彭 敏 郭 潔 郅 彬 劉衛(wèi)輝 徐媛媛,4

(1.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054； 2.陜西省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018； 3.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 4.陜西海嶸工程試驗檢測有限公司，陜西 西安 710077)

目前，盾構(gòu)法已被廣泛的應(yīng)用于地鐵隧道工程的施工，盾構(gòu)施工是應(yīng)力釋放的過程，開挖前土體各點均處于初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖后盾構(gòu)施工打破了初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，迫使周圍土體產(chǎn)生水分遷移，導(dǎo)致地面沉降及地層位移[1]。近些年，因地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)的地表變形及地面沉降問題時有發(fā)生，盾構(gòu)施工導(dǎo)致的環(huán)境問題也愈加嚴(yán)重[2]。劉招偉[3],朱才輝[4],姜蓉[5],Xinggao Li[6],L. Ran[7],V. P. Samoilov[8]等國內(nèi)外專家學(xué)者都對盾構(gòu)施工引起的沉降、環(huán)境以及安全問題做了相關(guān)的研究。本文參照地層條件、施工環(huán)境等因素，通過理論分析和數(shù)值模擬對西安地鐵盾構(gòu)施工引起的水分遷移規(guī)律進(jìn)行了研究，并對盾構(gòu)施工過程中水分場變化進(jìn)行了歸類。

1 水分場變化對地層變形的影響

盾構(gòu)開挖誘發(fā)地層變形的主要原因有以下幾點：

1)因盾構(gòu)掘進(jìn)圍巖應(yīng)力獲得一定釋放，造成徑向收縮；

2)因盾構(gòu)開挖造成水分遷移，土體孔隙水壓改變，致使有效應(yīng)力增大，以致土體骨架壓縮，造成整體沉降變形[9]；

3)盾構(gòu)開挖擾動周圍土體，迫使土體的承載能力下降，導(dǎo)致土體產(chǎn)生膨脹、擠密或是流動變形，實測數(shù)據(jù)顯示，在盾構(gòu)開挖期間，超孔隙水壓的變化過程為三階段：

a.盾構(gòu)未及之時，因盾構(gòu)推力影響，生成超孔隙水壓；

b.盾構(gòu)通過之時，因盾構(gòu)擠壓造成周圍土體超孔隙水壓增大，致使盾構(gòu)影響范圍之內(nèi)，各點土體孔隙水壓改變率達(dá)到峰值；

c.盾尾通過之后，因超孔隙水壓消散，周圍土體開始固結(jié)沉降[10]。

2 盾構(gòu)施工引起水分遷移規(guī)律研究

2.1 模型建立

本文依據(jù)該施工段的工程概況，采用數(shù)值模擬建立盾構(gòu)開挖的隧道模型，然后考慮盾構(gòu)開挖不同推力下水分場變化的影響來研究西安地鐵盾構(gòu)施工中水分遷移規(guī)律。設(shè)定寬度為200 m，地鐵隧道埋深為20 m，截面影響區(qū)域宜設(shè)定為3倍，這樣既能滿足求解精度要求，亦能滿足計算需求。故最終模型尺寸設(shè)定為200 m×75 m(寬×深)的區(qū)域建立Midas/GTS計算模型，模型產(chǎn)生15 026個節(jié)點，14 700個單元，如圖1所示。

2.2 計算參數(shù)

依據(jù)盾構(gòu)隧道勘察報告，對土層作相應(yīng)簡化，劃分土層及滲流參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬計算參數(shù)表

2.3 計算工況

數(shù)值模擬中盾構(gòu)隧道滲流分五次進(jìn)行，第一階段滲流(穩(wěn)態(tài))不施加壓力水頭，第二階段滲流(瞬態(tài))施加壓力水頭(10 m)，第三階段滲流(瞬態(tài))施加壓力水頭(20 m)，第四階段滲流(瞬態(tài))施加壓力水頭(30 m)，第五階段滲流(穩(wěn)態(tài))不施加壓力水頭。

2.4 邊界條件

Midas/GTS水分場變化數(shù)值模擬計算中，以節(jié)點水頭作為邊界條件，模擬地下水位距地面15 m，模型兩側(cè)邊界使用水位為60 m的穩(wěn)定總水頭邊界條件，邊界條件如圖2所示。

2.5 計算結(jié)果分析

數(shù)值模擬中盾構(gòu)隧道滲流分五次進(jìn)行，第一階段滲流(穩(wěn)態(tài))不施加壓力水頭，第二階段滲流(瞬態(tài))施加壓力水頭(10 m)，第三階段滲流(瞬態(tài))施加壓力水頭(20 m)，第四階段滲流(瞬態(tài))施加壓力水頭(30 m)，第五階段滲流(穩(wěn)態(tài))不施加壓力水頭，滲流的時間步驟均為1 d,10 d,20 d,30 d,50 d，第一階段滲流為未施加壓力水頭情況下的穩(wěn)流，而第五階段滲流為施加壓力水頭消散過后的穩(wěn)定流，其他階段均為非穩(wěn)定流。

1)加壓后總水頭。

第一次加壓總水頭單元數(shù)據(jù)折線圖如圖3所示。各點坐標(biāo)為：1(45,75)，2(46,75)，3(47,75)，4(48,75)，5(49,75)，6(50,75)，7(51,75)，8(52,75)，9(53,75)，10(54,75)，11(55,75)，12(50,55)，13(50,54)，14(50,53)，15(50,52)，16(50,51)，17(50,50)，18(50,49)。

由圖3可得出如下結(jié)論：同一節(jié)點，伴隨工后天數(shù)的增加，節(jié)點總水頭趨減；不同節(jié)點距離盾構(gòu)開挖面越遠(yuǎn)，工后節(jié)點總水頭越低；開挖面處，工后節(jié)點總水頭明顯較大；工后節(jié)點總水頭影響范圍，隧道上方土體大于下方，并且節(jié)點總水頭最大值出現(xiàn)在開挖面上部角點；工后30 d，節(jié)點總水頭已基本消散完畢；節(jié)點總水頭影響范圍，以開挖面為中心，由近及遠(yuǎn)逐步擴散；節(jié)點總水頭影響范圍大致為110 m。

第二次加壓總水頭單元數(shù)據(jù)折線圖如圖4所示。

由圖4可得出如下結(jié)論：同一節(jié)點，伴隨工后天數(shù)的增加，節(jié)點總水頭趨減；不同節(jié)點距離盾構(gòu)開挖面越遠(yuǎn)，工后節(jié)點總水頭越低；開挖面處，工后節(jié)點總水頭明顯較大；工后節(jié)點總水頭影響范圍，隧道上方土體大于下方，并且節(jié)點總水頭最大值出現(xiàn)在開挖面上部角點；工后30 d，節(jié)點總水頭已基本消散完畢；節(jié)點總水頭影響范圍，以開挖面為中心，由近及遠(yuǎn)逐步擴散；節(jié)點總水頭影響范圍大致為130 m。

2)加壓后滲流速度。

第一次加壓滲流速度單元數(shù)據(jù)折線圖如圖5所示。各點坐標(biāo)：1(48.5,57.5)，2(48.5,56.5)，3(48.5,55.5)，4(49.5,57.5)，5(49.5,56.5)，6(49.5,55.5)，7(50.5,57.5)，8(50.5,56.5)，9(50.5,55.5)，10(50.5,54.5)，11(50.5,53.5)，12(50.5,52.5)，13(50.5,51.5)，14(50.5,50.5)，15(50.5,49.5)，16(48.5,48.5)，17(48.5,47.5)，18(48.5,46.5)。

由圖5可得出如下結(jié)論：同一節(jié)點，伴隨工后天數(shù)的增加，滲流速度趨減；不同節(jié)點距離盾構(gòu)開挖面越遠(yuǎn)，滲流速度越低；開挖面處，工后滲流速度明顯較大；工后滲流影響范圍的滲流速度，隧道上方土體大于下方，并且滲流速度最大值出現(xiàn)在開挖面上部角點；工后30 d，對地下水位以上土體的滲流影響可忽略不計且滲流速度變化不明顯；開挖面有回涌現(xiàn)象，因此需加強防水措施。

第二次加壓滲流速度單元數(shù)據(jù)折線圖如圖6所示。

由圖6可得出如下結(jié)論：同一節(jié)點，伴隨工后天數(shù)的增加，滲流速度趨減；不同節(jié)點距離盾構(gòu)開挖面越遠(yuǎn)，滲流速度越低；開挖面處，工后滲流速度明顯較大；工后滲流影響范圍的滲流速度，隧道上方土體大于下方，并且滲流速度最大值出現(xiàn)在開挖面上部角點；工后30 d，對地下水位以上土體的滲流影響可忽略不計且滲流速度變化不明顯；開挖面有回涌現(xiàn)象，因此需加強防水措施。

3)加壓后孔隙水壓。

由圖7可得出如下結(jié)論：同一節(jié)點，伴隨工后天數(shù)的增加，節(jié)點孔隙水壓趨減；不同節(jié)點距離盾構(gòu)開挖面越遠(yuǎn)，工后孔隙水壓越低；工后初始，開挖面處孔隙水壓較大，隨著時間推移，遠(yuǎn)端孔隙水壓會比開挖面處孔隙水壓大；隨著時間推移，孔隙水壓影響范圍趨廣；隨著時間推移，開挖面處會出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓；孔隙水壓影響范圍呈漏斗狀；工后孔隙水壓影響范圍，隧道上方土體大于下方，并且孔隙水壓最大值出現(xiàn)在開挖面上部角點；工后30 d，孔隙水壓變化趨緩；盾構(gòu)推進(jìn)可能使土體發(fā)生剪脹，產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓。

由圖8可得出如下結(jié)論：同一節(jié)點，伴隨工后天數(shù)的增加，節(jié)點孔隙水壓趨減；不同節(jié)點距離盾構(gòu)開挖面越遠(yuǎn)，工后孔隙水壓越低；工后初始，開挖面處孔隙水壓較大，隨著時間推移，遠(yuǎn)端孔隙水壓會比開挖面處孔隙水壓大，孔隙水壓影響范圍趨廣，開挖面處會出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓；孔隙水壓影響范圍呈漏斗狀；工后孔隙水壓影響范圍，隧道上方土體大于下方，并且孔隙水壓最大值出現(xiàn)在開挖面上部角點；工后30 d，孔隙水壓變化趨緩；盾構(gòu)推進(jìn)可能使土體發(fā)生剪脹，產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓。

4)總水頭變化。

總水頭變化圖如圖9所示。各點坐標(biāo)為：1(45,75)，2(46,75)，3(47,75)，4(48,75)，5(49,75)，6(50,75)，7(51,75)，8(52,75)，9(53,75)，10(54,75)，11(55,75)，12(50,55)，13(50,54)，14(50,53)，15(50,52)，16(50,51)，17(50,50)，18(50,49)。

由圖9得出如下結(jié)論：同一節(jié)點，壓力水頭的變化對總水頭影響不大；不同節(jié)點，距離開挖面越遠(yuǎn)，總水頭越低；總水頭最大值出現(xiàn)在開挖面上部角點。

5)滲流速度變化。

滲流速度變化圖如圖10所示。各點坐標(biāo)：1(48.5,57.5),2(48.5,56.5),3(48.5,55.5),4(49.5,57.5),5(49.5,56.5),6(49.5,55.5),7(50.5,57.5),8(50.5,56.5),9(50.5,55.5),10(50.5,54.5),11(50.5,53.5),12(50.5,52.5),13(50.5,51.5),14(50.5,50.5),15(50.5,49.5),16(48.5,48.5),17(48.5,47.5),18(48.5,46.5)。

由圖10得出如下結(jié)論：同一節(jié)點，壓力水頭的變化對滲流速度影響不大；不同節(jié)點，距離開挖面越遠(yuǎn)，滲流速度越低；滲流速度在開挖面上、下部角點明顯較大，且最大值出現(xiàn)在上部角點。

3 結(jié)語

本文以西安地鐵盾構(gòu)施工為背景，參照地層條件、施工環(huán)境等因素，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對西安地鐵盾構(gòu)施工引起的水分遷移規(guī)律進(jìn)行了研究，并得出如下結(jié)論：

1)同一節(jié)點，伴隨工后天數(shù)的增加，節(jié)點總水頭、滲流速度、孔隙水壓趨減；不同節(jié)點距離盾構(gòu)開挖面越遠(yuǎn)，工后節(jié)點總水頭、滲流速度、孔隙水壓越低；開挖面處，工后節(jié)點總水頭、滲流速度明顯較大；節(jié)點總水頭、滲流速度、孔隙水壓最大值出現(xiàn)在開挖面上部角點。

2)工后節(jié)點總水頭、滲流速度、孔隙水壓影響范圍，隧道上方土體大于下方；工后30 d，節(jié)點總水頭已基本消散完畢，對地下水位以上土體的滲流影響可忽略不計且滲流速度變化不明顯，孔隙水壓變化趨緩；節(jié)點總水頭、孔隙水壓影響范圍，隨著時間推移，以開挖面為中心，由近及遠(yuǎn)逐步擴散；同一節(jié)點，壓力水頭的變化對總水頭和滲流速度的影響不大。

3)工后初始，開挖面處孔隙水壓較大，隨著時間推移，遠(yuǎn)端孔隙水壓會比開挖面處孔隙水壓大，開挖面處會出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓；孔隙水壓影響范圍呈漏斗狀。

4)開挖面有回涌現(xiàn)象，因此需加強防水措施；盾構(gòu)推進(jìn)可能使土體發(fā)生剪脹，產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓。

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