淺析盾構(gòu)隧道滲流對軟土地層及隧道沉降的影響

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摘要：本文通過研究不同條件下孔隙水壓分布規(guī)律以及隧道長期沉降作用機(jī)制最終發(fā)現(xiàn)，隧道與地層沉降的發(fā)生，很大程度上會受到土體與襯砌相對參透系數(shù)的影響。不同相對滲透系數(shù)會引起不同的滲流量，而這些均會對隧道周圍孔壓分布與沉降形成產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。地表與隧道沉降與滲流量呈正相關(guān)性，有鑒于此，在盾構(gòu)隧道運(yùn)營過程中，全面落實(shí)隧道滲漏水檢測，及時(shí)查漏補(bǔ)缺至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；滲流；隧道沉降

滲漏水是軟土盾構(gòu)隧道常見病害，會引起沉降。受到隧道滲流的影響，地層周圍土體孔壓不斷降低，有效應(yīng)力逐漸升高，最終引起土體與隧道沉降的發(fā)生。隧道周圍孔隙水壓力分布對隧道與地層沉降有著重要聯(lián)系，近年來，有研究人員發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌在防水方面發(fā)揮著重要作用，而在過去，多數(shù)研究人員在對該課題進(jìn)行研究時(shí)，往往忽略了隧道襯砌作用，因此所得結(jié)果缺乏科學(xué)性。本文就軟土盾構(gòu)隧道滲流引起的地層和隧道沉降進(jìn)行研究，對隧道滲流對地表與隧道沉降的影響規(guī)律進(jìn)行探討，希望能夠給業(yè)內(nèi)同行帶來一些啟發(fā)。

一、軟土盾構(gòu)隧道滲流的方式與滲流處理

（一）隧道滲流的形式

從軟土盾構(gòu)隧道整體格局來看，當(dāng)隧道直徑明顯小于隧道埋深時(shí)，隧道周圍滲流場所承受的水位邊界作用就越小，此時(shí)的滲流路徑為軸對稱形式。當(dāng)盾構(gòu)隧道埋深比較淺時(shí)，隧道周圍滲流路徑就會收到較大的水位線影響，此時(shí)，如果隧道周圍土體以及襯砌滲透系數(shù)比較大，同時(shí)隧道周圍地下水無法充分補(bǔ)給，則土體水中的水位會隨著滲流的發(fā)生不斷降低。如倘若隧道周圍土體與襯砌滲透系數(shù)比較小，同時(shí)隧道所處地理位置存在豐富地下水，則地下水位基本不受滲流影響，始終處于不變狀態(tài)。也就是說，針對地下水十分豐富的地區(qū)，在排除其他影響因素的前提下，可假設(shè)水位線不會受到隧道滲流的影響。

（二）隧道滲流的等效處理

隧道管片結(jié)合處以及手孔等部位，均為軟土盾構(gòu)隧道常見滲透部位。隧道襯砌的局部滲透性，可通過有限滲透性的定義進(jìn)行詮釋。有限滲透特性在盾構(gòu)隧道滲流分析中有著重要作用，舉例來說，在工程實(shí)踐過程中，人們無法直接獲得盾構(gòu)隧道襯砌的等效滲透系數(shù)，而是需要同測量滲透量或孔壓進(jìn)行計(jì)算。滲流速度與襯砌滲透系數(shù)關(guān)系式可表達(dá)為：

q1=k1（p2-p1）/[γwr2In（r2/r1）]（1）

其中，q1表示襯砌單位時(shí)間的滲流量；p2與p2分別表示襯砌內(nèi)、外的孔隙壓力；r1和r2分別表示襯砌內(nèi)、外半徑；k2則代表的是襯砌滲透系數(shù)；yw代表水的容重。

（三）襯砌等效滲透系數(shù)變化的誘因

盾構(gòu)隧道襯砌的等效滲透系數(shù)并不是始終不變的，受到施工質(zhì)量、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)變形等多方面因素的影響，隧道不同區(qū)間內(nèi)，襯砌等效滲透系數(shù)會發(fā)生明顯改變。此外，隨著隧道運(yùn)營時(shí)間的延長、季節(jié)變化、人為因素的影響，同一區(qū)間內(nèi)的等效滲透系數(shù)同樣會發(fā)生系列改變，進(jìn)而出現(xiàn)明顯差異。

二、滲流引起的地層與隧道沉降

按照有效應(yīng)力的相關(guān)理論，假設(shè)土體變形為彈性變形，同時(shí)土體均值各向同性，針對平面應(yīng)變問題，經(jīng)廣義胡克定律可得出以下公式：

εx=（1+v）[（1-v）σ1x-vσ1y]/E

εy=（1+v）[-vσ1x+（1-v）σ1y]/E

公式中，v表示泊松比；E表示土體彈性模量；σ1x、σ1y分別代表土體水平與豎直方向的有效應(yīng)力。σ1x=K0σ1y，其中K0表示靜止側(cè)壓力系數(shù)，經(jīng)上述公式可得：

εy=（1-v-vK0）（1+v）·（σ1x+σ1y）/[（1+K0）E]

由上述公式可知，在滲流的影響下，有效應(yīng)力產(chǎn)生變化，最終引起土體沉降的發(fā)生。由此可知，土體任一點(diǎn)的豎向應(yīng)變：

εh=

假設(shè)外荷載為定值，土體任一點(diǎn)總應(yīng)力不會受到滲流固結(jié)的影響，則σ=σ1+p為恒定值。其中σ1為有效應(yīng)力，p表示孔隙水壓。隧道經(jīng)長期滲流穩(wěn)定后，有效應(yīng)力的增加量將與孔隙水壓力減小量一致，即△σ1=-△p。

對土體任意位置，由滲流引起的孔壓變化量則為：

△p=ps（x，y）-p0（x，y）

公式中，ps表示該點(diǎn)靜水壓力；ps=-γwy。當(dāng)固結(jié)滲流中K0始終處于恒定狀態(tài)，H=0時(shí)，則：

εh=-

從而得知地表沉降為：

S=

其中，hy表示地表沉降的影響深度。

當(dāng)x=0，即可計(jì)算出地表最大沉降量；若取x=0，同時(shí)從隧道底部坐標(biāo)開始積分，則可獲得近似隧道的沉降量。

三、滲流量對孔壓與沉降的影響

（一）工程案例

某地鐵線路區(qū)間盾構(gòu)隧道中心深埋h=16m，隧道外徑為7.3m，內(nèi)徑為6.6m，管片厚度為0.35m。隧道滲流計(jì)算采用上述公式，且假設(shè)H=0。為降低計(jì)算難度，取土的加權(quán)平均彈性模量為6.8MPa，泊松比為0.3，隧道周圍土體滲透系數(shù)為3x10-9m·s-1。

（二）滲流量的計(jì)算

結(jié)合《地下工程防水技術(shù)規(guī)程》，該隧道防水等級達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)，隧道容許滲水量為0.2L·m-2·d-1。不過，由于實(shí)際地鐵隧道滲水容易受到多方面因素的影響而產(chǎn)生變化，故本文將隧道滲流量q分別設(shè)為0.01、0.05、0.10以及0.15L·m-2·d-1并進(jìn)行計(jì)算，分析隧道周圍的孔壓與地表沉降規(guī)律。根據(jù)上述公式，可計(jì)算出不同滲流量對應(yīng)的隧道等效滲透系數(shù)與土體和隧道相對滲透系數(shù)詳情如表1所示。

表1.計(jì)算工況

工況滲流量（L·m-2·d-1）土體滲透系數(shù)（10-9m·s-1）襯砌等效滲透系數(shù)（10-11m·s-1）相對滲透系數(shù)（ks/k1）

10.013.002.931139

20.053.001.68192

30.103.003.6187

50.153.005.9052

由表1可知，相對滲透系數(shù)對隧道滲流量有著顯著影響。

（一）孔壓分布規(guī)律與分析

由表1不難發(fā)現(xiàn)，不同滲流量，襯砌等效滲透系數(shù)相差較大時(shí)，土體與襯砌相對滲透系數(shù)也會隨之增加。通過孔壓解析式計(jì)算可知，土體和襯砌的相對滲透系數(shù)是導(dǎo)致hR發(fā)生變化的重要影響因素，土體孔壓分布，主要取決于hR。由此得知，土體和襯砌的相對滲透系數(shù)越低，隧道滲透流量越大，對隧道周圍孔壓的影響就會越大。

（二）滲流引起的沉降與分析

滲流量對隧道沉降有著顯著影響，地表沉降量、隧道沉降量與滲流量呈正相關(guān)性。經(jīng)公示可計(jì)算出隧道沉降，經(jīng)對比得知，隨著滲流量的改變，隧道沉降S和地表沉降S1的比值完全一致，均為0.85。考慮到地表沉降與隧道沉降計(jì)算的差異主要體現(xiàn)在積分區(qū)間的差異性，則表示S/S1比值僅和h與R有關(guān)。有鑒于此，因滲透引起的隧道沉降與地表沉降比值主要取決于隧道埋深與直徑，不會受到土體其他物理力學(xué)特征的影響。

結(jié)束語

綜上所述，土體和襯砌的相對滲透系數(shù)對隧道周圍孔隙水壓力分布、地層與隧道沉降有著重要影響。隨著滲流量的升高，隧道周圍孔隙水壓力越低，地層與隧道沉降越嚴(yán)重。地表和隧道沉降很大程度上取決于滲流量，滲流量的升高會嚴(yán)重影響到隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與使用安全性。

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