王　俊，何　川，李棟林，齊　春，周曉軍

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都　610031)

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砂卵石地層地下水對(duì)盾構(gòu)隧道影響的離散元流固耦合分析

王俊，何川，李棟林，齊春，周曉軍

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610031)

摘要：為探明砂卵石地層中地下水對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌上的土壓力以及地層變形的影響，以成都地鐵2號(hào)線(xiàn)為依托，采用顆粒流方法，從細(xì)觀(guān)角度模擬分析地下水對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌荷載分布以及地層擾動(dòng)的規(guī)律，研究盾構(gòu)隧道動(dòng)態(tài)施工過(guò)程中及后期穩(wěn)定后的水、土壓力分布。研究表明：考慮地下水工況時(shí)的襯砌荷載小于不考慮地下水的工況，開(kāi)挖后地下水位越高，襯砌荷載越?。坏叵滤植加绊懰淼篱_(kāi)挖后洞周應(yīng)力重分布，拱頂處受到的影響最大，拱肩處受到的影響最??；盾構(gòu)隧道開(kāi)挖后，拱頂上方存在一定范圍的松動(dòng)區(qū)，在松動(dòng)區(qū)上方一定范圍形成坍落拱，起到承載作用，同時(shí)將上方土荷載有效地傳遞到洞周兩側(cè)。考慮地下水時(shí)，由于有效應(yīng)力減小，地層變形相應(yīng)減小，地層受盾構(gòu)施工擾動(dòng)的影響減弱。

關(guān)鍵詞：成都地鐵；砂卵石地層；地下水；盾構(gòu)隧道；顆粒流

0引言

盾構(gòu)法具有安全、快速以及對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)城市地鐵隧道建設(shè)工程中得到了廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)隧道襯砌荷載受多種因素的影響，如地層條件、隧道埋深和地下水分布等。合理確定作用在隧道襯砌上的荷載是保證盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的重要條件之一[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受的外荷載進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)軟土地基中作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外荷載進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，提出了一種新的土壓力分布模式;文獻(xiàn)[4]對(duì)作用在礫石地層襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)將襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力實(shí)測(cè)值同設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，提出了土、水壓力的不同計(jì)算方式；文獻(xiàn)[5-6]利用管片襯砌內(nèi)力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，采用最優(yōu)化分析方法反演了作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的土壓力大小和分布模式；文獻(xiàn)[7]對(duì)黃土地層中作用在管片襯砌結(jié)構(gòu)上的外荷載及主體內(nèi)力進(jìn)行跟蹤測(cè)試，研究了影響襯砌荷載的施工參數(shù)；文獻(xiàn)[8]探討了土質(zhì)地層中盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用垂直荷載的計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)不同荷載計(jì)算方法進(jìn)行定量和定性的分析，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，提出了較為實(shí)用的垂直荷載的計(jì)算方法；文獻(xiàn)[9]現(xiàn)場(chǎng)追蹤試驗(yàn)了瘦西湖盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)荷載和內(nèi)力變化情況，探討施工階段同步注漿對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響；文獻(xiàn)[10]以上海虹橋機(jī)場(chǎng)地下連接通道為背景，對(duì)矩形盾構(gòu)隧道受力分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述。

目前關(guān)于盾構(gòu)隧道襯砌荷載的研究多以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為主?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試能從宏觀(guān)上研究襯砌荷載的分布規(guī)律，但由于現(xiàn)場(chǎng)影響因素多，難以明確地下水對(duì)襯砌荷載分布的影響程度及相應(yīng)機(jī)制，對(duì)工程中根據(jù)地下水分布情況選取合理的土壓力是不利的。基于此，本文以成都地鐵2號(hào)線(xiàn)為例，采用顆粒流軟件PFC2D，從細(xì)觀(guān)角度探究砂卵石地層中地下水分布對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌荷載與地層變形的影響規(guī)律。

1PFC2D流固耦合模型

1.1顆粒離散元法簡(jiǎn)介

PFC2D通過(guò)模擬ball單元的運(yùn)動(dòng)及其相互作用來(lái)研究顆粒介質(zhì)的特性。將整個(gè)模型中的每個(gè)顆粒作為一個(gè)力學(xué)單元，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中交替反復(fù)使用力-位移定律和牛頓第二定律更新顆粒之間的接觸力和顆粒位置，利用中心差分法進(jìn)行動(dòng)態(tài)松弛求解，是一種顯式解法，不需要解大型矩陣，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，并且允許模型發(fā)生很大的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，克服了有限單元法和邊界單元法的小變形假設(shè)，可以用來(lái)求解一些非線(xiàn)性大變形問(wèn)題。

近年來(lái)已有學(xué)者采用離散元方法研究流固耦合問(wèn)題，如文獻(xiàn)[11-12]采用PFC2D，從細(xì)觀(guān)角度研究了土體注漿過(guò)程，探明了漿體壓力擴(kuò)散及劈裂縫發(fā)生和發(fā)展的機(jī)制；文獻(xiàn)[13]在考慮漿液黏度的基礎(chǔ)上采用PFC2D研究了巖石水力劈裂問(wèn)題。綜上所述，既有離散元流固耦合研究主要集中在巖土體注漿劈裂方向上，鮮有關(guān)于盾構(gòu)隧道襯砌荷載的研究成果。由于地下水對(duì)隧道襯砌荷載分布具有明顯的影響，故需要進(jìn)一步深入研究。

1.2流固耦合算法實(shí)現(xiàn)

在PFC2D中，只有模擬地層的顆粒，不存在實(shí)際的流體。為了在模型中合理地考慮流體作用，將每一個(gè)顆粒之間的接觸假設(shè)為一個(gè)流體通道，這些通道可以相互連接，形成“壓力水庫(kù)”，存儲(chǔ)流體壓力。所有相接觸的顆粒中心連接起來(lái)形成流體網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而生成一系列閉合的流體域，流體域之間通過(guò)流體通道互相連接，1個(gè)通道對(duì)應(yīng)1個(gè)顆粒接觸。 PFC2D流固耦合模型如圖1所示(圖中紅色圓點(diǎn)為土體顆粒；綠色線(xiàn)條為流體通道；綠色圓點(diǎn)為“壓力水庫(kù)”)。

圖1　PFC2D流固耦合模型

流體在顆粒接觸處的平行裂隙中流動(dòng)，當(dāng)流體在平板裂隙中流速較小且恒定時(shí)，為單向?qū)恿鳡顟B(tài)，則平板裂隙內(nèi)的單位時(shí)間體積流量

(1)

式中：k為縫隙內(nèi)的水力傳導(dǎo)系數(shù)；a為縫隙寬度；l為流體通道的長(zhǎng)度，取相互接觸的2個(gè)顆粒半徑的調(diào)和平均值。

(2)

式中 ra、rb分別為相互接觸的2個(gè)顆粒的半徑。

各流體通道不斷地向相鄰的流體域中注入流量，存儲(chǔ)在流體域中的流體則不斷地調(diào)整作用在周?chē)w粒上的壓力。每一計(jì)算時(shí)步更新一次流體壓力，每一次流體壓力的變化值Δp與域內(nèi)的流體體積變化∑Q緊密相關(guān)，根據(jù)連續(xù)方程有

(3)式中：Kf為流體變形模量；ΔVd為該流體域的表觀(guān)體積。

1.3流體壓力計(jì)算

富水砂卵石地層中，計(jì)算襯砌荷載時(shí)應(yīng)采用水土分算模式。作用在土體顆粒上的流體壓力如圖2所示[13]，對(duì)任意一個(gè)半徑為r的土體顆粒來(lái)講，作用在其質(zhì)心上的全部流體壓力

(4)

可簡(jiǎn)化為

FN=pnis。

(5)

式中：ni為連接相鄰2個(gè)接觸點(diǎn)(如圖2中點(diǎn)A和點(diǎn)B)直線(xiàn)的單位法向量；s為直線(xiàn)AB的長(zhǎng)度。

圖2　作用在土體顆粒上的流體壓力示意圖

2數(shù)值模擬

2.1工程概況

成都地鐵2號(hào)線(xiàn)所處的富水砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，卵石顆粒之間膠結(jié)作用弱，呈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力模式，結(jié)構(gòu)較為松散，分布不均，具有強(qiáng)烈的離散性，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外荷載大小及分布模式復(fù)雜。盾構(gòu)施工過(guò)程中受降水的影響，地層中粉細(xì)砂等細(xì)顆粒易隨著降水流失，使地層的滲透系數(shù)增大，加劇地下水對(duì)盾構(gòu)隧道的影響。因此，選取成都地鐵2號(hào)線(xiàn)里程ZCK33+600.0斷面為研究對(duì)象，開(kāi)展地下水對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌荷載影響的離散元研究。ZCK33+600.0斷面的地質(zhì)剖面圖如圖3所示，為了簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，將所有地層按其物理力學(xué)性質(zhì)簡(jiǎn)化為填土、稍密卵石土和中密卵石土，3種地層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。圖3中h、rw分別為任意處水頭距隧道拱底的垂直距離與水平距離，h0為基巖距拱底的垂直距離。為探明隧道開(kāi)挖后地下水位對(duì)襯砌荷載的影響，研究考慮了3種不同的地下水分布形式(圖3中w1、w2和w3)。

圖3　ZCK33+600.0斷面地質(zhì)剖面圖(單位：m)

2.2細(xì)觀(guān)參數(shù)標(biāo)定

經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試，最終得到了各地層對(duì)應(yīng)的細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)以及流固耦合參數(shù)。中密卵石土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和摩爾-庫(kù)侖曲線(xiàn)分別如圖4(a)和圖4(b)所示，各地層的PFC2D細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)如表2所示，流固耦合細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表1　成都地鐵2號(hào)線(xiàn)地層參數(shù)

(a) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

(b) 摩爾-庫(kù)侖曲線(xiàn)

Fig.4Microscopic parameter calibration for medium-density cobble soil

表2　各地層細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)

表3　流固耦合細(xì)觀(guān)力學(xué)參數(shù)

2.3數(shù)值模型

結(jié)合上節(jié)標(biāo)定的參數(shù)，采用“落雨法”而非“膨脹法”來(lái)生成地層模型，這樣得到的模型側(cè)壓力系數(shù)與真實(shí)地層情況更為接近，然后再消除配位數(shù)小于3的顆粒，以便形成流體網(wǎng)格。引入地層損失率η[14]模擬盾構(gòu)隧道開(kāi)挖，η=(V1-V2)/V0。其中：V1是實(shí)際開(kāi)挖土體體積；V2是竣工隧道體積；V0是理論開(kāi)挖體積。結(jié)合成都地鐵地層的特性，本文地層損失率均取為2.8%。

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，地下水沿著盾殼和開(kāi)挖面流失，周?chē)叵滤礉撍问椒植?，受施工條件和地層特性等因素的不同影響，地下水流失程度不同。本文考慮了隧道開(kāi)挖后3種地下水分布形式(見(jiàn)圖3)?？紤]到計(jì)算效率，影響半徑取為30 m，數(shù)值模型尺寸為66 m×23 m，共生成116 770個(gè)土體顆粒，最終建立的數(shù)值模型如圖5所示。

圖5　PFC2D 數(shù)值模型

潛水井條件下地下水流量分布為

(6)

任一點(diǎn)自由水面的高度

(7)

式中：Q為滲流流量；k0為滲透系數(shù)；R為地下水影響半徑；r0為盾構(gòu)隧道半徑；H為開(kāi)挖后相應(yīng)位置處自由水面到不透水層的高度；rw為任一點(diǎn)到隧道拱底的水平距離。

實(shí)際地層中，由于周?chē)叵滤难a(bǔ)給，盾構(gòu)隧道上方地下水位將恢復(fù)到原水位，故數(shù)值模型中，左右兩側(cè)的流體壓力設(shè)定為初始計(jì)算值并保持不變模擬周?chē)叵滤难a(bǔ)給，計(jì)算中每循環(huán)100步，執(zhí)行1次流固耦合算法，更新流體域單元。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了探明地下水對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌荷載的影響，本文開(kāi)展了多種工況下的數(shù)值模擬。為了監(jiān)控作用在襯砌上的荷載，利用PFC2D中的wall單元模擬隧道襯砌，將襯砌分為10份，同時(shí)在隧道襯砌四周建立測(cè)量點(diǎn)，跟蹤記錄盾構(gòu)隧道周?chē)?、土壓力的變化情況。為方便表述，本文將圖3中3種不同地下水分布形式的工況分別命名為CASE 1、CASE 2和CASE 3，同時(shí)將不考慮地下水的工況命名為CASE 0。

3.1盾構(gòu)隧道土壓力分布及變化規(guī)律

盾構(gòu)隧道襯砌荷載分布結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：地下水對(duì)作用在隧道襯砌上的荷載有一定的影響。考慮地下水時(shí)，作用在隧道拱頂、拱肩和拱腰的土壓力小于不考慮地下水時(shí)的荷載，而拱腳和拱底等部位的荷載幾乎不受地下水影響。地下水分布形式對(duì)隧道襯砌荷載分布也有影響，不考慮地下水時(shí)，拱頂處的土壓力為118 kPa，考慮地下水時(shí)，3種工況下拱頂處的土壓力分別為96、101、69 kPa。由太沙基有效壓力理論可知，飽和土體上的總壓力σ等于作用在土骨架上的有效應(yīng)力σ′與孔隙水壓力u之和。即

σ=σ′+u。

(8)

當(dāng)總壓力不變時(shí)，若不考慮地下水作用，則孔隙水壓力u為0，有效應(yīng)力等于總壓力。隨著有效應(yīng)力增大，土骨架壓縮變形，地層位移增大，塌落在隧道襯砌上的土體增加，土壓力也隨著增大。考慮水壓力后，隨著模型左右兩側(cè)地下水的不斷補(bǔ)給，隧道上方地下水位逐漸恢復(fù)，孔隙水壓力增大，則有效應(yīng)力減小，土顆粒變形減小，最終塌落在襯砌上的土體也減少，襯砌荷載相應(yīng)減小。由于CASE 3工況隧道剛開(kāi)挖后地下水位最高，故其荷載也相應(yīng)最小。

圖6　盾構(gòu)隧道襯砌荷載分布(單位：kPa)

隧道開(kāi)挖后，拱頂處的應(yīng)力分布情況往往是工程關(guān)注的重點(diǎn)。本文研究了多種工況下拱頂上方主應(yīng)力的分布，拱頂主應(yīng)力沿埋深方向的分布如圖7所示。由圖7可知：隧道開(kāi)挖后最小主應(yīng)力受地下水的影響較小，不同工況條件下最小主應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，而最大主應(yīng)力則受地下水的影響較大。砂卵石地層中，隧道開(kāi)挖后，拱頂上方存在一個(gè)較明顯的松動(dòng)區(qū)(0 m≤y≤1.5 m)，松動(dòng)區(qū)內(nèi)主應(yīng)力較小，沿著深度方向，最小主應(yīng)力緩慢增大，而最大主應(yīng)力則變化明顯。在直線(xiàn)IJ(y=2.5 m)處，所有工況的最大主應(yīng)力達(dá)到第1個(gè)極值，出現(xiàn)了第1個(gè)坍落拱，然后最大主應(yīng)力小幅度下降(y=3 m)后達(dá)到下一個(gè)極值，出現(xiàn)第2個(gè)坍落拱，此時(shí)，由于地下水的影響，坍落拱出現(xiàn)的位置不同，不考慮地下水時(shí)坍落拱出現(xiàn)在直線(xiàn)GH處(y=3.5 m)，考慮地下水時(shí)坍落拱出現(xiàn)在直線(xiàn)EF處(y=4.0 m)。然后最大主應(yīng)力減小后再次增大并最終在直線(xiàn)CD處(y=6 m)達(dá)到第3個(gè)極值，出現(xiàn)第3個(gè)坍落拱。對(duì)第2個(gè)坍落拱來(lái)講，考慮地下水時(shí)該坍落拱出現(xiàn)的位置較不考慮地下水時(shí)高約0.5 m。從直線(xiàn)KL(y=1.5 m)到直線(xiàn)CD(y=6 m)范圍內(nèi)，考慮地下水時(shí)的最大主應(yīng)力基本位于不考慮地下水時(shí)的最大主應(yīng)力的包絡(luò)線(xiàn)內(nèi)。

圖中0_max和0_min分別表示CASE 0工況下的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，其余類(lèi)推。

圖7拱頂主應(yīng)力沿埋深方向的分布

Fig.7Principal stress of arch crown vs.distance between monitoring point and arch crown

隧道上方接觸力鏈分布如圖8所示，由圖8能更加形象地得到松動(dòng)區(qū)與坍落拱形態(tài)。襯砌上方一定區(qū)域內(nèi)接觸力鏈明顯比周?chē)貛?，該區(qū)域出現(xiàn)了土體松動(dòng)，應(yīng)力松弛，這部分土體幾乎全部坍落在隧道襯砌上，是襯砌荷載的主要來(lái)源。該區(qū)域上方接觸力鏈變粗，應(yīng)力集中，出現(xiàn)了坍落拱，起到了卸載作用。此外，由圖8還可以看出，隧道開(kāi)挖影響區(qū)域內(nèi)應(yīng)力明顯朝著隧道中心方向偏轉(zhuǎn)。

圖8　接觸力鏈分布圖

3.2地下水對(duì)地層應(yīng)力路徑的影響

本文提取了布設(shè)在距離拱頂大約4 m處測(cè)量圓內(nèi)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力變化情況(如圖9所示)。由圖9可知，4種工況下洞周各處應(yīng)力路徑的變化規(guī)律基本一致(圖9符號(hào)說(shuō)明：0°、45°和90°為從隧道右側(cè)軸線(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度β，分別對(duì)應(yīng)于隧道的拱腰、拱肩和拱頂；i、f分別為初始狀態(tài)和最終狀態(tài))?？傮w而言，4種工況中各位置處的應(yīng)力都經(jīng)歷了最大主應(yīng)力增大和最小主應(yīng)力減小的過(guò)程，但是變化幅度不一樣。對(duì)比圖9(a)、9(b)、9(c)和9(d)可知，拱頂處的應(yīng)力路徑受地下水影響最大，拱肩處受到的影響最小，各點(diǎn)處的最小主應(yīng)力幾乎不受地下水影響，而最大主應(yīng)力則受地下水的影響較大，均有一定程度減小。根據(jù)摩爾-庫(kù)侖理論可知，考慮地下水時(shí)土體的受力狀態(tài)優(yōu)于不考慮地下水時(shí)。

3.3水壓力分布及變化規(guī)律

本文考慮了3種不同的地下水分布形式，CASE 1工況下隧道剛開(kāi)挖和計(jì)算一定時(shí)步后的地下水分布如圖10所示。由圖10可知，隧道開(kāi)挖后，隨著周?chē)叵滤牟粩嘌a(bǔ)給，隧道上方的地下水位不斷恢復(fù)，接近于常水位。

本文通過(guò)在洞周布設(shè)水壓力測(cè)試點(diǎn)，監(jiān)控量測(cè)了3種工況下迭代1 000萬(wàn)時(shí)步后的地下水分布情況，具體分布規(guī)律如圖11所示。由圖11可知，洞周的水壓在100 kPa左右波動(dòng)，拱腰下部水壓力比拱腰上部稍大一些。由于流固耦合計(jì)算極為費(fèi)時(shí)，考慮到計(jì)算后期地下水對(duì)襯砌荷載以及地表變形的影響已經(jīng)十分微弱，本文只計(jì)算至1 000萬(wàn)時(shí)步，此時(shí)CASE 3工況地下水位已經(jīng)恢復(fù)至常水位，而CASE 1工況距離常水位還有一些距離(見(jiàn)圖10)，故圖11中3種工況在1 000萬(wàn)時(shí)步時(shí)洞周孔隙水壓力存在差異。

圖9盾構(gòu)隧道洞周應(yīng)力路徑

Fig.9Stress path around tunnel

圖10　隧道開(kāi)挖后不同階段地下水位

圖11　不同工況下的地下水壓力分布

3.4地層變形規(guī)律

根據(jù)太沙基固結(jié)理論可知，不考慮地下水時(shí)，土體中有效應(yīng)力增大，土骨架壓縮變形增大，加劇了地層變形。本文根據(jù)土顆粒的位移大小賦予其相應(yīng)的顏色，這樣可以直觀(guān)地觀(guān)察和比較隧道開(kāi)挖后地層的變形形態(tài)。具體做法為：首先找出隧道軸線(xiàn)上方隧道開(kāi)挖后土體顆粒的最大位移Smax，然后將其等分為10份；接著遍歷該部分所有土顆粒，找出位移滿(mǎn)足Smax/10、2Smax/10、3Smax/10……8Smax/10、9Smax/10、10Smax/10的土顆粒，并賦予相應(yīng)的顏色(藍(lán)色、綠色、青色……淺灰、淺藍(lán)、淺綠)。不同工況下的地層變形如圖12所示。由圖12可以形象地看出，隧道開(kāi)挖后拱頂上方地層變形類(lèi)似于拱狀，地下水對(duì)隧道開(kāi)挖后地層的移動(dòng)有一定的影響。考慮地下水后，地層變形減小，受盾構(gòu)隧道開(kāi)挖影響的區(qū)域減小。開(kāi)挖后地下水的分布形式對(duì)地層變形也有一定的影響，CASE 1、CASE 2和CASE 3工況中地層受盾構(gòu)施工影響的范圍逐漸變小。

圖12　不同工況下的地層變形

4結(jié)論與建議

1)顆粒流模型可以有效地模擬砂卵石地層中土體顆粒與地下水之間的完全耦合效應(yīng)。地下水對(duì)最終作用在隧道襯砌上的土荷載有一定的影響?？紤]地下水工況的襯砌荷載小于不考慮地下水工況，且差異程度與隧道開(kāi)挖后地下水的分布有關(guān)，開(kāi)挖后地下水位越高，襯砌荷載越小。

2)地下水分布狀況影響隧道開(kāi)挖后洞周應(yīng)力重分布，拱頂受影響最大，拱肩處受影響最小。最小主應(yīng)力基本不受地下水影響，最大主應(yīng)力受地下水影響較大?？紤]地下水影響時(shí)，土體受力狀態(tài)改善。

3)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖后，拱頂上方存在一定范圍的松動(dòng)區(qū)，該范圍內(nèi)土體結(jié)構(gòu)松散，松動(dòng)區(qū)上方一定范圍形成坍落拱，起到承載作用，同時(shí)將上方土荷載有效地傳遞到洞周兩側(cè)。考慮地下水時(shí)，由于有效應(yīng)力減小，地層變形相應(yīng)減小，受盾構(gòu)施工擾動(dòng)的影響減弱。

為提高計(jì)算效率，本文所有計(jì)算模型均在二維平面應(yīng)變條件下展開(kāi)，沒(méi)有考慮盾構(gòu)開(kāi)挖的三維空間效應(yīng)，這與實(shí)際施工狀況有所差異。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，建議今后盡可能采用三維離散元軟件開(kāi)展該類(lèi)研究。

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Discrete Element Solid-fluid Coupling Analysis of Influence of Groundwater on Shield Tunnel in Sandy-cobble Strata

WANG Jun，HE Chuan，LI Donglin，QI Chun，ZHOU Xiaojun

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031,Sichuan,China)

Abstract:The influence of groundwater on load distribution of shield tunnel and ground deformation of Chengdu Metro Line No.2 is analyzed microscopically by means of particle flow cate in two dimensions(PFC2D) method.The soil stress and water stress during shield tunneling and after shield passing are studied.The study results show that:1) The stress on tunnel lining structure considering groundwater is smaller than that without considering groundwater;and the higher the water level is,the smaller the stress on tunnel lining stress is.2) The stress redistribution of surrounding rocks is affected by groundwater after shield passing;and the arch crown is affected mostly and the arch shoulder is affected minimally.3) The loose zone above tunnel arch crown bears the soil load;as a result,the effective stress on the tunnel is decreased and the deformation of the tunnel can be decreased.

Keywords:Chengdu Metro;sandy-cobble strata;groundwater;shield tunnel;particle flow code(PFC)

收稿日期：2015-08-25;修回日期:2015-12-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2010CB732105)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAB10B02，2013BAB10B04)

第一作者簡(jiǎn)介：王俊(1987—)，男，四川綿陽(yáng)人，西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專(zhuān)業(yè)在讀博士，研究方向?yàn)槎軜?gòu)隧道施工技術(shù)。E-mail：wangjunjiayou@163.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.009

中圖分類(lèi)號(hào)：U 452.2+7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)06-0710-07