計算模型，模型產生15 026個節點，14 700個單元，如圖1所示。

2.2 計算參數

依據盾構隧道勘察報告，對土層作相應簡化，劃分土層及滲流參數見表1。

表1 數值模擬計算參數表

2.3 計算工況

數值模擬中盾構隧道滲流分五次進行，第一階段滲流(穩態)不施加壓力水頭，第二階段滲流(瞬態)施加壓力水頭(10 m)，第三階段滲流(瞬態)施加壓力水頭(20 m)，第四階段滲流(瞬態)施加壓力水頭(30 m)，第五階段滲流(穩態)不施加壓力水頭。

2.4 邊界條件

Midas/GTS水分場變化數值模擬計算中，以節點水頭作為邊界條件，模擬地下水位距地面15 m，模型兩側邊界使用水位為60 m的穩定總水頭邊界條件，邊界條件如圖2所示。

2.5 計算結果分析

數值模擬中盾構隧道滲流分五次進行，第一階段滲流(穩態)不施加壓力水頭，第二階段滲流(瞬態)施加壓力水頭(10 m)，第三階段滲流(瞬態)施加壓力水頭(20 m)，第四階段滲流(瞬態)施加壓力水頭(30 m)，第五階段滲流(穩態)不施加壓力水頭，滲流的時間步驟均為1 d,10 d,20 d,30 d,50 d，第一階段滲流為未施加壓力水頭情況下的穩流，而第五階段滲流為施加壓力水頭消散過后的穩定流，其他階段均為非穩定流。

1)加壓后總水頭。

第一次加壓總水頭單元數據折線圖如圖3所示。各點坐標為：1(45,75)，2(46,75)，3(47,75)，4(48,75)，5(49,75)，6(50,75)，7(51,75)，8(52,75)，9(53,75)，10(54,75)，11(55,75)，12(50,55)，13(50,54)，14(50,53)，15(50,52)，16(50,51)，17(50,50)，18(50,49)。

由圖3可得出如下結論：同一節點，伴隨工后天數的增加，節點總水頭趨減；不同節點距離盾構開挖面越遠，工后節點總水頭越低；開挖面處，工后節點總水頭明顯較大；工后節點總水頭影響范圍，隧道上方土體大于下方，并且節點總水頭最大值出現在開挖面上部角點；工后30 d，節點總水頭已基本消散完畢；節點總水頭影響范圍，以開挖面為中心，由近及遠逐步擴散；節點總水頭影響范圍大致為110 m。

第二次加壓總水頭單元數據折線圖如圖4所示。

由圖4可得出如下結論：同一節點，伴隨工后天數的增加，節點總水頭趨減；不同節點距離盾構開挖面越遠，工后節點總水頭越低；開挖面處，工后節點總水頭明顯較大；工后節點總水頭影響范圍，隧道上方土體大于下方，并且節點總水頭最大值出現在開挖面上部角點；工后30 d，節點總水頭已基本消散完畢；節點總水頭影響范圍，以開挖面為中心，由近及遠逐步擴散；節點總水頭影響范圍大致為130 m。

2)加壓后滲流速度。

第一次加壓滲流速度單元數據折線圖如圖5所示。各點坐標：1(48.5,57.5)，2(48.5,56.5)，3(48.5,55.5)，4(49.5,57.5)，5(49.5,56.5)，6(49.5,55.5)，7(50.5,57.5)，8(50.5,56.5)，9(50.5,55.5)，10(50.5,54.5)，11(50.5,53.5)，12(50.5,52.5)，13(50.5,51.5)，14(50.5,50.5)，15(50.5,49.5)，16(48.5,48.5)，17(48.5,47.5)，18(48.5,46.5)。

由圖5可得出如下結論：同一節點，伴隨工后天數的增加，滲流速度趨減；不同節點距離盾構開挖面越遠，滲流速度越低；開挖面處，工后滲流速度明顯較大；工后滲流影響范圍的滲流速度，隧道上方土體大于下方，并且滲流速度最大值出現在開挖面上部角點；工后30 d，對地下水位以上土體的滲流影響可忽略不計且滲流速度變化不明顯；開挖面有回涌現象，因此需加強防水措施。

第二次加壓滲流速度單元數據折線圖如圖6所示。

由圖6可得出如下結論：同一節點，伴隨工后天數的增加，滲流速度趨減；不同節點距離盾構開挖面越遠，滲流速度越低；開挖面處，工后滲流速度明顯較大；工后滲流影響范圍的滲流速度，隧道上方土體大于下方，并且滲流速度最大值出現在開挖面上部角點；工后30 d，對地下水位以上土體的滲流影響可忽略不計且滲流速度變化不明顯；開挖面有回涌現象，因此需加強防水措施。

3)加壓后孔隙水壓。

由圖7可得出如下結論：同一節點，伴隨工后天數的增加，節點孔隙水壓趨減；不同節點距離盾構開挖面越遠，工后孔隙水壓越低；工后初始，開挖面處孔隙水壓較大，隨著時間推移，遠端孔隙水壓會比開挖面處孔隙水壓大；隨著時間推移，孔隙水壓影響范圍趨廣；隨著時間推移，開挖面處會出現負孔隙水壓；孔隙水壓影響范圍呈漏斗狀；工后孔隙水壓影響范圍，隧道上方土體大于下方，并且孔隙水壓最大值出現在開挖面上部角點；工后30 d，孔隙水壓變化趨緩；盾構推進可能使土體發生剪脹，產生負孔隙水壓。

由圖8可得出如下結論：同一節點，伴隨工后天數的增加，節點孔隙水壓趨減；不同節點距離盾構開挖面越遠，工后孔隙水壓越低；工后初始，開挖面處孔隙水壓較大，隨著時間推移，遠端孔隙水壓會比開挖面處孔隙水壓大，孔隙水壓影響范圍趨廣，開挖面處會出現負孔隙水壓；孔隙水壓影響范圍呈漏斗狀；工后孔隙水壓影響范圍，隧道上方土體大于下方，并且孔隙水壓最大值出現在開挖面上部角點；工后30 d，孔隙水壓變化趨緩；盾構推進可能使土體發生剪脹，產生負孔隙水壓。

4)總水頭變化。

總水頭變化圖如圖9所示。各點坐標為：1(45,75)，2(46,75)，3(47,75)，4(48,75)，5(49,75)，6(50,75)，7(51,75)，8(52,75)，9(53,75)，10(54,75)，11(55,75)，12(50,55)，13(50,54)，14(50,53)，15(50,52)，16(50,51)，17(50,50)，18(50,49)。

由圖9得出如下結論：同一節點，壓力水頭的變化對總水頭影響不大；不同節點，距離開挖面越遠，總水頭越低；總水頭最大值出現在開挖面上部角點。

5)滲流速度變化。

滲流速度變化圖如圖10所示。各點坐標：1(48.5,57.5),2(48.5,56.5),3(48.5,55.5),4(49.5,57.5),5(49.5,56.5),6(49.5,55.5),7(50.5,57.5),8(50.5,56.5),9(50.5,55.5),10(50.5,54.5),11(50.5,53.5),12(50.5,52.5),13(50.5,51.5),14(50.5,50.5),15(50.5,49.5),16(48.5,48.5),17(48.5,47.5),18(48.5,46.5)。

由圖10得出如下結論：同一節點，壓力水頭的變化對滲流速度影響不大；不同節點，距離開挖面越遠，滲流速度越低；滲流速度在開挖面上、下部角點明顯較大，且最大值出現在上部角點。

3 結語

本文以西安地鐵盾構施工為背景，參照地層條件、施工環境等因素，采用理論分析和數值模擬相結合的方法，對西安地鐵盾構施工引起的水分遷移規律進行了研究，并得出如下結論：

1)同一節點，伴隨工后天數的增加，節點總水頭、滲流速度、孔隙水壓趨減；不同節點距離盾構開挖面越遠，工后節點總水頭、滲流速度、孔隙水壓越低；開挖面處，工后節點總水頭、滲流速度明顯較大；節點總水頭、滲流速度、孔隙水壓最大值出現在開挖面上部角點。

2)工后節點總水頭、滲流速度、孔隙水壓影響范圍，隧道上方土體大于下方；工后30 d，節點總水頭已基本消散完畢，對地下水位以上土體的滲流影響可忽略不計且滲流速度變化不明顯，孔隙水壓變化趨緩；節點總水頭、孔隙水壓影響范圍，隨著時間推移，以開挖面為中心，由近及遠逐步擴散；同一節點，壓力水頭的變化對總水頭和滲流速度的影響不大。

3)工后初始，開挖面處孔隙水壓較大，隨著時間推移，遠端孔隙水壓會比開挖面處孔隙水壓大，開挖面處會出現負孔隙水壓；孔隙水壓影響范圍呈漏斗狀。

4)開挖面有回涌現象，因此需加強防水措施；盾構推進可能使土體發生剪脹，產生負孔隙水壓。

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