地下水位回升對地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

魏 月

（山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250000）

隨著城市建設的不斷擴大，城市地面可利用空間逐年減少，導致地下空間開發(fā)利用越來越多[1]。近年來，地下工程建設快速發(fā)展，工程規(guī)模越來越大，地下結構越來越復雜，對地下水的控制也越來越嚴格，由地下水帶來的安全問題越來越多[2]。因此，地下水對城市地鐵隧道建設的影響受到不少學者的重視，包括地下水對隧道施工的安全、后期運營的影響，總結出了不少應用型成果[3]。隨著地下工程建設的增多，以及近年來我國對地下水資源的保護，地下水位有回升趨勢，但其對地下結構的影響，幾乎很少有人關注，對這方面的研究不足，導致很多由于地下水位回升引起的災害無從下手[4]。國際上已經有學者開始重視對水位回升影響地下結構的研究，英、美、法、日等國家均出現(xiàn)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、倫敦市附近地下水位年上升量約1.5m、泰晤士河岸砂巖地基上的建筑物地下室充水現(xiàn)象十分普遍等[5]。文章基于對已有地鐵隧道地下水位回升監(jiān)測數據，借助有限元數值分析方法，研究了水位回升過程隧道圍巖應力應變變化，以確保隧道圍巖的安全、穩(wěn)定。

1 工程背景

以上海地鐵某線為工程研究背景，擬建地鐵隧道埋深在14.0～21.0m，區(qū)間隧道地層主要為黏性土；開挖施工期間，地下水位較高，一般水位在0.5～1.5m，隧道底板下存在承壓水，承壓水頭在5.0～18.0m，施工期間采取了有效降水措施。隧道直徑6.0m，擬研究區(qū)間段拱頂埋深約15.0m，地下水初始水位在隧道底板以下3.0m，隧道主軸線主要穿越淤泥質粉質黏土及灰色黏性土。場地內巖土層概況主要為雜填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土、黏土、粉質黏土及粉細砂，黏性土趨于軟塑，其自穩(wěn)性質較差，力學性質相對不良。

2 建立有限元模型

以該地鐵隧道線路實際地質性質作為模型的原型，同時考慮隧道圍巖邊界效應及條件考慮，開挖掘進方向進尺取2.0m，采用ANSYS有限元分析計算軟件，建立二維有限元模型，如圖1所示[6]。

圖1 有限元計算模型圖

根據實際計算原則，對擬建隧道圍巖力學參數進行適當調整，使其更加接近實際情況[7]。有限元計算本構模型采用摩爾庫倫等效應力圓準則，相應原理如下[8]：

式中：σ1為主應力；σ2、σ3為次應力；ψ為內摩擦角；τ為剪切應力。

地鐵隧道襯砌采用線性單元，采用ANSYS單元生死技術模擬隧道開挖，左右線交疊臺階式開挖，每一步開挖完后緊接著做初次支護，二次襯砌作為安全儲備，本文不做研究。各巖土參數如表1所示。

根據預先設定好的地下水位回升情況，模擬實際地下水回升情況，在有限元數值模型中設置地下水位回升條件，分別以3.0m、6.0m、9.0m三種水位工況下隧道圍巖應力應變情況進行計算。

3 數值計算結果分析

根據上述設計的水位工況，模擬計算水位回升過程及結束時隧道圍巖安全穩(wěn)定性，分別從應力、應變兩方面進行分析，研究其變化規(guī)律，進而分析水位回升對隧道圍巖結構和周邊環(huán)境的影響。

3.1 豎向位移變化規(guī)律

隧道圍巖在不同水位工況情況下，對應的隧道豎向位移變化規(guī)律曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著地下水位的提升，隧道圍巖與地表總體有向地上產生位移的趨勢，且地表產生的位移量最大，拱頂圍巖位移量大于拱底圍巖位移量，可以看出地下水的變化對隧道圍巖隨著標高的提升，影響逐漸變大。分析原因可知，地下水位回升，對隧道底板產生浮力作用，隧道整體上浮，地表產生回彈變形。

表1 下穿土層物力力學參數表

圖2 地下水位標高與隧道豎向位移關系曲線圖

地下水位回升對隧道側壁的變形影響如圖3所示。當地下水位從初始水位回升至隧道底板時，此時地下水位并未對隧道產生上浮力作用，但隧道底板以下持力層孔隙水壓力增加，促使土層發(fā)生回彈變形，所以隧道和地下土層均會產生向上的位移的趨勢，隧道結構自身變形較小，隧道頂板、底板及地表初始豎向變形基本形同。

圖3 地下水位標高與隧道側壁水平位移關系曲線

隨著地下水位的持續(xù)上升，直至上升到隧道圍巖頂部時，地下水對隧道結構整體產生上浮作用，土層孔隙水壓力增加，進而使土層產生更大的變形，隧道首先表現(xiàn)的是整體上升。從圖2、圖3中可以看出，隧道整體上浮量達到0.7cm，因為隧道拱頂、拱底孔隙水壓力不同水壓不同，所以隧道拱頂、拱底位移量不同。隨著地下水的升高，隧道圍巖側壁壓力增加，隧道自身產生一定的變形，導致地層也會發(fā)生相應的重新組合變形。當地下水位回升到地表位置時，隧道頂板的豎向位移約2.2cm，隧道底板的位移為2.0cm。

3.2 隧道圍巖水平向位移

地下水位回升的三種工況對應的隧道圍巖水平向的位移與水位變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，當地下水位位于隧道拱腰以下時，水平位移幾乎不會產生；當地下水位升至拱腰以上時，隨著水位的持續(xù)回升，位移持續(xù)增加，最大水平位移約0.9cm，隧道圍巖側壁整體位移不大，對隧道的穩(wěn)定性影響不大[9]。

3.3 隧道圍巖結構內力變化規(guī)律

隧道圍巖所處的地下環(huán)境發(fā)生變化，其應力應變場必然發(fā)生相應的變化。根據上文建立的數值計算模型，計算地下水位上升過程中隧道圍巖結構應力、應變場，得出了隧道圍巖結構應力變化規(guī)律。

隨著隧道圍巖周邊地下水位的回升，隧道側壁部分應力逐漸增加，其負彎矩相應增加，拱頂、拱底正彎矩增大，受力變化最大點位于隧道拱腰部位；隨著地下水位的繼續(xù)回升，土體有效應力減小，孔隙水壓力增加，隧道側壁負彎矩及拱底、拱頂正彎矩逐漸減小。雖然最大彎矩減少了，但隧道圍巖結構可能發(fā)生負彎矩的轉換，將與設計彎矩產生反向逆差，對結構的安全穩(wěn)定性不利。

4 結束語

文章以上海地區(qū)某線地鐵隧道建設為工程背景，借助有限元數值計算方法，模擬計算了地下水位回升過程中隧道結構的變化，并從隧道結構應力、應變兩方面分析了其對地鐵隧道安全穩(wěn)定性的影響，揭示了地下水位回升與隧道圍巖結構應力、應變的變化規(guī)律及關系。通過研究表明，地下水位回升到一定高度后，隨著水壓力的增加，其對地鐵隧道圍巖結構的安全穩(wěn)定性會產生不利影響，應引起重視。