盾構(gòu)過富水砂層流—固耦合數(shù)值模擬計算

張遠(yuǎn)榮，肖文海，尤慶忠

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 深圳研究設(shè)計院，廣東 深圳 518034;2.廈深鐵路廣東有限公司，廣東 深圳 518301)

1 工程簡介

深圳地鐵2號線工程西起南山區(qū)赤灣站，東止羅湖區(qū)新秀站，線路全長35.78 km，均為地下線。2號線2205標(biāo)段盾構(gòu)工程共有2個區(qū)間，分別是東角頭站—水灣站和水灣站—海上世界站區(qū)間。地表既有建筑物主要集中在東角頭站—水灣站區(qū)間，土質(zhì)為富水砂層，本文運用FLAC3D有限差分程序進行本段沉降的數(shù)值模擬計算。

該段隧道上覆第四系地層:人工填土、洪沖圓礫、洪沖黏土，隧道側(cè)墻巖土層為洪沖礫砂、礫(砂)質(zhì)黏土，隧道基底為礫(砂)質(zhì)黏土、全風(fēng)化粗?；◢弾r。上覆軟弱土層厚度為10.2～13.0 m。

地下水以經(jīng)常滲水、滴水為主，頂板砂層地段易涌水，局部鉆孔和礫(砂)質(zhì)黏土見強 ～中等風(fēng)化巖碎塊，在CK5+058.9里程附近出現(xiàn)微風(fēng)化狀風(fēng)化球，且上部建筑物以天然地基為主。

2 FLAC3D計算模型

建立如圖1所示盾構(gòu)過富水砂層流—固耦合計算模型，模型寬×長×高為100 m×90 m×32 m。

地表沉降計算點、實測點與孔壓計算點位置示意如圖 2，其中 a1，a2，a3，h1，h2，h3 為地表沉降計算點，106，107，183，184 為地表沉降實測點，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H為孔壓計算點。

土體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾—庫倫模型，注漿、管片等為各向同性彈性體。在富水砂層中模擬盾構(gòu)開挖計算過程中所采用的有關(guān)計算參數(shù)如表1。

圖1 盾構(gòu)過富水砂層流—固耦合計算模型(單位:m)

圖2 地表沉降計算點、實測點與孔壓計算點位置示意

3 流—固耦合數(shù)值計算結(jié)果

3.1 沉降計算結(jié)果及分析

在給定模型的力學(xué)參數(shù)和邊界條件下，求解場地初始應(yīng)力和孔隙水壓力。經(jīng)過流—固耦合計算后，可得縱、橫剖面豎向沉降分布云圖，縱剖面地面沉降時程曲線及縱、橫剖面孔隙水壓力。計算結(jié)果分別見圖3—圖10。從縱剖面圖3看，開挖前后兩端沉降較大，越靠近邊界沉降越大。這個計算結(jié)果可能由于以下三個方面的原因:①快速開挖引起的較大的沉降;②邊界效應(yīng);③兩者共同作用的效果。

表1 模型場地土層和開挖相關(guān)模擬單元的力學(xué)參數(shù)

圖3 X=0處縱剖面豎向沉降分布云圖

從隧道的橫剖面(見圖4)看開挖沉降，自隧道拱頂開始到地表，沉降依次減小。拱頂最大1.5 cm左右，隧道拱底及兩側(cè)土體有微量的隆起，但量值較小。

通過對盾構(gòu)開挖引起地表縱、橫剖面沉降的分析(見圖5、圖6)，可知盾構(gòu)推進時，掌子面地表先隆起，隆起量約1 cm。盾構(gòu)通過后，由于盾尾空隙、地層土應(yīng)力與孔隙水壓力消散等共同作用，地表開始產(chǎn)生沉降，沉降量約2～3 cm。在盾構(gòu)管片安裝后，地表沉降趨于穩(wěn)定。通過橫、縱剖面地表沉降計算值與實測值的對比，可知地表沉降變化趨勢及量值的計算結(jié)果與實測結(jié)果較吻合。

圖4 橫截面Y=30 m的沉降分布云圖

圖5 盾構(gòu)開挖正上方縱截面沉降計算值與實測值

圖6 隧道橫截面沉降計算值與實測值

3.2 孔壓計算結(jié)果及分析

通過對盾構(gòu)隧道開挖縱剖面孔隙水壓力的計算(見圖7)，可知隧道上方砂性土層孔隙水壓力在盾構(gòu)通過后消散較快，隧道下方黏土層的孔隙水壓力還保留著開挖時的降壓特征，孔隙水壓力消散較慢。

圖7 X=0處縱剖面(Y:30～60 m)孔壓分布云圖

通過對縱剖面各點孔隙水壓力消散時程曲線(見圖 8、圖9)分析，可知盾構(gòu)推進時，掌子面孔隙水壓力先上升，盾尾通過時，孔隙水壓力消散，隧道管片安裝后，孔隙水壓力逐漸恢復(fù)且趨于穩(wěn)定。并且靠隧道拱頂位置越近，孔隙水壓力量值越大。

圖8 隧道縱剖面A，B，C，D點孔隙水壓力消散時程曲線

圖9 隧道縱剖面E，F(xiàn)，G，H點孔隙水壓力消散時程曲線

通過對盾構(gòu)隧道開挖橫剖面孔隙水壓力的計算結(jié)果分析(見圖10)，可知盾構(gòu)隧道開挖后，隧道周圍孔隙水壓力在縱向上呈現(xiàn)一條減壓帶，橫斷面上孔隙水壓力消散情況基本相同。

4 結(jié)論

1)盾構(gòu)在富水砂層推進過程中，對于隧道軸線上任一橫斷面而言，盾構(gòu)機在到達(dá)該橫斷面前，地表先隆起，盾構(gòu)通過后地表產(chǎn)生沉降。

圖10 橫截面Y=30 m的孔壓分布云圖

2)離隧道縱斷面中心線越遠(yuǎn)，盾構(gòu)施工引起的地表沉降越小。

3)在富水砂層中，盾構(gòu)機掌子面正前方孔隙水壓力先升高，盾尾通過后孔隙水壓力消散，隧道管片安裝后，孔隙水壓力逐漸恢復(fù)?？克淼拦绊斘恢迷浇?，孔隙水壓力量值越大且趨于穩(wěn)定。隧道周圍孔隙水壓力在縱向上呈現(xiàn)一條減壓帶，橫斷面上孔隙水壓力消散情況基本相同。

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