富水砂層地下水位變化對盾構隧道襯砌結構的影響分析*

2022-02-18 09:10:42曹鵬飛袁宗義陳昭陽邱友根陳祥勝石鈺鋒

城市軌道交通研究 2022年1期

曹鵬飛袁宗義陳昭陽邱友根陳祥勝石鈺鋒,

(1.南昌軌道交通集團有限公司，330038，南昌；2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，510290，廣州；3.華東交通大學軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室，330013，南昌∥第一作者，高級工程師)

0 引言

在富水砂層中，由于地下水位升降速率存在差異，以不同速率升降的地下水對土體產生不同的滲流力，引起盾構隧道襯砌內力變化，對隧道產生不利影響。因此，有必要針對地下水位變化速率對盾構隧道襯砌應力的影響進行分析。

文獻[1]結合數值模擬和現場實測數據分析研究，發現水位變化對隧道上浮值波動幅度影響較大；文獻[2]進行了三維應力-孔隙壓力耦合有限元分析，證實了地下水位下降和過度沉降之間的直接聯系；文獻[3-4]采用復變函數理論，提出了地下水升降影響下盾構隧道開挖引起的周圍地層、襯砌變形和應力計算方法，指出水位下降過程中，隧道上方土體的有效應力顯著增大；文獻[5-6]對高水壓條件下盾構隧道管片力學特征進行分析，得出管片在水壓情況下的破壞規律以及管片內力大小和分布特征；文獻[7]通過理論分析、模型試驗以及現場實測數據分析，得出水下復合式襯砌的水壓特征；文獻[8]針對國內4種典型盾構隧道，分析了不同覆土條件下水位變化對管片內力的影響，指出砂卵石地層中管片彎矩隨水位升高不斷減小；文獻[9]結合隧址區的地形地質及水文條件對施工期作用在盾構主體結構上的水壓力進行了現場跟蹤測試，得出了施工期外水壓力的分布規律；文獻[10]依托新圓梁山隧道工程，采用數值分析方法研究了3種隧道襯砌斷面在全環均勻水壓力下的內力分布特征，發現在不同的襯砌結構形式下，襯砌軸力值和彎矩值與水壓力均呈線性關系，不同襯砌斷面形式下軸應力相差不大；文獻[11-12]針對高水壓盾構隧道進行了數值計算和分析，指出在高水壓作用下襯砌結構的受力和變形都較大，襯砌結構上存在較大的縱向彎矩；文獻[13]通過試驗及數值模擬分析不同降雨強度下隧道結構的受力和變形，發現降雨入滲后隧道結構變形和受力增加明顯,其中,拱頂沉降增幅達到46%,隧道初期支護應力增加20%～27%；文獻[14]采用FLAC 3D軟件和Cam-Clay模型分析不同潛水水位或受限承壓水位下的地面沉降和隧道襯砌內力，在潛水水條件下，考慮滲流的最大沉降值比不考慮滲流的沉降值高50%；文獻[15]采用數值法對曼谷地鐵延長線穿湄南河隧道在不同的排水狀態下圍巖的孔隙水壓力以及隧道襯砌內力的分布規律進行了分析；文獻[16]對礦井支護的靜水壓力進行了研究；文獻[17]通過對首爾地鐵5號線水下隧道工程研究，得出滲流力對襯砌的影響。

上述研究，針對盾構隧道在不同水壓狀況及地下水位變化的條件下，對隧道管片的內力及沉降進行了研究及分析。但大多未體現地下水位不同升降速率對隧道襯砌內力的影響。本文依托南昌市某既有地鐵隧道工程，采用數值模擬手段，并根據南昌地區水位升降規律，擬定若干工況，分析地下水升降速率對盾構隧道襯砌內力的影響情況。

1 工程概況

1.1 隧道襯砌結構參數及周邊環境

南昌某地鐵區間隧道位于砂土層，其特點是含砂量大且非砂和小卵石含量小于10%，鄰近贛江和碟子湖，故地下水豐富。隧道外徑為6.2 m，襯砌采用C50鋼筋混凝土，厚度為30 cm；環寬1.2 m，隧道埋深為15.4～21.4 m。其地層剖面圖如圖1所示。

圖1 南昌某地鐵隧道地層剖面圖

1.2 水文條件

該工程位于南昌市東北部，距離贛江約1 500 m，距離碟子湖約2 700 m。贛江汛期一般為4～6月份，受長江水位影響，水位漲落歷時長，升降速率較小，水位升降幅度達3～13 m。8月以后，水位開始緩慢消退；10月至次年3月為枯水期，碟子湖為贛江及瀛上河的調洪湖泊，汛期調洪時水位升降幅度達 2～14 m，速率最高可達1.8 m/d。該地區砂層滲透系數為 75～120 m/d。

2 滲流分析

2.1 模型建立

由于該地區雨水充足，地下水流動速率較大，地鐵隧道常年受地下水影響，因此有必要對既有運營隧道受不同升降速率的地下水影響的特征進行分析。

采用Plaxis軟件建立有限元模型，對隧道某一截面進行流固耦合分析。因地下水實際分布平緩，為較準確地模擬地下水滲流和消除模型尺寸效應，故假定所有工況下模型中的地下水按所設水位由左向右流動。取模型尺寸X方向為隧道直徑的15倍(即92 m)，Y方向為隧道直徑的8倍(即50 m)，隧道外徑為6.2 m，襯砌厚度為0.3 m。土層從上往下依次為素填土、粉質黏土、細砂、中砂、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖，共6層。隧道周邊土體及襯砌采用網格加密處理，模型底部及側面約束位移，如圖2所示。在各工況中，對地下水滲流邊界1、2區設置相應滲流邊界條件。模型的地下水位標高鄰近碟子湖為-5 m，鄰近贛江水位標高為-15 m，盾構隧道始終處于地下水位以下。

2.2 工況擬定

碟子湖水位升降幅度達2～14 m，速率最高可達1.8 m/d，且砂層滲透系數較大，由此建立的工況如表1所示。

表1工況中上升10 m是指模型左側地下水位由-15 m上升至-5 m，下降10 m是指模型左側地下水位由-5 m下降至-15 m。當地下水上升時，滲流邊界1區為流入邊界，滲流邊界2區為流出邊界；地下水下降時，滲流邊界1區為不透水邊界，滲流邊界2區為流出邊界。滲流邊界1、2區如圖2所示。

圖2 南昌某地鐵隧道有限元模型圖

表1 計算工況

因該隧道為既有運營隧道，故建模時先對隧道土體進行開挖及施作襯砌，待周邊土體進行應力重分布、變形和地下水平衡后，對模型進行位移清零。繼而分別對各工況進行計算分析。

2.3 本構模型及參數選取

計算模型的各土層采用HS-small材料模型，隧道襯砌采用實體單元模擬，各土層及隧道襯砌參數取值如表2所示。

表2 土體參數

2.4 測點布設圖

為方便后期分析襯砌受力情況，將襯砌網格劃分為6層，并選取拱頂、右拱肩、左拱腳和左拱肩4個位置進行分析，標號分別為a、b、c、d，如圖3所示。

圖3 隧道襯砌實體單元細部圖

3 模型正確性驗證

分別選取某斷面9～10月份(歷時28 d，水位下降9.6 m)和5月1日至5月16日(汛期調洪階段，歷時16 d，水位上升10.5 m。)，共44 d的隧道襯砌在地下水影響下拱頂的沉降、水平位移和隧道水平腰線收斂監測數據，與有限元模擬地下水下降速率為0.33 m/d和上升速率為0.67 m/d時的結果進行對比，以驗證模型的正確性。

圖4為地下水下降速率為0.33 m/d時，拱頂a點處沉降監測值與數值模擬值曲線圖。如圖4 a)所示，拱頂沉降最大計算值為1.42 mm,監測值約為1.45 mm；如圖4 b)所示，拱頂最大水平位移的計算值為0.43 mm,監測值約為0.38 mm；如如圖4 c)所示，隧道水平腰線最大收斂值的計算值為0.94 mm，監測值約為0.92 mm。其他計算值相對監測值都有一定的增減幅度。

圖4 水位下降速率為0.33 m/d時拱頂監測值與計算值對比曲線圖

圖5為地下水上升速率為0.67 m/d時，拱頂a點處沉降監測值與數值模擬值曲線圖。如圖5 a)所示，拱頂沉降最大值的計算值為1.56 mm，監測值約為1.58 mm；如圖5 b)所示，拱頂最大水平位移的計算值為0.72 mm，監測值約為0.79 mm；如圖5 c)所示，隧道水平腰線最大收斂值的計算值為1.21 mm，監測值約為1.15 mm。其他計算值相對監測值同樣都有一定的增減幅度。

圖5 水位上升速率為0.67 m/d時拱頂監測值與計算值對比曲線圖

但考慮到監測的可允許誤差，拱頂的沉降監測值及水平位移值與模型計算值總體吻合，且變化趨勢一致，表明該數值模擬基本合理。

4 計算結果分析

4.1 襯砌軸力和彎矩分析

圖6～7分別為高、低水位情況下，隧道襯砌的彎矩和軸力分布圖。由圖6～7可知，地下水位在不同位置時，襯砌最大彎矩及其軸力均位于拱腰，且襯砌左側彎矩及其軸力相對較大，其值分別為-120.5 kN·m、-116.2 kN·m、732.6 kN、710.4 kN、-145.3 kN·m、-134.8 kN·m、656.1 kN、652.3 kN。高水位時，襯砌的軸力相比低水位時較大，但彎矩較小。