漆泰岳,譚代明,高 波

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

富水軟土地層地鐵隧道開挖地層固結(jié)沉降數(shù)值模擬

漆泰岳,譚代明,高 波

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

為了對(duì)富水軟土地層地鐵隧道開挖引起的地層固結(jié)進(jìn)行定量研究,考慮流固耦合效應(yīng)和施工力學(xué)效應(yīng)的綜合作用,應(yīng)用FLAC3D對(duì)降水、動(dòng)態(tài)降水和非降水3種工法進(jìn)行數(shù)值模擬的對(duì)比研究,分別得到了地表沉降和地層固結(jié)沉降曲面。研究結(jié)果表明,3種工法引起的地表沉降量分別為:非降水法29mm、動(dòng)態(tài)降水法60mm和降水法116mm,它們的比值大致為1∶2∶4,地層固結(jié)沉降量占各自的整個(gè)地表沉降量的比率分別為:非降水法27%;動(dòng)態(tài)降水法50%;降水法79%。顯然,非降水法是在富水軟土地層地鐵隧道施工中控制地層固結(jié)沉降最有效的方法。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較,兩者十分接近。研究成果已成功地應(yīng)用于深圳地鐵工程中。

地鐵隧道;地表沉降;地層損失;地層固結(jié)沉降;流固耦合

1 引言

地鐵隧道開挖必然會(huì)引起地表沉降,地表沉降主要由地層損失沉降和地層固結(jié)沉降兩部分組成。在富水軟土地層中,地鐵隧道開挖會(huì)引起地下水流失,破壞原有的水土壓力平衡,引起地層重新固結(jié),使地層發(fā)生整體沉降。研究表明:在富水軟土地層中,隧道開挖引起的地層固結(jié)沉降占整個(gè)地表沉降的比重較大,地層固結(jié)沉降是一個(gè)不容忽視的問題[1,2]。

流固耦合問題一直是學(xué)術(shù)界和巖土工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問題[4-10],針對(duì)在富水軟土地層中地鐵隧道施工引起的地表沉降問題,同時(shí)要考慮流固耦合效應(yīng)和施工力學(xué)效應(yīng)的綜合作用[2,7,8,11],才能獲得比較符合實(shí)際的數(shù)值分析結(jié)論。本文應(yīng)用FLAC3D對(duì)降水、動(dòng)態(tài)降水和非降水3種工法引起的地表沉降進(jìn)行對(duì)比研究,分別得到了3種工法的地表沉降和地層固結(jié)沉降曲面和曲線,并且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)而提出非降水法是控制富水軟土地層地表沉降最有效的方法。

所謂降水法就是在隧道未開挖之前,首先在隧道兩側(cè)布置降水井開始抽水,將地下水水位下降到隧道底板標(biāo)高以下,在隧道掌子面形成“無(wú)水”施工環(huán)境,以使掌子面揭露出的地層穩(wěn)定,改善工作環(huán)境,確保施工安全。

動(dòng)態(tài)降水法就是在隧道掌子面進(jìn)行超前預(yù)加固的同時(shí),在隧道掌子面處進(jìn)行局部降水,在隧道掌子面局部形成“無(wú)水”施工環(huán)境,隨著掌子面推進(jìn)降水點(diǎn)也隨之移動(dòng),使地下水位只在掌子面處有所下降,隨后地下水水位又迅速恢復(fù)到原來(lái)的位置,以減小由于降水引起的地表沉降和對(duì)地層的擾動(dòng)。

非降水法就是在開挖隧道之前,采用水平旋噴樁對(duì)隧道掌子面前方和周邊進(jìn)行加固(圖1),形成隔水帷幕圈,再開挖隧道。非降水法所形成的超前加固圈既阻止了地下水從隧道掌子面新揭露的地層向隧道內(nèi)的滲漏,又對(duì)掌子面前方和周邊地層進(jìn)行了改性加固,提高了隧道掌子面和周邊地層的力學(xué)和抗?jié)B指標(biāo)。

圖1 水平旋噴樁布置圖Fig.1 The drawing of horizontal rotary-sprayed piles

2 數(shù)值模型

2.1 工程地質(zhì)和水文條件

本文以深圳大劇院～科技館區(qū)間隧道工程為例,研究富水地層地鐵隧道開挖引起的地表沉降問題。深圳地鐵1號(hào)線的工程地質(zhì)水文條件的特點(diǎn)是:富水軟弱地層、地下水位高(地下水水位在-2m的位置,地表標(biāo)高為0m)、工程地質(zhì)條件差、地表沉降控制要求高、時(shí)有較厚的承壓水砂層侵入隧道。地層柱狀和區(qū)間隧道布置如圖2所示。圖2所示是3m厚的承壓水砂層侵入隧道的地段,也是本工程隧道施工最危險(xiǎn)的地段。

圖2 地層柱狀和隧道布置圖Fig.2 Lay plot of strata and tunnels

2.2 模型參數(shù)

假定地層為應(yīng)變軟化材料,水平旋噴樁加固圈為摩爾-庫(kù)侖材料,如表1所示。地層和水平旋噴樁加固圈的滲流參數(shù)如表2所示。

表1 圍巖和水平旋噴樁加固圈材料力學(xué)參數(shù)[1,17,18]Tab.1 Material properties of strata and horizontal rotary-sprayed piles

表2 地層和水平旋噴樁材料的滲流參數(shù)[1,12-16]Tab.2 Seepage properties of strata and horizontal rotary-sprayed piles

2.3 模型尺寸及規(guī)模

模型尺寸:寬×厚×高=X×Y×Z=100×50× 40m,隧道斷面形狀為馬蹄形,寬6.3m、高6.6m,左、右線隧道間距14.6m,左、右線隧道分別距模型左、右邊界36.4m,隧道拱頂距地表15.2m,隧道底板距模型底板邊界18.2m。水平旋噴樁加固圈厚度2m、預(yù)加固長(zhǎng)度6～16m,降水井距左、右線隧道邊界為5m、間距10m、深26m。模型由45150個(gè)實(shí)體單元組成(圖3(a)),初期支護(hù)采用殼單元模擬,殼單元的參數(shù)如表3所示。左、右線隧道采用短臺(tái)階開挖,臺(tái)階長(zhǎng)度4m(圖3(b))。

圖3 三維數(shù)值模型Fig.3 3D numericalmodel

表3 殼單元(初期支護(hù))力學(xué)參數(shù)[17,18]Tab.3 Properties of shell elements

3 流固耦合數(shù)值模擬原理

FLAC3D為模擬巖土內(nèi)滲流狀態(tài)提供了有效的分析工具,該軟件在應(yīng)用三維快速拉格朗日方法模擬巖土的流固耦合機(jī)理時(shí),將巖土體視作多孔介質(zhì),流體在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)依據(jù)Darcy定律,同時(shí)滿足Biot方程。下面介紹有限差分法進(jìn)行流固耦合計(jì)算時(shí)的幾個(gè)基本方程[19]。

3.1 流體運(yùn)動(dòng)方程

用Darcy定律來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng),對(duì)于均質(zhì)、各向同性的固體和流體,密度是常數(shù)的情況下,運(yùn)動(dòng)方程為:

式中,qi為i方向的流速,m/s;ki為滲流系數(shù), m/(Pa·s);s為孔隙材料的飽和度;p為流體孔隙壓力,Pa;ρf為流體比重,kg/m3;xj為流體的高度差, m;gj為重力加速度,m/s2。

3.2 平衡方程

勢(shì)能平衡方程形式為:

式中,σij為孔隙材料的總應(yīng)力,即飽和土層的總應(yīng)力,Pa;ρ為孔隙材料的比重,ρ=(1-n)ρs+ nsρw,kg/m3,其中ρs、ρf分別為固體材料的干比重和流體的比重;vi為孔隙材料的速度,m/s。

3.3 本構(gòu)方程

固體體積應(yīng)變的改變將引起流體孔隙壓力的變化,反過(guò)來(lái),孔隙壓力的改變也會(huì)導(dǎo)致體積應(yīng)變的變化。

式中,M為B iot模量,N/m2;n為孔隙材料的孔隙率;s為孔隙材料的飽和度;ζ為單位體積孔隙材料的流體體積變化率;α為B iot系數(shù);β為不排水熱量系數(shù),1/℃,用來(lái)考慮流體和滲流介質(zhì)的熱力效應(yīng);ε為孔隙材料的應(yīng)變;T為溫度,℃。

(2)孔隙介質(zhì)本構(gòu)方程的增量形式為:

式中,δij為Kronecker常量(當(dāng)i=j時(shí),取1;否則為0)。

3.4 相容方程

應(yīng)變速率和速度梯度之間的關(guān)系如下:

式中,νi,j為孔隙材料的速度。

3.5 邊界條件

在FALC3D中有4種滲透邊界條件:(1)給定孔隙水壓力;(2)給定邊界上外法線方向的流速分量; (3)透水邊界;(4)不透水邊界。在FLAC3D中默認(rèn)的邊界條件為不透水邊界。

在初始化條件時(shí),根據(jù)實(shí)際的工程條件,對(duì)模型邊界作了以下定義:(1)模型邊界為透水邊界;(2)根據(jù)地下水的水位標(biāo)高,在模型邊界給定三角形梯度分布的孔隙水壓力;(3)在隧道掌子面和沒有施做噴射混凝土層的初期支護(hù)段的邊界面上,給孔隙水壓力賦值為0;(4)在模擬降水施工法和動(dòng)態(tài)降水施工法時(shí),給在降水井降水位置的孔隙水壓力賦值為0;(5)對(duì)模型邊界進(jìn)行位移約束。

4 左、右線隧道超前距離

模擬結(jié)果表明,當(dāng)左、右線隧道齊頭同步掘進(jìn)時(shí)(即超前距為0m時(shí)),左、右線隧道施工應(yīng)力相互疊加,彼此影響最大,是最不利的;當(dāng)右線隧道超前左線隧道16m以上,施工應(yīng)力疊加影響已經(jīng)不是十分明顯。因此,確定右線隧道超前左線隧道16m開挖掘進(jìn)。在實(shí)際工程中采納了此研究成果。

5 地下水位的變化與地表沉降的差異

根據(jù)上節(jié)的研究成果,采取了右線隧道超前左線16m的開挖掘進(jìn)方式,右線上臺(tái)階在y=34m,左線上臺(tái)階在y=18m,臺(tái)階長(zhǎng)度4m。

圖4是降水、動(dòng)態(tài)降水和非降水工法的孔隙水壓力分布圖。圖5和圖6分別是3種工法的地表沉降曲面和地表沉降槽曲線。從圖4～圖6可知:

(1)3種工法孔隙水水壓0MPa位置的差別較大(圖4)。降水法在隧道周邊已將水位降到隧道底板標(biāo)高以下,整體水位下降到-8～-26m;動(dòng)態(tài)降水法在隧道掌子面底板位置孔隙水壓力達(dá)到0MPa,整體水位下降到-6～-8m;非降水法整體水位大致下降到-6m的位置;在3種工法中,降水法使地下水水位下降的幅度最大,非降水法則最小,影響范圍也最小。

(2)3種工法的地表沉降曲面差別較大,發(fā)生最大地表沉降變形量的位置也不盡相同(圖5)。降水法的地表沉降曲面較對(duì)稱,沉降變形也最大,發(fā)生最大地表沉降變形量最大的位置在x=54.4762m, y=14m,此處的沉降量達(dá)到-116.5mm;動(dòng)態(tài)降水法的地表沉降曲面則與其在隧道掌子面局部降水有關(guān),表現(xiàn)出在隧道掌子面處的沉降變形最大,發(fā)生最大地表沉降量的位置在x=40.468m,y=6m,此處的沉降量為-60.625mm,此處恰恰在左線掌子面后方8m的位置,其絕對(duì)值大約是降水法的1/2;非降水法的地表沉降曲面也是較為對(duì)稱的,該工法控制地下水流失的作用十分明顯,地表沉降變形最小,發(fā)生最大沉降量的位置在x=54.766m,y=6m,此處的沉降量為-29mm,大約是降水法的1/3;非降水、動(dòng)態(tài)降水和降水法的地表沉降量的最大值的比值大致為1∶2∶4。

(3)3種工法地表沉降槽形狀相差較大(圖6)。降水法地表沉降槽與經(jīng)典的沉降槽正態(tài)曲線較為吻合,但其它2種工法則與經(jīng)典沉降槽正態(tài)曲線不完全一致,說(shuō)明施工工法可以改變沉降槽的形狀。在y=14m的橫向斷面上(圖6),3種工法的最大絕對(duì)沉降量、最大相對(duì)沉降量和沉降槽寬度分別為:降水法是116mm、76mm和80m;動(dòng)態(tài)降水法是56mm、15mm和70m;非降水法是28mm、11mm和45m。橫向X方向的位移量分別為:降水法±18mm;動(dòng)態(tài)降水法±7mm;非降水法±3mm。在X方向發(fā)生最大水平位移的位置3種工法也不相同,降水法大致在距離左、右線隧道中心線外側(cè)的水平距離為20m處;動(dòng)態(tài)降水法大致距離左線隧道中心線外側(cè)20m處,而距離右線隧道中心線外側(cè)14m處;非降水法大致距離左線隧道中心線外側(cè)20m處,距離右線隧道中心線外側(cè)22m處。在X方向發(fā)生最大水平位移的位置是地表受到拉伸破壞的區(qū)域,而在隧道兩側(cè)拉伸破壞區(qū)域之間的中間區(qū)域是地表受到擠壓破壞的區(qū)域,在拉伸破壞區(qū)域內(nèi)對(duì)地面建筑物和地下構(gòu)筑物(如:管道等)最有可能造成不利影響的區(qū)域。3種工法在Y方向的位移量都變化不大,降水法大致沒有變化,動(dòng)態(tài)降水和非降水法有一定的波動(dòng),但波動(dòng)幅度并不大。

圖4 3種工法孔隙水壓力剖面圖Fig.4 Contour section of pore pressure for the three methods

圖5 3種工法的地表沉降曲面Fig.5 Surfaces of ground surface subsidence for the three methods

圖7和圖8分別為降水法和非降水法時(shí)的實(shí)測(cè)地表沉降歷時(shí)曲線。比較圖6和圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn):

(1)實(shí)際工程中采用降水法的地表沉降量比數(shù)值模擬結(jié)果大得多(圖6與圖7比較)。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn),在實(shí)際工程中,采用降水法時(shí)從降水井排出的地下水和從隧道內(nèi)涌入的地下水都含有大量泥砂,地下水和泥砂的流失引起的地層固結(jié)沉降和地層損失沉降的雙重效應(yīng),使地表沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬結(jié)果。

(2)采用非降水法施工的實(shí)際工程測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合(圖6與圖8比較)。采用非降水法施工后,在實(shí)際工程中地表沉降得到有效地控制,觀察滲漏到隧道內(nèi)的地下水是清澈的,涌水量明顯減小,表明地下水滲漏到隧道內(nèi)的過(guò)程中并沒有攜帶泥砂。因此,采用非降水法后的地表沉降得到了有效控制。

綜上所述,非降水法是富水軟土地層隧道施工時(shí)控制地表沉降最有效的施工方法。早期深圳地鐵1號(hào)線曾經(jīng)采用過(guò)降水法施工,地表沉降達(dá)到-220mm以上,有些地段甚至達(dá)到-450mm(圖7),地處深圳市中心的深南大道地鐵1號(hào)線對(duì)地表沉降有嚴(yán)格要求,沉降量不得大于-30mm,由于地表沉降無(wú)法得到有效地控制,工程被迫停工。經(jīng)上述研究后,在實(shí)際工程中采納了在困難地段采用非降水法施工的技術(shù)方案,取得了成功。

圖6 3種工法地表移動(dòng)和沉降槽曲線(在y=14m處的剖面)Fig.6 Curves of strata movement and ground surface subsidence groove(the section in y=14m)

圖7 降水法實(shí)測(cè)地表沉降歷時(shí)曲線Fig.7 Curves of ground surface subsidence vs.time in field observation for dewateringmethod

圖8 非降水法實(shí)測(cè)地表沉降槽歷時(shí)曲線Fig.8 Subside-groove Curves of ground surface vs.time in field observation for non-dewateringmethod

6 不同工法的地層固結(jié)沉降差異

在模擬地層固結(jié)沉降時(shí),不同的工法都選取了相同的模型參數(shù),但在模擬計(jì)算時(shí),分2種情況模擬分析,第1種情況是不考慮流固耦合效應(yīng)(即只考慮施工力學(xué)效應(yīng)),第2種情況是既考慮流固耦合又考慮施工力學(xué)雙重效應(yīng)的組合作用,將兩種情況的模擬結(jié)果相減,得到不同工法各自的固結(jié)沉降量。

圖9是3種工法的地層固結(jié)沉降曲面。圖10是在y=14m處的橫向斷面的地層固結(jié)沉降曲線。

從圖9和圖10可以看出,3種工法的固結(jié)沉降曲面與地表沉降曲面的形狀大致相似,固結(jié)沉降量與地表沉降量的差別不盡相同。3種工法的最大固結(jié)沉降分別為:非降水8mm、動(dòng)態(tài)降水30mm和降水92mm,各自占對(duì)應(yīng)的地表沉降的比率大致為:非降水27%、動(dòng)態(tài)降水50%和降水79%。不同工法控制地下水流失和對(duì)地層擾動(dòng)程度是完全不同的,地下水流失越多和對(duì)地層的擾動(dòng)越大,地層固結(jié)沉降量也越大,否則,反之。非降水法的固結(jié)沉降量占整個(gè)地表沉降量的比率最小,控制地下水流失的效果最好,對(duì)地層的擾動(dòng)也最小。

圖9 3種工法地層固結(jié)沉降曲面Fig.9 Subside-groove surfaces of strata consolidation in the three methods

圖10 地層固結(jié)沉降曲線(y=14m橫斷面)Fig.10 Curves of strata consolidation subsidence in y=14m cross-sectional plane

7 結(jié)論

(1)地鐵隧道開挖引起的地層固結(jié)沉降是不容忽視的問題,應(yīng)用數(shù)值模擬研究此問題時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮流固耦合效應(yīng)和施工效應(yīng)的組合作用,既可得到施工引起的地層損失而產(chǎn)生的地層沉降量,又可得到由于地下水流失和地層被隧道施工擾動(dòng)而引起的地層重新固結(jié)沉降量,這兩者之和才是地層的整體沉降量。這樣才能有目的的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,是以控制地層損失為主還是以控制固結(jié)沉降為主,決定采取合理的施工方案。

(2)合理的施工工法能有效地控制地表沉降量。非降水、動(dòng)態(tài)降水和降水法的地表沉降分別為: 29mm、60mm和116mm,它們的比率大致為1∶2∶4,地層固結(jié)沉降量分別占各自地表沉降量的比率大致為27%、50%和79%。地層失水越多所引起的地層固結(jié)沉降量越大,非降水法是控制地層固結(jié)沉降變形最有效的方法,且在實(shí)際工程中取得了成功。

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Numerical S imulation of Strata Consolidation Subsidence Induced byM etro Tunneling in Saturated Soft Clay Strata

Q I Tai-yue,TAN Dai-ming,GAO Bo
(Civil Engineering School,Southwest JiaotongUniversity,Chengdu 610031,Sichuan,China)

A quantitative research is conducted on the strata consolidation caused bymetro tunneling in saturated soft clay strata in an effort to select the best construction method.When the integrated effects of fluid-solid coupling and tunnelingmechanics are taken into account,FLAC3D is applied to conduct the numerical s imulation of pumping,dynamic pumping and non-pumping construction methods so as to respectively obtain the curved surfaces of both ground surface subsidence and strata consolidation subsidence,which largely approximate to the data by spotmeasuring.The research results reveal that the amount of ground surface subsidence caused by pumping,dynamic pumping and non-pumping construction methods is respectively 29 mm,60 mm and 116 mm with a ratio of 1∶2∶4 and that the percentage of strata consolidation subsidence vs.whole ground surface subsidence in the three methods is respectively 27%,50%and 79%.Apparently,the non-pumping construction method is the most effective method of controlling strata consolidation subsidence induced bymetro tunneling in saturated soft clay strata.The research results have been successfully applied in the construction of Shenzhen metro.

metro tunnel;ground surface subsidence;strata loss;strata consolidation subsidence;fluid-solid coupling

TD345

:A

:1009-3842(2010)01-0006-07

2010-01-19

漆泰岳(1958-),男,教授,重慶市人,博士,博士生導(dǎo)師,從事地下工程與隧道工程方面的研究。