水位回升對地鐵隧道影響的數值模擬研究

詹俊峰 汪 俊

(上海地礦工程勘察有限公司,上海 200065)

1 概述

隨著城市的快速發展，城市基礎設施建設越來越多，地下結構也越來越深，然而國內地下水位回升對地下結構的影響問題一直沒有得到足夠的重視。根據有關文獻[1]～[3]，英、美、法、日及波斯灣等國家均出現由于地下水位回升引起工程災害，如英國伯明翰市有的建筑物基礎被淹沒、利物浦不列顛鐵路隧道抽出水量增大、倫敦附近地下水位年上升量約1.5 m、泰晤士河岸砂巖地基上的建筑物地下室充水現象十分普遍等。我國經濟發展比西方發達國家晚了半個世紀，大量問題尚處于潛伏期，但這絕不意味著可以暫時不考慮或以后不會發生[4-7]。一旦水位回升，首先受到影響的就是地下結構或設施，如地下室、地鐵車站、地鐵隧道、綜合管廊等，而作為中國特大型城市之一的上海，其地下結構或設施規模巨大，且尤為復雜[8,9]，故本文選取上海市地鐵隧道結構作為研究對象，研究地下水位回升對其受力和變形的影響，以期為今后類似工程提供參考。

2 工程概況

本文以上海地鐵4號線為背景，通過概化4號線區間隧道工程地質條件，為后續數值模擬研究提供工程背景。4號線沿線區間隧道埋深一般在14 m～21 m，隧道主要穿越第④層灰色淤泥質黏土以及第⑤1層灰色黏土為主。淺部土層中潛水埋深淺，一般離地面0.3 m～1.5 m，年平均地下水位離地面0.5 m～0.7 m；第②3層、③2層和⑤2層地下水具有微承壓水特征；⑤1層和⑦2層的地下水為承壓含水層，承壓水水頭離地面埋深5.0 m～18.0 m。主要有①雜填土、②粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑤1黏土、⑤3粉質黏土、⑥粉質黏土和⑦2粉細砂。

3 模型構建

以地鐵4號線地質條件為原型，假設圓形隧道直徑6.0 m，拱頂埋深15 m，地下水初始水位在隧道底下3 m。考慮模型邊界效應的影響，且開挖方向取2 m，近似二維平面問題進行計算，模型尺寸取為90 m×2 m×65 m，圍巖采用實體(Solid)單元模擬，服從摩爾庫侖準則；隧道結構采用襯砌(Liner)單元模擬，建立的隧道數值模型見圖1。各土層的厚度與物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學性質指標

為了研究地下水位回升對地下結構的影響，設計地下水位位于隧道結構底、中部、頂部、頂部往上3 m，6 m，9 m和地表的位置分別進行計算，水位回升模擬工況步驟如表2所示。

表2 水位回升模擬步驟

4 模擬結果分析

根據上節的工況設計，進行水位回升的數值模擬，并分別從隧道豎向位移和內力進行分析，以研究水位回升對隧道結構和周邊環境的影響。

4.1 豎向位移

水位回升過程中地下水水位標高與豎向位移關系曲線見圖2，從圖2中可以看出，隨著地下水位的持續回升，隧道和地表總體上均產生向上的位移，且地表的位移量最大，其次是隧道頂部，隧道底部最小。這是因為在地下水回升過程中，地下水浮力的作用下，地面產生回彈變形以及隧道結構發生上浮變形所致。

由圖2可以看出，當地下水位從隧道底部以下3 m回升至隧道底部時，地下水并未對隧道本身產生浮力，但使底部以下土層中孔隙水壓力增加，引起土層的回彈變形，故隧道和土層均發生了向上的豎向位移，其中隧道本身的變形較小，拱底、拱頂和地表的位移量基本一致。

當地下水水位繼續從隧道底部回升至隧道頂部時，地下水對隧道結構本身產生了浮力，同時也加大了土層中的孔隙水壓力，導致更大的土層回彈變形，隧道整體表現為上浮，且向上的位移達到0.7 cm。由于隧道頂和底部的水壓力不同，導致頂底部位移量也不一致。當地下水水位逐漸回升至隧道頂部以上至地表時，隧道和地層豎向位移繼續增加，此時雖然隧道結構的浮力不變，但作用于隧道結構上的側壓力逐漸增加，隧道本身的變形增加，致使隧道本身發生變形。當升至地表時，頂部位移量約為2.2 cm，底部約為2.0 cm。

4.2 水平位移

水位回升過程中地下水水位標高與拱腰水平位移關系曲線見圖3。

從圖3中可以看出，當地下水位低于拱腰位置時，水平位移基本不變，但當水位逐漸高于拱腰時，隨著地下水位的持續回升，隧道拱腰部位水平位移呈逐漸增大趨勢，最大水平位移為0.91 mm，故總體位移并不大。

4.3 隧道結構內力

地下水位回升過程中，隧道結構不同位置處(隧道底和地表)最大彎矩變化云圖見圖4。從圖4可知，隧道結構最大正彎矩發生在拱頂和拱底兩側，而兩側拱腰則為最大負彎矩。隨著地下水位逐漸回升，由于有效應力減小，水壓力逐漸增加，隧道結構拱頂、拱底最大正彎矩和兩邊拱腰最大負彎矩總體趨于減小。雖然隧道最大彎矩均逐漸減小，但隨著水壓力逐漸增大，隧道結構可能發生正負彎矩轉換現象，對結構不利。此外，隧道結構最大法向應力隨地下水水位回升逐漸增加。

5 結語

本文基于上海地鐵4號線工程地質背景，采用數值模擬方法研究了地下水位回升對地鐵隧道結構的影響。地下水水位回升引起土體有效應力減小，同時地下隧道結構浮力增加，致使隧道結構存在明顯向上的豎向位移，即上浮現象。地下水位回升會造成隧道結構拱頂、拱底和地表不同程度向上的豎向位移，其中地表最大(2.23 cm)，拱頂次之，而拱底最??；隧道結構兩側拱腰位置的水平位移也逐漸增大，總體位移相對較小(最大為0.91 mm)；隧道結構法向應力不斷增加，彎矩則逐漸減小。隨著水壓力不斷增加，結構彎矩有方向轉換的可能，對隧道結構可能不利。