鄭 剛，王 琦，鄧 旭，劉慶晨

（1.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；3.天津市建筑設(shè)計(jì)院，天津 300074）

1 引言

天津、上海、杭州、武漢等眾多城市均分布不同厚度的承壓含水層，若基坑止水帷幕沒有完全截?cái)喑袎汉畬樱诳觾?nèi)對(duì)承壓水層降水的同時(shí)，坑外土層中孔隙水壓力也將隨之下降，引起土體有效應(yīng)力增加，進(jìn)而導(dǎo)致地層產(chǎn)生顯著的沉降，并且影響范圍較廣。目前，承壓含水層的減壓降水已經(jīng)成為深基坑工程施工中引起坑外地表沉降及鄰近建（構(gòu)）筑物變形的重要原因之一[1]。

昆山某基坑工程，由于止水帷幕未將承壓含水層隔斷，導(dǎo)致抽降坑內(nèi)地下水時(shí)引起坑外深層地下水和承壓水的流失。在基坑內(nèi)降水至土方開挖前階段，坑外路面已出現(xiàn)裂縫，且相鄰小區(qū)房屋的最大沉降量達(dá)到25 mm[2]。可見未截?cái)喑袎汉畬忧闆r下，坑內(nèi)降水對(duì)坑外土體及既有結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大影響，有必要對(duì)這一問題進(jìn)行深入研究。

龔曉南等[3]運(yùn)用完整井理論提出了反映承壓水降壓作用的附加分布力公式，進(jìn)而推導(dǎo)出承壓水降壓附加分布力作用下的地面沉降公式，并討論了不同影響因素對(duì)沉降的影響；駱冠勇等[4]也提出了下臥承壓含水層減壓引起的土中應(yīng)力變化及周圍地表沉降的計(jì)算方法；葉為民[1]、駱祖江[5]等學(xué)者通過建立有限元流固耦合模型，模擬并分析了基坑承壓層降水引起地面沉降問題；鄭剛等[6]分析了承壓水局部降壓引起承壓水水頭下降時(shí)，承壓含水層及其上覆土層的沉降規(guī)律，認(rèn)為對(duì)承壓含水層進(jìn)行局部降壓，土體最大沉降值不在地表。但是上述成果主要是針對(duì)土體的地表沉降和應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行研究，對(duì)于坑外既有結(jié)構(gòu)，尤其是承壓含水層降水對(duì)既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響研究較少。

降水中，止水帷幕對(duì)于基坑自身及周邊環(huán)境的安全具有重要影響。由于承壓含水層一般埋藏較深，止水帷幕的深度往往不足以把基坑內(nèi)外的承壓含水層完全截?cái)郲2]，因此會(huì)出現(xiàn)止水帷幕未插入承壓含水層、部分插入但承壓含水層未被完全截?cái)嘁约俺袎汉畬颖煌耆財(cái)嗟炔煌那闆r，而止水帷幕插入承壓含水層深度的差異，會(huì)對(duì)承壓水滲流產(chǎn)生不同程度的阻隔作用。本文以此為背景，在隧道位于承壓含水層模型的基礎(chǔ)上，通過在減壓井和既有隧道之間設(shè)置地下連續(xù)墻作為止水帷幕，研究地下連續(xù)墻插入承壓含水層深度不同時(shí)減壓降水對(duì)既有隧道變形的影響，并對(duì)長期降水及群井降水引起的隧道變形規(guī)律也進(jìn)行了初步研究。

2 有限元模型介紹

2.1 有限元模型建立

采用ABAQUS建立三維有限元流固耦合模型，研究當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻插入深度不同時(shí)，減壓降水對(duì)既有隧道的影響。既有隧道管片參數(shù)以天津地鐵2、3號(hào)線為依據(jù)，管片外徑為6.2 m、管片厚度為0.35 m，隧道位于承壓含水層中，頂部埋深為22 m，邊緣距減壓井凈距為12.4 m，即2倍隧道外徑。為簡化分析，避免成層土體分布的影響，在計(jì)算模型中承壓含水層厚度為12.4 m，頂板埋深為18.8 m，并選取粉質(zhì)黏土層作為上、下兩層隔水層。在模型深度方向取60 m，根據(jù)承壓水穩(wěn)定流抽水影響半徑經(jīng)驗(yàn)公式，模型寬度取為400 m，考慮對(duì)稱性，取1/2模型進(jìn)行計(jì)算，模型幾何尺寸如圖1所示。

圖1 概化土層分布及模型幾何尺寸Fig.1 Soil layer distribution&dimensions of model

根據(jù)天津地鐵車站基坑的一般尺寸，模型中基坑平面尺寸為180 m×30 m，基坑長度方向平行于既有隧道軸線，近隧道側(cè)地下連續(xù)墻中心線與既有隧道間距離為6.2 m，位于減壓井與隧道的中間位置，地下連續(xù)墻墻厚0.8 m。為分析地下連續(xù)墻插入深度不同條件下減壓降水對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響，特設(shè)置5種典型深度，其中地下連續(xù)墻典型深度h 及與承壓含水層的相對(duì)位置關(guān)系見表1。

表1 地下連續(xù)墻與承壓含水層位置關(guān)系Table 1 Positional relationships between continuous concrete walls and confined aquifer

模型四周邊界約束其法向位移，對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界約束，底部約束全部位移?；谕馏w總孔壓變化，采用有效應(yīng)力法進(jìn)行流固耦合分析，地下水水位設(shè)置在地表，模型底部設(shè)置為不排水邊界，計(jì)算域的側(cè)邊界設(shè)置常水頭進(jìn)行地下水補(bǔ)給，通過設(shè)定降水井出水量模擬承壓含水層地下水位下降。

既有隧道與土體之間的切向接觸采用庫侖摩擦接觸面模擬，摩擦系數(shù)取為0.3；法向接觸采用硬接觸，即假設(shè)接觸面間僅能傳遞壓力而不傳遞拉力。

2.2 材料參數(shù)選擇

筆者曾對(duì)天津地區(qū)某基坑項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)進(jìn)行過有限元模擬[8]，該項(xiàng)目中降水井及觀測(cè)井的位置如圖2所示。根據(jù)勘察報(bào)告中已有的黏土及粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)，依據(jù)所建立的三維模型，對(duì)承壓含水層單井降水試驗(yàn)中的實(shí)際水位變化情況進(jìn)行模擬，從而估算出各承壓含水層土體的滲透系數(shù)，并通過群井降水試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證（群井降水試驗(yàn)中地下水位擬合曲線如圖3所示）。基于已驗(yàn)證的土體水文地質(zhì)參數(shù)，并參照工程地質(zhì)勘察報(bào)告及賈堤等[9]針對(duì)天津土層進(jìn)行的壓縮模量 Es與彈性模量E 之間關(guān)系的試驗(yàn)研究結(jié)果（E≈8Es），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試算調(diào)整，擬合實(shí)測(cè)抽水過程中地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)D4的沉降歷時(shí)曲線（D4點(diǎn)位置見圖2），最終確定各土層的模量（部分土層的水文及物理力學(xué)參數(shù)見表2）。以此得出測(cè)點(diǎn)D4沉降歷時(shí)曲線實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比如圖4所示。

圖2 試驗(yàn)井平面圖(單位:m)Fig.2 Plan of test well(unit:m)

圖3 群井抽水中，觀測(cè)井觀測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線Fig.3 Comparison of monitored and calculated water levels during pumping test with multi-well

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)D4沉降歷時(shí)曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of curves of settlement versus time of D4

根據(jù)上述實(shí)際項(xiàng)目的反分析結(jié)果，本文模型中選?、蓿?粉土、粉砂層作為承壓含水層，而上下隔水層則選?、陴ね翆?，土體采用Mohr-Coulomb彈性-理想塑性模型，相應(yīng)的水文地質(zhì)及物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of soils

隧道管片混凝土標(biāo)號(hào)為C50，采用錯(cuò)縫拼裝，環(huán)向和縱向均通過彎螺栓進(jìn)行連接。本文采用等效剛度法模擬既有隧道，將管片材料本構(gòu)模型假定為線彈性橫觀各向同性，通過考慮橫、縱向彈性模量不同折減率，用以反映受管片接頭、管片環(huán)接頭影響下，既有隧道橫向、縱向剛度不同的特性。根據(jù)以往的研究成果，將盾構(gòu)隧道橫向剛度有效率取為75%[10]，同時(shí)將盾構(gòu)隧道縱向剛度有效率取為20%[11]，管片參數(shù)選取見表3。

2.3 承壓含水層減壓降水模擬

減壓井考慮為完整井抽水，井深為31.2 m，抽水量為16 m3/h，通過定義模型中相應(yīng)位置處結(jié)點(diǎn)流量邊界的方法進(jìn)行模擬。

表3 隧道管片力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of tunnel segment

本文分析重點(diǎn)為承壓含水層減壓降水對(duì)既有隧道影響的模擬，因此對(duì)隧道開挖的模擬較為簡單。隧道采用“Wish-in-place”方法模擬，即認(rèn)為隧道在模擬初始階段已經(jīng)存在。具體的模擬進(jìn)程如下：

（1）建立初始地應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

（2）生成既有隧道，使用穩(wěn)態(tài)分析，即認(rèn)為周圍土體由于開挖產(chǎn)生的超孔壓完全消散。

（3）激活承壓含水層內(nèi)抽水流量荷載，使用瞬態(tài)分析，模擬減壓降水，降水時(shí)間為7 d。

3 承壓含水層降水對(duì)隧道影響的結(jié)果分析

本文首先以地下連續(xù)墻深度h=18 m，即墻體未插入承壓含水層為例，分析減壓降水對(duì)既有隧道橫斷面及縱向變形的影響。將對(duì)稱面位置處的隧道橫斷面作為監(jiān)測(cè)斷面（位置如圖1(b)所示），為了便于描述，定義隧道θ=0°處為拱頂，θ=180°處為拱底，θ=90°與θ=270°為拱腰，θ=45°與θ=315°為隧道肩部，θ=135°與θ=225°為隧道趾部，如圖5所示。同樣，將隧道拱頂、左右拱腰及拱底軸線設(shè)為監(jiān)測(cè)線，從而對(duì)隧道的縱向變形進(jìn)行分析。

圖5 隧道角度示意圖Fig.5 Angles of tunnel

3.1 承壓含水層水位降深

圖6為減壓井抽水過程中，降水井和隧道拱頂處的水位降深隨抽水時(shí)間的變化曲線。由圖可見，在抽水過程中，前10 h減壓井內(nèi)水位迅速下降，而后隨著抽水量與含水層內(nèi)水補(bǔ)給逐漸平衡，水位下降速率不斷降低，至40 h，減壓井內(nèi)水位降深達(dá)到17 m，趨于穩(wěn)定。而隧道拱頂水位降深變化趨勢(shì)與減壓井內(nèi)基本一致，但由于距減壓井存在一定距離，導(dǎo)致最終水位降深明顯減小。

圖6 水位降深隨抽水時(shí)間的變化曲線（部分?jǐn)?shù)據(jù)）Fig.6 Curves of water level versus time(partial data)

3.2 隧道橫斷面位移及自身變形

圖7為隧道監(jiān)測(cè)面在抽水過程中的位移及自身變形示意圖。由于減壓降水引起的隧道周圍土體孔壓下降，有效應(yīng)力上升，導(dǎo)致土體壓密，隧道產(chǎn)生沉降，并有整體向減壓井方向移動(dòng)的趨勢(shì)。隨著抽水的進(jìn)行，隧道豎向位移不斷增加，并且拱頂沉降幅度更大，導(dǎo)致隧道豎向直徑減??；同時(shí)隧道拱腰水平位移也逐漸增大，且右側(cè)拱腰增幅量更大，使隧道水平向直徑增加，隧道呈豎向壓扁水平伸長狀態(tài)。隧道水平直徑增量略大于豎向直徑減小量，降水過程中各位置相應(yīng)位移值如表4所示。

3.3 隧道縱向變形分析

承壓含水層減壓抽水，必然導(dǎo)致該層土體固結(jié)壓密，進(jìn)而引起相鄰?fù)翆游灰茍?chǎng)隨之發(fā)生變化。圖8為模型中承壓含水層抽水58 h后，沿隧道軸向方向土體的豎向位移場(chǎng)分布，以隆起為正、沉降為負(fù)。

圖7 抽水過程中隧道位移（放大500倍）Fig.7 Displacements of tunnel during pumping process(magnified 500 times)

表4 抽水過程中隧道各點(diǎn)位移值Table 4 Displacements of tunnel points during pumping process

圖8 土體豎向位移場(chǎng)分布(單位:m)Fig.8 Displacement field of soil(unit:m)

從圖中可以看出，當(dāng)抽水58 h后，受減壓井在含水層抽水的影響，承壓含水層產(chǎn)生固結(jié)沉降，沉降值由下而上依次累加，在該層頂部達(dá)到最大；上部隔水層由于下方含水層沉降及向下的滲流作用，同樣產(chǎn)生沉降變形，但是表現(xiàn)為靠近承壓含水層土體沉降大，向地表方向沉降逐漸減小，土體呈拉伸狀態(tài)；同時(shí)，下部隔水層在向上的滲流作用下發(fā)生回彈，尤其在靠近對(duì)稱面附近區(qū)域回彈現(xiàn)象較明顯，但位移值相對(duì)較小，隨著深度的增大，回彈量逐漸減小，土體同樣表現(xiàn)為拉伸狀態(tài)。

圖9為抽水58 h后，既有隧道各縱向監(jiān)測(cè)線位移分布。規(guī)定豎向位移增量，正值為隆起，負(fù)值為沉降；而水平向位移增量，正值為向抽水井方向移動(dòng)，負(fù)值為遠(yuǎn)離抽水井方向移動(dòng)。從圖中可以看出：

（1）當(dāng)水位穩(wěn)定后，各測(cè)線通長均產(chǎn)生一定的位移。拱頂、拱底測(cè)線均為沉降狀態(tài)，拱腰測(cè)線則向減壓井方向的偏移，且除拱底監(jiān)測(cè)線外，其余曲線的最大位移均出現(xiàn)在對(duì)稱面，即減壓井位置處。各曲線基本表現(xiàn)為隨著距減壓井距離的增加，位移量逐漸減小，兩相對(duì)測(cè)線間的相對(duì)位移（直徑增量）也逐漸減小，此時(shí)隧道的豎向位移略大于水平位移。

（2）承壓含水層減壓降水的影響范圍非常遠(yuǎn)，據(jù)計(jì)算可知，距減壓井150 m外，仍有近1 m的水位降深，而根據(jù)前文的分析，當(dāng)隧道處水位發(fā)生下降，既有隧道就會(huì)受其影響引起變形，因此從圖中可以看出，距減壓井外150 m處的隧道拱頂仍存在1 mm左右沉降。

（3）當(dāng)抽水時(shí)長較短（58 h）時(shí)，對(duì)于拱底監(jiān)測(cè)線，其沉降并非完全隨著距對(duì)稱面距離增加逐漸減小的凹槽形，而是表現(xiàn)為“W”形分布，最大沉降位置位于距對(duì)稱面30 m附近。結(jié)合圖6所示土體豎向位移場(chǎng)可以推測(cè)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由于減壓井降水引起下部隔水層在靠近對(duì)稱面附近區(qū)域產(chǎn)生回彈，從而制約了隧道拱底沉降。在實(shí)際工程中，隧道彎曲過大可以造成管片環(huán)間接縫張開，甚至發(fā)生漏水、漏砂事故，需要引起關(guān)注。

圖9 既有隧道各縱向監(jiān)測(cè)線位移分布Fig.9 Displacements of monitoring lines of exsiting tunnel

4 地下連續(xù)墻不同插入深度條件下減壓降水對(duì)隧道變形的影響

在前文的分析基礎(chǔ)之上，本文將進(jìn)一步研究當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻插入承壓含水層深度不同時(shí)，減壓降水對(duì)既有隧道變形的影響。前文算例中的結(jié)論，均為減壓井處水位降深17 m條件下的計(jì)算結(jié)果，為便于進(jìn)一步比較分析，本節(jié)中地下連續(xù)墻插入承壓含水層不同深度條件下的隧道變形也均取自基坑內(nèi)的減壓井處水位降深為17 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

4.1 不同插入深度條件下隧道處水位降深比較

圖10為地下連續(xù)墻插入承壓含水層不同深度情況下，既有隧道監(jiān)測(cè)面處拱頂水位降深隨減壓井水位降深的變化。由于地下連續(xù)墻對(duì)地下水滲流的阻礙作用，當(dāng)減壓井水位降深相同時(shí)，隨著地下連續(xù)墻插入承壓含水層深度的增加，坑內(nèi)外水力聯(lián)系減弱，減壓降水引起的既有隧道拱頂處水位降深逐漸減小，當(dāng)承壓層被完全截?cái)鄷r(shí)，隧道拱頂處水位幾乎不變。

圖10 不同插入深度條件下監(jiān)測(cè)面處隧道拱頂水位降深隨減壓井水位降深的變化Fig.10 Water level at tunnel vault of monitoring surface versus water level of well with different inserted lengths of diaphragm wall

4.2 不同插入深度條件下隧道橫斷面變形比較

圖11為當(dāng)減壓井水位降深17 m時(shí)，不同插入深度條件下，減壓降水引起的隧道監(jiān)測(cè)面位移及自身變形示意圖，表5為各位置的相應(yīng)位移值。

隨著地下連續(xù)墻插入承壓含水層深度的增加，相同條件下減壓降水引起的隧道處水位降深減小，導(dǎo)致隧道拱頂拱底的沉降逐漸減小。當(dāng)承壓層被完全截?cái)鄷r(shí)，隧道拱頂僅產(chǎn)生0.53 mm的沉降，同時(shí)拱底由沉降逐漸變?yōu)樯咸ё冃?。但值得注意的是，隧道的水平位移隨截?cái)鄺l件變化卻不大，對(duì)于θ=90°拱腰處，當(dāng)承壓含水層未被完全截?cái)鄷r(shí)水平位移約為4 mm，而完全截?cái)鄺l件下仍存在3.3 mm的位移。同樣，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻未完全截?cái)喑袎汉畬訒r(shí)，隧道的豎向和水平直徑增量變化也較小，變化范圍在0.024%D～0.034%D（D為隧道直徑）之間，僅當(dāng)承壓含水層被完全截?cái)鄷r(shí)才產(chǎn)生明顯的減小，約為0.013%D。

圖11 不同插入深度條件下隧道位移（放大500倍）Fig.11 Displacements of tunnel with different inserted lengths(magnified 500 times)

表5 不同插入深度條件下隧道各點(diǎn)位移值(單位:mm)Table 5 Displacements of tunnel points with different inserted lengths

4.3 不同插入深度條件下隧道縱向變形比較

圖12為當(dāng)減壓井水位降深17 m時(shí)，地下連續(xù)墻插入承壓含水層不同深度條件下，既有隧道各縱向監(jiān)測(cè)線的分布。由圖可知：

（1）隨著地下連續(xù)墻插入承壓含水層深度的增加，既有隧道沉降逐漸減小，最大沉降值由4.4 mm減小為0.53 mm，同時(shí)隧道的縱向彎曲程度也明顯減弱。當(dāng)承壓含水層全截?cái)鄷r(shí)，監(jiān)測(cè)面附近處的隧道變形轉(zhuǎn)變?yōu)楣绊敵两?、拱底上抬變形?/p>

（2）既有隧道右拱腰測(cè)線在承壓含水層未被完全截?cái)鄷r(shí)，近監(jiān)測(cè)面處隧道的水平位移幾乎相同，約為4 mm，并未隨拱頂水位降深減小而減小，且當(dāng)承壓含水層被完全截?cái)鄷r(shí)，隧道右拱腰處最大位移仍為3.3 mm。隧道左拱腰測(cè)線水平位移隨承壓含水層截?cái)喑潭鹊奶岣叨黾?，但增幅較小，當(dāng)?shù)剡B墻未插入承壓含水層時(shí)，左拱腰的最大水平位移為2.0 mm，而當(dāng)承壓含水層被完全截?cái)鄷r(shí)最大位移約為2.4 mm。

圖12 不同插入深度條件下既有隧道各縱向監(jiān)測(cè)線位移分布Fig.12 Displacements of monitoring lines of exsitng tunnel with different inserted lengths

圖13為對(duì)稱面處地下連續(xù)墻最大水平位移、土體T1監(jiān)測(cè)點(diǎn)（位置如圖1(a)所示）以及隧道拱腰90°在地連墻不同插入深度條件下的水平位移對(duì)比曲線。由圖可以看出，當(dāng)既有隧道與地下連續(xù)墻距離為1倍隧道直徑時(shí)，地下連續(xù)墻插入承壓含水層的深度對(duì)隧道水平位移影響較小，即使完全截?cái)喑袎核臐B流路徑，基坑內(nèi)的減壓降水仍然會(huì)引起地連墻產(chǎn)生向坑內(nèi)的方向的位移，進(jìn)而造成坑外土體及隧道也相應(yīng)發(fā)生水平變形。說明當(dāng)既有隧道與減壓井凈距較小時(shí)，即使承壓含水層被完全截?cái)?，仍?yīng)重視坑內(nèi)減壓降水對(duì)隧道水平方向變形造成的影響。

（3）承壓含水層截?cái)嗯c否對(duì)隧道直徑的增量變化也將產(chǎn)生影響。當(dāng)承壓含水層未被完全截?cái)鄷r(shí)，隨著地下連續(xù)墻插入承壓含水層深度的增加，隧道豎向及水平直徑增量均逐漸減小，但變化幅度相對(duì)較小。而在承壓含水層被完全截?cái)嗲闆r下，直徑增量變化比較明顯，最大增量約為0.033%D（0.9 mm）。此時(shí)隧道軸向的變形范圍最遠(yuǎn)距監(jiān)測(cè)面約90 m，即為地下連續(xù)墻的長度范圍。說明當(dāng)承壓含水層被完全截?cái)鄷r(shí)，減壓降水對(duì)坑外既有隧道的影響范圍基本在地下連續(xù)墻長度范圍以內(nèi)，主要由地下連續(xù)墻的變形引起。

圖13 不同插入深度條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化Fig.13 Horizontal displacements of monitoring points with different inserted lengths

5 承壓含水層長期降水對(duì)隧道影響的結(jié)果分析

前文分析了在承壓含水層短期減壓降水（58 h）條件下，基坑外既有盾構(gòu)隧道的變形情況。但是基坑施工并非短期問題，在某些情況下要保證減壓井長時(shí)間抽水，這勢(shì)必會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生更加劇烈的影響。因此，在前文的計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步研究長期減壓降水條件下基坑外既有隧道的位移及自身變形情況。

5.1 單井情況下長期降水的影響

本文第3節(jié)已經(jīng)詳細(xì)探討了地連墻在未插入承壓含水層條件下，減壓降水58 h引起的坑外既有隧道變形規(guī)律，本節(jié)將在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究降水2 400 h（100 d）條件下，既有隧道的變形情況。

5.1.1 隧道橫斷面位移及自身變形

從圖6可以看出，減壓降水40 h后，減壓井內(nèi)水位降深達(dá)到17 m，隧道拱頂水位降深約9 m，均趨于穩(wěn)定，因此降水2 400 h后，水位降深基本保持不變。

圖14為隧道監(jiān)測(cè)面在抽水58 h及2 400 h后的位移及自身變形示意圖，相應(yīng)各位置的位移值如表6所示。

圖14 抽水過程中隧道位移(放大150倍)Fig.14 Displacements of tunnel during pumping process(magnified 500 times)

表6 抽水過程中隧道各點(diǎn)位移值Table 6 Displacements of measuring points of tunnel during pumping process

結(jié)合圖4、圖14及表6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽水58 h后，隧道頂部的水位降深已趨于穩(wěn)定，此時(shí)隧道最大產(chǎn)生4.4 mm沉降及約2 mm的豎向壓縮變形；而經(jīng)過2 400 h抽水后，隧道沉降明顯增加，拱頂最大沉降達(dá)到18.6 mm，但隧道的豎向壓縮變形卻有所減小，僅為1 mm左右。為解釋出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，在隧道下方的隔水層中設(shè)置一土體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)T2（位置如圖1(a)所示），繪制該點(diǎn)的水平及豎向位移時(shí)程曲線見圖15。可以發(fā)現(xiàn)，隧道下隔水層中的土體水平位移是隨著時(shí)間增加逐漸增長且趨于穩(wěn)定，但其豎向卻并非是隨著抽水時(shí)間增加逐漸沉降的。當(dāng)抽水時(shí)間小于40 h，由于向上的滲流作用，隧道下部隔水層產(chǎn)生一定的回彈；此后隨著抽水時(shí)間繼續(xù)增加，隔水層內(nèi)土體排水固結(jié)，逐漸轉(zhuǎn)為沉降。因此，對(duì)上部承壓含水層中隧道而言，當(dāng)下臥土體回彈時(shí)，豎向壓力增加，隧道產(chǎn)生豎向壓縮變形；而當(dāng)下部土體開始排水固結(jié)沉降后，雖然隧道也隨之產(chǎn)生整體的下沉，但是由于隧道底部所受的的豎向壓力減小，豎向壓縮變形有所緩解，因此，產(chǎn)生豎向直徑增量減小的現(xiàn)象。

5.1.2 隧道縱向變形分析

圖16為模型中承壓含水層抽水2 400 h后，沿隧道軸向方向土體的豎向位移場(chǎng)分布，以隆起為正、沉降為負(fù)。與抽水58 h后土體豎向位移場(chǎng)（見圖6）相比，當(dāng)抽水時(shí)長2 400 h，土層則均表現(xiàn)為沉降，且自上部而下部沉降值逐漸減小。

圖15 T2監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移歷時(shí)曲線Fig.15 Curves of displacement versus time of T2

圖16 土體豎向位移場(chǎng)分布(單位:m)Fig.16 Vertical displacement field of soil(unit:m)

圖17為抽水58 h與2 400 h后，既有隧道各縱向監(jiān)測(cè)線位移分布，其中隧道位移方向的正負(fù)值與前文相同，不再贅述。通過對(duì)比可以看出，受土體長期固結(jié)沉降的影響，隧道產(chǎn)生較大的沉降，最大沉降值達(dá)18.6 mm，并且與短期降水相比，隧道豎向彎曲更加劇烈。但與之相比，隧道在水平方向的位移，僅比短期降水增加了2.5 mm。因此，承壓含水層內(nèi)減壓降水對(duì)含水層內(nèi)既有隧道的影響更主要是表現(xiàn)在沉降方面，需要加強(qiáng)對(duì)隧道豎向變形的控制與保護(hù)。

5.2 群井情況下長期降水的影響

基坑工程中承壓含水層減壓降水通常都是進(jìn)行群井降水，其對(duì)土體及既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也必定與單井降水有所差異。在前文單井降水的基礎(chǔ)上，本文也對(duì)群井降水進(jìn)行了簡單的研究。群井降水的模型與上文單井長期降水模型相同，僅在基坑內(nèi)部增加一口相同的降水井，增加的降水井位置如圖1(b)所示。

群井降水2 400 h后，既有隧道各縱向監(jiān)測(cè)線的位移分布曲線也繪制在圖17中。通過與單井長期降水（2 400 h）的位移曲線對(duì)比可以看出，群井降水情況下，引起的隧道沉降更加劇烈，并且隧道的凹槽形沉降范圍也更寬，隧道彎曲亦明顯增加。相比而言，隧道水平方向的位移值增加并不多，但是受到群井降水的影響，隧道的水平向呈波浪形彎曲，這種變形容易造成隧道環(huán)縫張開及管片開裂，對(duì)隧道的安全極其不利。

通過前文對(duì)承壓含水層長期降水條件下既有隧道變形的對(duì)比分析可知，當(dāng)承壓含水層未被完全截?cái)鄷r(shí)，長期進(jìn)行承壓含水層減壓降水將會(huì)引起下部隔水層土體的排水固結(jié)，進(jìn)而引起隧道產(chǎn)生嚴(yán)重的沉降及彎曲變形，尤其是在群井降水情況下，變形更加劇烈，隧道水平方向還會(huì)產(chǎn)生波浪形彎曲。在實(shí)際工程中，應(yīng)避免在承壓含水層未被完全截?cái)嗲闆r下進(jìn)行減壓降水，若需要長期減壓降水，必須隔斷靠近隧道一側(cè)的承壓含水層。

圖17 既有隧道各縱向監(jiān)測(cè)線位移分布Fig.17 Displacements of monitoring lines of existing tunnel

6 結(jié)論

采用ABAQUS軟件建立有限元模型，研究承壓含水層減壓降水對(duì)鄰近既有隧道橫斷面及縱向變形的影響，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)地下連續(xù)墻插入承壓含水層深度、長期降水和群井降水進(jìn)行參數(shù)分析，得到如下結(jié)論：

（1）短期降水情況下，承壓含水層減壓降水將引起含水層中隧道沉降，并產(chǎn)生豎向壓縮水平伸長變形。減壓降水同樣也會(huì)導(dǎo)致隧道發(fā)生縱向彎曲，并且受到下部隔水層回彈變形的制約作用影響，隧道拱底監(jiān)測(cè)線的沉降變形呈“W”形分布。

（2）隨著地下連續(xù)墻插入承壓含水層深度的增加，坑內(nèi)減壓降水對(duì)坑外水位的影響逐漸減小，當(dāng)承壓含水層被完全截?cái)鄺l件下，坑外水位幾乎不變，進(jìn)而導(dǎo)致隧道的豎向位移、直徑增量及縱向彎曲變化也均有明顯的減小。因此，若基坑外存在既有隧道，進(jìn)行坑內(nèi)減壓降水，建議應(yīng)截?cái)嗨淼酪粋?cè)的承壓含水層。

（3）若既有隧道與地下連續(xù)墻之間距離較近（如1倍隧道直徑）時(shí)，隨著地下連續(xù)墻插入承壓含水層深度的增加，雖然既有隧道沉降及縱向彎曲程度均減小，但是承壓含水層截?cái)嗯c否對(duì)隧道水平位移影響卻很小，即使截?cái)喑袎核臐B流路徑，減壓降水產(chǎn)生的水平位移變化仍會(huì)由地下連續(xù)墻變形對(duì)周圍土體的擾動(dòng)作用而將影響傳遞。因此，當(dāng)既有隧道與減壓井凈距較小時(shí)，即使承壓含水層被完全截?cái)?，仍?yīng)重視坑內(nèi)減壓降水對(duì)隧道水平方向變形造成的影響。

（4）當(dāng)承壓含水層被完全截?cái)鄷r(shí)，減壓降水對(duì)坑外既有隧道的影響范圍主要集中在地下連續(xù)墻長度范圍以內(nèi)，隧道變形主要由地下連續(xù)墻的變形引起，該范圍以外隧道幾乎不產(chǎn)生縱向變形和直徑增量變化。

（5）在承壓含水層未被完全截?cái)鄺l件下，長期減壓降水將會(huì)造成下部隔水層土體排水固結(jié)，引起隧道產(chǎn)生可觀的沉降，尤其是在群井降水情況下，隧道在水平方向還會(huì)產(chǎn)生波浪形彎曲變形。因此，應(yīng)避免在承壓含水層未被完全截?cái)嗲闆r下進(jìn)行減壓降水，若需要長期減壓降水，必須隔斷靠近隧道一側(cè)的承壓含水層。

本文以簡單的土層條件為基礎(chǔ)，對(duì)承壓含水層減壓降水引起的既有隧道變形機(jī)制和規(guī)律進(jìn)行了探討，并在此基礎(chǔ)上初步分析了地連墻插入深度、長期降水以及群井降水產(chǎn)生的影響。今后會(huì)繼續(xù)結(jié)合實(shí)際工程和真實(shí)的地質(zhì)條件進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步驗(yàn)證及完善本文總結(jié)的機(jī)制和規(guī)律。

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