地下水位變化對盾構隧道的影響研究

李春良，王 勇，張 巍

(1.吉林建筑工程學院交通科學與工程學院，長春 130118;2.吉林省公路管理局，長春 130021;3.吉林大學第二醫(yī)院基建處，長春 130021)

0 引言

盾構隧道結構通常埋置在地表10 m以下，絕大多數(shù)的隧道都處于地下水位線以下，并長年受到地下水升降的影響。另外，由于近幾年人類大量的取水活動以及目前的南水北調工程的影響，常導致相關地區(qū)地下水位線發(fā)生變化。此時，如果盾構隧道埋置其中，必然會受到地下水位變化所產(chǎn)生的影響，盾構隧道的內(nèi)力和變形也會隨著地下水位的升降而變化。大量工程實例也證實，地下水位的改變，會導致盾構隧道結構發(fā)生局部開裂、上浮及不均勻變形等力學狀態(tài)的改變。

有學者對管片施工中的上浮問題進行了模擬，分析了盾構管片結構設置和襯砌背后注漿造成管片結構和周圍地層的位移變化特點，并討論了盾構隧道上浮的變化規(guī)律［1］，研究了盾構隧道在施工過程中，盾構機剛脫離盾尾的管片經(jīng)常會出現(xiàn)局部或整體上浮的問題，并指出了水、漿液、泥漿等產(chǎn)生浮力的原因［2－3］。也有人對不同潛水水位和承壓水頭作用下盾構隧道的地表沉降、襯砌內(nèi)力等進行了分析研究［4］。

可以看到，目前人們對盾構隧道的研究熱點主要集中在對隧道建設過程中所引起的土體移動和變形問題方面［5－10］，而關于地下水位升降對盾構隧道結構的影響研究得并不多。因此，為使盾構隧道在施工、營運過程中避免地下水位變化而產(chǎn)生破壞，正確地認識地下水位變化對盾構隧道在受力與變形方面的影響勢在必行。

本文針對地下水位的變化情況，采用有限元模擬方法對這一過程進行了分析，詳細研究了地下水位上升后對盾構隧道結構在位移、變形等方面的影響狀況，揭示出地下水位上升對盾構隧道結構的影響規(guī)律。

1 飽和土中盾構隧道的水壓力模型

盾構隧道處于地下水位線以下時，地下水會對盾構隧道產(chǎn)生靜水壓強，由于靜水壓強具有垂直指向性和各向等值性，則作用在盾構隧道外圍的靜水壓強分布如圖1所示。

圖1 隧道橫截面上壓強分布Fig.1 Pressure distribution on cross-section of shield-bored tunnel

根據(jù)作用在曲面上的壓強分布可以發(fā)現(xiàn)，作用在此曲面上的各點壓強方向不同，為非平行力系。為研究盾構隧道橫截面任意點的水壓力情況，將截面中各點的地下水壓力分解為水平分力和鉛垂分力，并分別求其代數(shù)和，而后便可求出作用在整個曲面上的靜水總壓力。

為方便研究，取圖1中的陰影部分為研究對象，設h為dAx投影面積形心在自由表面以下的深度，則

則隧道邊壁受到的地下水總壓力計算公式為

式中:α為總壓力與水平線的夾角;pc為投影面積Ax形心處壓強;γ為液體重度;V為研究對象的體積。

2 地下水位線變化的模擬過程

當盾構隧道所處地層中的地下水位發(fā)生變化時，受地下水影響的土層的參數(shù)和在其中管片的受力均發(fā)生變化。為反映出整個過程中各類土層參數(shù)和水壓力變化等因素對隧道和土層產(chǎn)生的影響程度，用有限元理論模擬地下水位變化對盾構隧道的影響情況，分析不同水位變化后的盾構隧道結構在位移、變形等方面的變化規(guī)律。

根據(jù)所關注的問題和計算精度，建立一定范圍的土體，并劃分出盾構隧道結構、注漿層和管片結構，并對結構體進行網(wǎng)格劃分。采用不同的網(wǎng)格劃分技術在結構的關鍵部分指定節(jié)點位置，劃分后的結構通過節(jié)點組成連續(xù)的單元。圖2為地下水位線在盾構隧道周圍土層中發(fā)生變化時的離散模型。

圖2 地下水位線變化的模擬過程Fig.2 Simulation process of water level fluctuation

在有限元模擬過程中:1)先對盾構隧道的初始狀態(tài)模擬計算，計算地表荷載、水壓力、結構自重等，此時的計算結果作為管片受力的初始狀態(tài);2)當?shù)叵滤痪€發(fā)生改變時，承接初始狀態(tài)的計算結果，對將受到地下水影響的土層的相關參數(shù)進行二次調整，并將地下水位變化后的壓強差作用到隧道表面，揭示出地下水位變化后對盾構隧道及其周圍土體的影響情況。

3 有限元模型的建立

3.1 模型的建立

在分析過程中，采用實體單元Solid45模擬管片、土層及注漿層結構，并利用網(wǎng)格單元Mesh200輔助完成整個結構的網(wǎng)格劃分。

3.1.1 模型尺寸

取范圍足夠大的土體，避免小邊界效應所產(chǎn)生的誤差。計算中取的土體范圍為:水平方向取80.2 m，向下取47.7 m，隧道掘進方向取60 m;隧道中心距離地表以下18.1 m，隧道管片外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m，隧道外圍的注漿層厚度為0.25 m。有限元模型如圖3—5所示。

3.1.2 邊界約束

對模型體下底面上的所有節(jié)點的豎向位移進行約束，對模型體左右2個側面上的所有節(jié)點的左右方向位移進行約束，對模型體前后2個面上的所有節(jié)點的前后方向位移進行約束。

3.2 模擬水位變化過程

為分析地下水位變化對隧道結構的影響，模擬計算了如下幾個地下水位變化后的連續(xù)過程。

1)地下水位距隧道拱底下一定深度處(水位線距地面23.5 m)上升到盾構隧道拱底標高處過程。

2)地下水位由盾構隧道拱底標高處上升到盾構隧道中心標高處過程。

3)地下水位由盾構隧道中心標高處上升到盾構隧道拱頂標高處過程。

4 計算結果分析與討論

4.1 豎向水壓力差計算結果對比

為了驗證有限元計算模型的準確性，利用公式(4)計算了不同高度情況下隧道受到的豎向水壓力差，并與有限元模型計算得到的豎向水壓力差進行了對比，如圖6所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)有限元模型計算的豎向水壓力值與理論公式計算的豎向水壓力值較一致，表明有限元模型具有一定的精度與準確性，可以用來分析地下水升降對盾構隧道產(chǎn)生的水壓力差問題。在圖6中，當?shù)叵滤粡?點標高(拱底標高)上升到拱頂標高時，隧道豎向水壓力差逐漸增大，但并非為線性增加趨勢。

圖6 隧道豎向水壓力差對比Fig.6 Relationship between vertical water pressures and water levels

4.2 隧道拱頂、拱底及其正上方地表的豎向位移隨地下水位變化的結果

圖7為隧道拱頂、拱底及其正上方地表的上升位移隨地下水位變化曲線。

圖7 拱頂、拱底及其正上方地表上升位移隨地下水位變化曲線Fig.7 Upward displacement at crown，invert and above ground surface

由圖7可以發(fā)現(xiàn):

1)隨著地下水位線的升高，隧道拱頂處位移、隧道拱底處上升位移及對應地表點的上升位移均變大。主要因為地下水升高后產(chǎn)生了向上的浮力，土中的孔隙水壓力增加，土體間的有效應力減小，從而引起土層上升。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著水位線的升高，隧道產(chǎn)生的上升位移越來越大，并且拱頂處的上升位移大于拱底處的上升位移。

2)當?shù)叵滤粡乃淼拦暗讟烁咛幧仙剿淼乐行臉烁咛帟r，地下水逐漸開始對隧道產(chǎn)生向上的浮力，但浮力僅作用于隧道中心線以下部分，此時隧道的上升表現(xiàn)為整體上升，且上升的位移量逐漸增大，但隧道的環(huán)向變形不明顯。

3)當?shù)叵滤粡乃淼乐行木€標高處上升到拱頂標高處位置時，隧道的四周均受到了水壓力作用，隧道結構開始產(chǎn)生徑向變形，同時隧道拱頂、拱底和地表繼續(xù)上升;但拱頂處的上升位移大于拱底處的上升位移，主要由于隧道拱頂處受到的約束相對于拱底位置的約束要弱，因為上覆土層的厚度小于拱底上覆土層的厚度。

4.3 地下水位變化后隧道邊壁的側向位移

為研究地下水位變化過程中隧道邊壁的側向位移情況，繪制了盾構隧道中心標高位置上側向邊壁的側向位移曲線，如圖8所示。由圖8可知，隨著地下水位的升高，隧道中心標高處的邊壁也發(fā)生了一定量的向內(nèi)的水平側向變形。主要是由于地下水對隧道產(chǎn)生的徑向水壓力引起的，并且地下水位越高，隧道邊壁的水平側向變形越大。

圖8 隧道中心線標高處邊壁的側向位移Fig.8 Lateral displacement of side wall at tunnel center line elevation

4.4 隧道縱向30 m處橫斷面內(nèi)各地表點豎向位移變化

根據(jù)有限元模擬計算結果，繪制出地下水位線由初始位置(水位線距地面23.5 m)上升到拱底標高、隧道中線標高及拱頂處標高位置后，在隧道縱向30 m處橫斷面內(nèi)的地面點的豎向位移曲線，如圖9所示。

圖9 隧道縱向30 m處橫斷面內(nèi)各地表點豎向位移Fig.9 Vertical displacements

由圖9可以發(fā)現(xiàn):

1)地下水位線由初始位置上升2.65 m后，地表各點的豎向上升位移幾乎為零，表明地下水位線小幅度上升對地面幾乎不會產(chǎn)生影響。

2)當?shù)叵滤痪€由初始位置上升到隧道中心線標高處位置時，地表各點均上升，但橫向各點上升的位移量不同，盾構隧道上方的地表點上升的位移量小于其下方?jīng)]有隧道的地表位移量。主要因為地下水位上升，土的自重應力降低，土體發(fā)生向上的位移，同時隧道中心線標高以下的拱底區(qū)域受到水的浮力也發(fā)生上浮，但隧道的上浮量小于土層的上浮量，所以隧道結構在一定程度上阻礙其下方土體的上浮。因此，盾構隧道上方的地表點上升的位移量小于其下方?jīng)]有隧道的地表位移量。

3)當?shù)叵滤痪€由隧道的中心線標高處上升到隧道的拱頂標高處時，地表土體的上升量達到了5.8 cm。

5 結論與討論

1)本文建立了地下水位變化時盾構隧道結構的有限元模型，該模型可預測出地下水位上升時對盾構隧道產(chǎn)生的影響，揭示出地下水位上升所導致土層內(nèi)部應力狀態(tài)和沉降位移的改變情況。

2)地下水位的上升會使地表土體發(fā)生回彈，但盾構隧道上方土體的回彈值要小于其下方?jīng)]埋置盾構隧道結構的土層的回彈值。

3)當?shù)叵滤痪€上升到盾構隧道拱底標高、中心標高、拱頂標高位置時，盾構隧道結構會出現(xiàn)相應的上升位移和邊壁的側向位移，并且位移值會隨著水位的上升越來越大，同時隧道發(fā)生的結構變形也越來越大。對于直線段的隧道結構，如果其下方土層較均勻，當?shù)叵滤w上升時，直線段的隧道發(fā)生整體上浮，并且不會產(chǎn)生不均勻的位移。

由于盾構隧道所在土質物理條件的復雜性與水土的相互作用，本文采用的模擬方法不可避免地采取一些假設和簡化。但文中的計算結果能夠揭示出地下水位上升到不同位置時對盾構隧道位移變化的影響規(guī)律，所獲得的規(guī)律性認識對同類工程具有較好的參考價值，對地下水位升高后的盾構隧道變形監(jiān)測與內(nèi)力控制具有一定的理論價值與現(xiàn)實指導意義。

需要注意的是，文中所建立的有限元模型僅適用于地下水位上升后對盾構隧道引起的上浮變形問題。當?shù)叵滤幌陆禃r，在降水過程中，土體的有效應力會增加，盾構隧道的沉降量會增加，此時需要采用滲流耦合的有限元分析方法來計算。

目前地下水位變化對盾構隧道在施工過程中所帶來的影響尚未展開研究，因此在今后的理論研究中，應對此進行研究，進而揭示出盾構在施工時受到地下水位升降的影響規(guī)律，這也是筆者下一步的主要研究方向。

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