隔水帷幕深度對蘇州地鐵隧道結構影響分析

曹志豪，代志萍，谷雪影

(上海同巖土木工程科技有限公司，上海 200092)

0 引言

在基坑施工時，采用地下連續墻等隔水帷幕方式并進行基坑降水能有效保障基坑及周邊建筑結構穩定。然而，在地鐵隧道周邊進行基坑降水時若沒有形成有效的隔水帷幕，將引起基坑變形失穩及周圍地基土產生不均勻沉降而引發工程事故。目前，特別是在東南沿海等地下水位較淺的地區，在深基坑施工中，時常遇到基坑坑壁失穩等引起周邊建筑結構變形過大，造成地鐵隧道縱向發生不均勻沉降，使隧道管片產生擠壓變形，導致盾構管片張開量過大而發生滲漏水現象，影響地鐵隧道的結構穩定和正常運營［1］。

在基坑降水過程中，根據基坑周邊有無隔水帷幕及隔水帷幕、基坑深度與含水層關系劃分為4類模式［2］:1)落底式帷幕邊滲流模式;2)潛水懸掛式帷幕邊滲流模式;3)承壓水懸掛式帷幕邊滲流模式;4)基坑周邊無隔水帷幕滲流模式。基坑隔水帷幕深入含水層的位置不同或降水深度不同，所形成的地下水滲流場形態就不同，進而引起基坑外的地下水頭和孔隙水壓力降低程度不同。基坑外隧道周邊地層孔隙水壓力降低會引起地鐵隧道及周圍土體發生沉降變形。因此，在對基坑降水設計時，設置適當的隔水帷幕深度可有效降低基坑降水對周邊地鐵隧道等的影響。

胡國新等［3］采用三維數值模擬方法分析基坑滲流對緊鄰區間隧道的影響，其計算結果表明，基坑降水由于地下水滲流引起區間隧道的最大沉降為5.6 mm。根據管片環三維變形計算，管片環兩側腰部位外側張開，且水平方向變形略大于垂直方向變形。李源等［4］根據隔水帷幕插入深度的不同，采用理論計算推導，分析坑內降水和坑外降水的差異。彭典華等［5］簡要概括了隔水帷幕的類型，研究了隔水帷幕止水設計及帷幕局部漏水處理技術。王昆泰等［6］利用FLAC 3D有限差分軟件模擬分析懸掛帷幕條件下基坑降水時坑外孔壓的分布情況，并對比分析不同深度隔水帷幕是坑外孔壓情況，表明增加隔水帷幕深度能減少坑外孔壓的變化。

目前，研究關于基坑降水引起周邊地層沉降的問題越來越多，但對基坑與地鐵隧道間設置隔水帷幕，同時基坑采用降水施工時對鄰近地鐵隧道影響的數值模擬對比分析研究有限。本文以蘇州地區的地質條件為背景，采用有限差分的數值計算方法，分析研究在不同的隔水帷幕深度時，進行基坑降水對地鐵隧道結構的影響。

1 工程概況及參數選取

1.1 工程介紹

工程項目位于蘇州星陽街，基坑工程靠近蘇州地鐵1號線。地鐵隧道埋深為8.5 m，基坑工程與地鐵隧道的水平間距為8.0 m。隔水帷幕采用地下連續墻止水，地下連續墻為 C30混凝土結構，容重為25 kN/m，隔水帷幕深度約為基坑深度的2倍。隧道襯砌外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m。盾構隧道管片混凝土強度等級為C50，抗滲等級≥S10。基坑施工時支撐均為φ609鋼管支撐。

1.2 物理力學參數

數值模擬中土層的物理力學參數參照蘇州地鐵查勘及設計資料，并結合規范要求選取［7］。土體材料采用摩爾－庫侖 (Mohr－Coulomb)彈塑性本構模型進行模擬，不同土層的物理力學參數見表1。由于基坑坑底加固時采用20%水泥摻量的三軸攪拌樁，模擬時按照提高土體強度進行等效考慮。盾構管片及地下連續墻采用彈性 (Elastic)本構單元模擬，其物理力學參數見表2。基坑開挖時橫撐采用梁單元模擬，管片環向及縱向之間的螺栓連接也由梁單元模擬(忽略螺栓預緊力的作用)，并采用接觸面模擬管片間的接觸。

表1 土層物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of soil strata

表2 管片及地下連續墻物理力學參數表Table 2 Physical and mechanical parameters of segment and underground diaphragm wall

2 計算模型

2.1 模型建立

蘇州星陽街既有地鐵1號線附近開挖基坑時，考慮地下水滲流的影響，采用三維數值模擬方法［8－9］，研究基坑在采用降水方法開挖時，基坑降水、地下水滲流對隧道結構應力、變形以及管片張開量的影響。數值計算模型尺寸為82.9 m×55.2 m×6.0 m的有限差分網格模型。模型數據資料參考蘇州中心廣場項目設計資料，盾構隧道內徑為5.5 m，外徑為6.2 m。數值模型是建立五環管片模型進行模擬，盾構管片總長度為6 m。隧道與基坑位置關系及計算模型圖如圖1所示。

圖1 計算模型Fig.1 Calculation model

地鐵隧道管片采用錯縫拼接方式，一環管片是由3塊(A1T，A2T，A3T)A 型標準塊、2 塊(B1T，B2T)B 型鄰接塊、1塊(KT)K型封頂塊組成。隧道管片間的接觸采用Interface接觸面模擬，盾構隧道管片及接觸面圖見圖2(a)。盾構管片之間的連接螺栓采用梁單元模擬，其連接效果見圖2(b)。數值模擬中考慮地下水滲流影響，地下水位為地面以下1 m。

2.2 計算工況

分析中基坑降水深度為基底以下2 m，模型采用2種隔水帷幕深度分2種工況進行計算。工況1:靠近隧道側基坑隔水帷幕與遠離隧道側隔水帷幕深度相同，隔水帷幕深度為基坑底以下16 m(見圖3)。工況2:依據蘇州中心B－3區基坑項目地鐵隧道附近基坑設計資料，靠近隧道側基坑隔水帷幕深度增加為基坑底以下33.6 m，遠離隧道側隔水帷幕長度不變，為基坑底下16 m(見圖4)。

圖2 盾構隧道管片接觸面及其連接螺栓模型Fig.2 Model of interface and connection bolt of segments

圖3 隧道與基坑位置關系(工況1)Fig.3 Location relationship between the tunnel and the foundation pit(Case 1)

圖4 隧道與基坑位置關系(工況2)Fig.4 Location relationship between the tunnel and the foundation pit(Case 2)

3 基坑降水對盾構隧道影響分析

3.1 基坑降水后土體孔隙水壓力分布

工況1和工況2土體孔隙水壓力云圖見圖5。

圖5 不同隔水帷幕深度土體孔隙水壓力云圖Fig.5 Contour of pore water pressure of soil mass under different water-insulating curtain depths

基坑降水施工對坑底孔隙水壓力影響較大，利用隔水帷幕能有效地控制基坑安全施工，降低降水時對基坑底孔隙水壓力的影響。基坑施工工況1時土體孔隙水壓力最大值為544 kPa;工況2時土體孔隙水壓力最大值為547 kPa。對比工況1和工況2可知，基坑降水施工時，隔水帷幕深度較小時，降水作業對隧道側土中孔隙水壓力大小影響較大;隧道側隔水帷幕深度較大時，降水作業對隧道側土中孔隙水壓力的影響很小。增大地鐵隧道側隔水帷幕深度能有效降低降水施工對隧道圍巖孔隙水壓力分布的影響，穩定隧道周圍土體變形。

3.2 隔水帷幕深度對隧道變形影響

圖6為工況1和工況2時管片環的三維變形。由圖6可知，在2種工況中由于基坑降水引起隧道周圍土體變形，進而引起隧道發生位移變形，而由于工況1和工況2地墻隔水深度不同，隧道產生的變形量不同。工況1隧道的最大總位移值為13.76 mm，最大位移值發生在隧道距降水位置較遠側;工況2隧道的最大總位移值為11.08 mm，且最大位移值發生在隧道靠近基坑側。由隧道的總位移可知，增加隔水帷幕的深度能有效減小隧道變形。

圖7為不同隔水帷幕深度隧道的水平位移云圖。

圖6 不同隔水帷幕深度隧道的總位移云圖Fig.6 Contour of total deformation of tunnel under different waterinsulating curtain depths

圖7 不同隔水帷幕深度隧道的水平位移云圖Fig.7 Contour of horizontal displacement of tunnel under different water-insulating curtain depths

在隧道整體產生向基坑開挖側的水平位移方面，工況1和工況2均表現為隧道頂部水平位移最大，隧道底部水平位移最小。工況1時隧道頂部最大水平位移為2.32 mm(向基坑方向移動)，隧道底部最小水平位移為0.06 mm;工況2時隧道頂部最大水平位移為2.13 mm(向基坑方向移動)，隧道底部最小水平位移為0.57 mm。由此可見，加長隔水帷幕的深度，使得降水引起隧道頂部水平位移有所減小，引起隧道底部水平位移有所增加。

圖8為不同隔水帷幕深度隧道的豎直位移云圖。

圖8 不同隔水帷幕深度隧道豎直位移云圖Fig.8 Contour of vertical displacement of tunnel under different water-insulating curtain depths

在基坑降水作用下，工況1和工況2條件下隧道豎向都發生不同程度的沉降變形，靠近基坑側隧道拱腰處豎向位移值較大，遠離基坑側隧道拱腰處豎向位移值較小。工況1靠近基坑側隧道最大豎向變形為－13.69 mm(沉降變形)，遠離基坑側隧道最小豎向變形為－11.98 mm(沉降變形)，大于《城市軌道交通結構安全保護技術規范》［10］關于隧道豎向位移預警值(10 mm)的規定;工況2靠近基坑側隧道最大豎向變形為－10.98 mm(沉降變形)，遠離基坑側隧道最小豎向變形為－10.17 mm(沉降變形)，達到《城市軌道交通結構安全保護技術規范》［10］關于隧道豎向位移預警值(10 mm)的規定。隨著隔水帷幕深度增加，降低了基坑降水施工對隧道周圍土體及孔隙水壓力的影響，有效地控制了隧道及其周圍土體的沉降變形。隧道距離基坑越近，基坑降水引起隧道周圍水位降低越多，導致土體中主應力增加越多，固結變形越嚴重，從而引起隧道的變形就越大。然而增加隔水帷幕長度會明顯隔斷基坑降水對隧道的影響。故增加隔水帷幕長度能更好地控制地鐵隧道的變形。

3.3 隔水帷幕深度對隧道受力影響

3.3.1 地鐵隧道管片環最大主應力

圖9為不同隔水帷幕深度隧道最大主應力云圖。

圖9 不同隔水帷幕深度隧道最大主應力云圖Fig.9 Contour of maximum principal stress of tunnel under different water-insulating curtain depths

盾構隧道管片與管片之間的環向接縫和縱向接縫處都由螺栓連接，為盾構管片受力的薄弱區域。特別是管片環之間的平面，全部采用螺栓連接，管片受力時易發生應力集中現象。在2種不同的計算工況中，增長基坑隔水帷幕降低了基坑降水對隧道側孔隙水壓力的影響。在工況1情況下，隧道最大主應力位于隧道靠近基坑側，最大值為1.05 MPa(受拉);在工況2情況下，隧道最大主應力位于隧道靠近基坑側，最大值為1.10 MPa(受拉)。由圖9可知，基坑降水引起地鐵隧道管片最大主應力數值較大的位置主要發生在管片接縫附近以及靠近基坑側隧道拱腰位置，故基坑降水對基坑側隧道管片接縫的應力影響較大，與實際情況吻合。

基坑降水時距離基坑越近時地下水位降低越多，工況1隔水帷幕深度相對工況2較淺，基坑降水時對隧道的影響要比工況2大。工況1隔水帷幕較短時引起隧道周圍地下水位下降較大，隧道變形較大，隧道主應力會隨水位降低而減小。故隧道最大主應力最大值在工況1時為1.05 MPa，在工況2時為1.10 MPa，最大應力均位于靠近基坑側隧道管片接縫。

3.3.2 地鐵隧道管片環最小主應力

2種工況下地鐵管片最小主應力見圖10。

圖10 不同隔水帷幕深度隧道最小主應力云圖Fig.10 Contour of minimum principal stress of tunnel under different water-insulating curtain depths

地鐵隧道在基坑降水施工時最小主應力中數值較大區域主要集中在管片接頭附近，最小主應力數值較小，以壓應力為主。工況1時隧道最小主應力主要分布于靠近基坑側的管片接縫處，最大值為－0.97 MPa(受壓);工況2時隧道最小主應力主要分布于靠近基坑側的管片接縫處，最大值為－0.90 MPa(受壓)。隔水帷幕使隧道管片最小主應力增大，基坑降水開挖引起地鐵隧道管片最小主應力數值較大位置位于靠近基坑側的隧道管片B1T和A3T接縫處。這是由于基坑降水時距離基坑越近時地下水位降低越多，雖然降水引起土體總應力減小，但降水后土體有效應力隨之增加，土體發生固結變形作用，導致隧道在基坑側位置變形較大，從而引起工況1主壓應力較工況2大。

4 結論與建議

本文主要通過數值模擬方法，考慮基坑降水時地下水的滲流問題，計算分析了在2種不同的基坑降水深度時盾構隧道及管片環的變形及張開錯動量。主要計算分析結果如下。

1)增加隧道側隔水帷幕深度，能夠降低基坑降水施工對隧道周圍土體及孔隙水壓力的影響，隔水帷幕深度越大時對隧道周圍孔隙水壓力分布影響越小。

2)工況2(隧道側基坑隔水帷幕50.2 m)比工況1(基坑隔水帷幕30.6 m)隔水帷幕長17.6 m，工況1中隧道的最大總位移值為13.7 mm，工況2中隧道的最大總位移值為11.1 mm，比工況1時減小約19.0%。

3)基坑降水時，隧道管片的最大主應力和最小主應力均小于混凝土抗拉、抗壓強度設計值。當隔水帷幕深度較短時，基坑降水對隧道管片主應力影響較大，引起隧道管片主應力減小。增長隔水帷幕能夠減少基坑降水施工對隧道受力影響。

計算中基坑降水模擬時采用一次將基坑內水位降低到基底以下2 m處，然后模擬地下水滲流10 d后水位情況，未詳細模擬實際中一步步降水的過程。同時由于研究條件限制，分析中只對2種工況進行對比分析，未能詳細分析隧道與基坑不同間距、隧道不同埋深、基坑不同開挖深度、不同隔水帷幕深度以及不同土層參數等條件變化時隧道的變形及受力情況。在以后的研究中，應對上述所有工況一一進行分析，得出基坑降水對隧道的影響規律。

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