周東偉，張遠榮

(1.成都鐵路局，四川成都 610081;2.中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳 518034)

1 工程情況

深圳地鐵2號線模擬計算段場地原屬于海漫灘地貌，后填海形成陸地，計算區(qū)間砂層深厚，地下水豐富，場地內地下水主要有松散土層孔隙潛水及基巖裂隙水。

建立如圖1所示盾構過富水砂層流—固耦合計算模型，模型寬×長×高為100 m×90 m×32 m。

本文模擬計算時各土層力學參數取值見表1。

2 流—固耦合相互作用計算流程

土體流—固耦合計算包括土體力學計算與滲流固結計算兩部分，土體力學計算運用了有效應力的土體平衡方程和土體本構關系，滲流固結計算運用了孔隙水的滲流固結協(xié)調方程和孔隙水滲流連續(xù)方程。土體流—固耦合數值模擬計算模型和流程見圖1和圖2。

圖1 盾構過富水砂層流—固耦合計算模型

圖2 土體流—固耦合數值模擬計算流程示意

3 盾構掘進速度及建筑物基礎注漿加固對地表沉降與孔壓變化影響的模擬研究

3.1 概述

為了描述隧道掘進過程中和開挖后場地變形和孔壓變化特征，在流—固耦合數值模擬計算模型上設定沉降和孔壓記錄觀測點，觀測點的位置和編號如圖3。

3.2 盾構掘進速度對建筑物基礎沉降與孔壓變化的影響分析

為了研究盾構機在富水砂層中掘進速度對地表建筑物基礎沉降與孔壓變化的規(guī)律，本文以深圳地鐵2號線2205標盾構在富水砂層中的實際施工速度作為正常掘進速度(以下簡稱常速掘進)，人為地設置比正常掘進速度慢一半的掘進速度(以下簡稱慢速掘進)及比正常掘進速度快一倍的掘進速度(以下簡稱快速掘進)兩種情況，通過流—固耦合數值模擬計算，分析了在富水砂層中盾構掘進速度對地表建筑物基礎沉降與孔壓變化的影響，為在富水砂層中進行盾構施工選用何種掘進速度提供參考。

表1 模擬計算時各土層力學參數

圖3 計算模型沉降與孔壓觀測點分布示意(單位:m)

快速掘進、正常掘進和慢速掘進隧道開挖后Y=45 m處橫剖面豎向位移等值線圖分別如圖4、圖5和圖6所示。從以上圖形中看出，開挖速度越快，基礎下方土體沉降越小，基礎橫向兩側地表隆起值也越小。

圖4 快速掘進后豎向位移三維等值線

圖5 常速掘進后豎向位移三維等值線

如圖7所示，橫向上在離隧道中心一倍埋深位置以外地表豎向位移值幾乎為零，即橫向上在離隧道中心一倍埋深位置以外盾構掘進速度對地表建筑物基礎豎向位移影響很少。

如圖8所示，從隧道中軸線的縱剖面來看，三種掘進速度造成基礎縱向沉降規(guī)律相似，其中慢速掘進產生的沉降值最大，快速掘進最小，常速掘進居于兩者之間。基礎沉降值越大其兩側土體隆起值越大，由于基礎縱向兩側土體在隧道正上方，受隧道開挖擾動影響產生的沉降值大于因基礎沉降引起的隆起值。

三種掘進速度工況下基礎下方的孔壓變化如圖9所示，慢速掘進時土倉排水總量較大，基礎下方土體屈服破壞程度較高，導致局部孔隙壓力上升較大。在橫向距隧道一倍埋深后孔壓的恢復趨向一致。

圖7 三種工況下Y=45 m處橫剖面上地表沉降分布

圖8 三種工況下X=0處縱剖面上地表沉降分布

3.3 建筑物基礎注漿加固對基礎沉降與孔壓變化的影響分析

計算模型建筑物地基加固注漿范圍如圖10所示。注漿范圍在隧道縱向長18 m、橫向寬12 m，深度8 m，模擬計算時對注漿加固后土體彈性模量采用7.5 GPa，泊松比為 0.25。

圖9 三種工況下Y=45 m處橫剖面地下4 m孔壓分布

地基注漿工況下隧道開挖后模型橫向、縱向和豎向位移三維等值線圖如圖11、圖12及圖13所示。

地基注漿與未注漿情況下，基礎中心地表橫剖面與縱剖面沉降如圖14和圖15所示。與未注漿情況相比，地基注漿后基礎最大沉降減小60%左右，注漿體地表各點沉降值相近。注漿體外側地表有小幅度的隆起，隆起值比地基未注漿加固時小，地基注漿加固對遠處地表豎向沉降影響較小。

圖10 建筑物地基注漿加固示意

圖11 地基注漿工況下隧道開挖后模型橫向位移三維等值線

圖12 地基注漿工況下隧道開挖后模型縱向位移三維等值線

圖13 地基注漿工況下隧道開挖后模型豎向位移三維等值線

圖14 基礎中心橫剖面地表橫向沉降分布

圖15 基礎中心縱剖面地表縱向位移分布

在縱向上，地基注漿加固后，基礎沉降最大值＜10 mm。與地基未注漿加固前對比，基礎地表沉降值下降幅度較大。注漿后注漿體兩側土體地表的沉降值比注漿前大。

如圖16所示，地基注漿加固后，加固區(qū)土體孔壓滲透系數降低，盾構開挖對加固區(qū)孔壓的影響減弱。

圖16 Y=45 m處橫剖面上地下4 m(Z=12 m)的孔壓分布

4 結論

本文以深圳地鐵2號線某段富水砂層為例，建立隧道盾構掘進三維仿真計算模型，考慮水土流—固耦合相互作用，采用有效應力法進行數值模擬計算。研究了盾構三種不同掘進速度、建筑物基礎注漿加固與未注漿加固等不同施工條件與施工參數對環(huán)境影響的變化規(guī)律。取得了一些新的認識和具有指導施工意義的結論如下:

1)富水砂層盾構在快速掘進、正常掘進及慢速掘進時，對地表建筑物基礎所產生的沉降與孔壓變化的影響研究表明:三種掘進速度造成基礎縱向沉降規(guī)律相似，其中慢速掘進產生的沉降值最大，快速掘進最小，正常掘進居于兩者之間;三種掘進速度情況下基礎下方的孔壓變化趨勢相同。為減少盾構開挖對建筑物基礎沉降的影響，盡量加快盾構掘進的施工速度。

2)在建筑物基礎注漿加固與未注漿加固時，盾構掘進對地表建筑物基礎所產生的沉降與孔壓變化的影響研究表明:建筑物基礎注漿加固對減少基礎沉降的作用明顯，與基礎未注漿加固相比，其沉降減小了55%左右。地基注漿加固前后，在注漿體范圍內盾構開挖引起的孔壓差異較大，地基注漿加固前孔壓下降較大，加固后孔壓下降較小。為減少盾構開挖對建筑物基礎沉降的影響，盡可能在建筑物基礎下方進行注漿加固處理。

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