地下水水位對地鐵隧道的影響

劉文洲

（江西省建洪水利咨詢有限公司，南昌 341000）

1 概述

當前中國的城市地鐵已然成為軌道交通的新紀元，地鐵擁有方便、快捷、穩定等優點，在城市的交通運輸中，起到了非常重要的作用，“換乘時代”已走進人們的生活，并成為必不可少的交通工具。然而在地鐵隧道的開挖建設工程中，常常會遇到很多的工程問題，其中地下水水位對隧道的開挖是重大影響之一，因地下水而導致地表沉降，道路坍塌等問題屢見不鮮，國內外諸多學者對此也進行了大量的研究，其中Baum[1]分析美國超過80%的地表沉降是由于地下水被過量開采而導致的，李善峰等人[2]，對華北平原地區的通過研究發現，華北地區應地下水的超采，導致該區域地表沉降增大，Hu[3]等人研究發現，天津地區最大沉降量達到3.1m。Gambolati[4]對單場條件下的地面沉降計算采用線性邊界元方法進行計算分析，崔亞麗等[5]運用Modflow 有限元軟件，對北京市地區的地下水與地面沉降禍合進行數值模擬，駱祖江等[6]對上海地區某深基坑的降水地面沉降進行了三維數值模擬，并且還進一步對江蘇沿江地下水開采、地面沉降通過建筑三維模型進行數值模擬分析。然而，從目前的研究成果來看，現有研究依然還存在些許不足，雖對地下水的降落而誘發地表沉降有了較多的研究，但對不同水位變動下對隧道的影響研究較小，對采用有限元軟件對雙向隧道的研究也有待進一步研究。

為此，為進一步分析地下水誘發地表沉降及地下水水位變化情況，文章利用FLAC3D 有限元軟件建立雙線隧道模型，對地下水水位的變動對地鐵隧道的開挖影響進行研究分析。

2 地下水誘發地表沉降機理

對于地下工程來說，地下水是影響地下工程安全的主要因素，如今大規模地鐵隧道、高鐵、輸送管線等的建設，在建造的過程中都大量的抽取地下水，加上上部建筑群的影響，使地下水水位及沉降漏斗形態不斷的進行演化，因工程性的降水，使圖中的有效應力增大，導致水的滲透力增加，土中顆粒不斷被沖出，使土體向負壓力的方向移動，從而導致地表沉降。有些學者對地表沉降的成因提出具體的計算模型，并對其進行分析，地表沉降計算模型對比分析表，見表1 所示。在上表中的土水模型中，包括了滲流場模型(水流、水動力場)、滲流與應力場禍合模型(水土禍合)、應力場模型(土體變形)三種，其中滲流場模型又包括了二維流、準三維流及三維流三種模型；水土禍合模型又包括兩步計算模型、部分耦合和完全耦合三種計算模型；而土體變形模型又包括非線彈性模型、比奧固結模型、流變固結模型、黏彈塑性模型、回歸模型及半理論、彈塑性固結模型、半經驗模型等。而對于生命旋回模型而言，主要是包括隨機介質模型、神經網絡模型及灰色模型等。學者們通過模型對地表沉降進行詳細分分析，為后者提供相關的技術及理論支撐。

表1 地表沉降計算模型對比分析表

許燁霜等人[7]通過上述模型分析得出，地下構筑物對地下水及地面沉降的影響程度主要是與構筑物在含水層中的埋置深度及構筑物在含水層的擋水寬度有關，當地下構筑物的埋深越深，在抽水側的水位降深和沉降量都將越大，而當構筑物對地下水流的阻擋寬度越大，地表的沉降也將受到更大的影響。

3 地下水位的變化模型

對于地下水的水位變化模式其實同樣是與土體的變形有關，其中主要的模型包括五種類型，水位變化模型圖，見圖1。

圖1 水位變化模型圖

從圖1 中可知，（a）圖中的水位幾乎等幅波動，水位變化圖（a）左與土層變形曲線（a）右其水位保持在一定的范圍內，并且其平均值保持不變，主要是由于土層在反復荷載的作用下，土層的有效應力也隨之反復變化，并且這種變化相對較為緩慢，所以不會引起大的變形。

（b）圖左中的水位在循環反復中總體上持續的下降，并且最低處低于該土層的歷史上的最低水位，當水位上升時，土層僅有小量值的回彈，甚至沒有。圖（c）左與土層變形曲線（c）右其平均值幾乎保持不變，水位有從較高值變化到較低值的趨勢，但總體上保持在小范圍內波動。圖（d）中水位在循環中總體呈現下降的形式，但依舊高于該土層在歷史上到達過的最低水位。圖（e）中水位逐步的恢復，呈現上升的趨勢，在采取禁止超采地下水及對土層進行回灌漿之后就將出現此種性狀，因此為力不讓地表產生沉降，因嚴禁對地下水進行大量抽水，必要時可采取回灌的措施。通過分析發現五種模型中，當地下水水位變化處于（b）圖時，最為危險。

4 有限元軟件模擬

隨著計算機計算的發展，有限元軟件得到很大的開發，并且采用有限元軟件對各種工程模型進行模擬的結果也得到大家的認可，文章采用FLAC3D 軟件對雙線地鐵隧道在水位變化的情況下進行模擬。

4.1 建立雙線地鐵隧道模型

4.1.1 模型假定

1）隧道區間內徑直徑為5.5m，外徑為6.2m，采用三維八節點的實體單元來進行模擬。

2）隧道與土體及隧道之間的連接采用剛性連接，不設置接觸面。

3）模型中地應力的平衡階段采用摩爾庫倫模型，其余的采用彈性模型進行計算。

4）土體的滲透參數系數設置為各向同性

5）土層均設置為均勻的分層。

6）模型中考慮流固禍合作用，土層全部設置為飽和土。

7）各個參數的設置，見表2。

表2 模型參數設置表

4.2 模擬計算結果

基于上述模型，對雙線地鐵隧道在水位變化的情況下進行模擬，本次模型一共在五種工況下進行分別對應與五種模式，其土體的變形結果，隧道縱向的土體豎向位移圖，見圖2。

圖2 隧道縱向的土體豎向位移圖

圖2 表示沿著隧道縱向的土體豎向位移的等值線圖，從圖中可以發現，土體的變形基本上呈現出“鍋底”型，工況1 的土體最大的變形-0.02%D（D 值為隧道的半徑，“-”表示沉降）；工況2 的土體最大的變形-0.21%D；工況3 的土體最大的變形0.04%D；工況4 的土體最大的變形-0.06%D；工況5 的土體最大的變形0.197%D，并且發現在工況1下的土體變形未呈現對稱分布，其主要是由于水位的變動較小且近等幅變動的原因，此外發現土體的最大變形處未出現在地面與隧道的位置處，而處于它們之間，對此還行進一步進行研究，探究其原因。

5 結論

文章基于前人的研究成果，通過分析地下水誘發地表沉降及地下水水位變化情況，利用有限元軟件FLAC3D 建立雙線隧道模型，對地下水水位的變動對地鐵隧道的開挖影響進行研究分析，研究表明：縱剖面上的土體豎向變形基本呈“鍋底”型，并且發現對地下水不可超采，若需要保護地表沉降，可采取對土層回灌技術。另外文章對在地下水位變化下僅對土體的豎向方向土體變形進行研究，相關的研究還有待進一步推進，限于筆者能力有限，不足之處還望同行提出批準，對于地鐵隧道工程的研究也有待繼續。