徐祥云，胡云飛，高福軍，李地元，王文健

（1. 中鐵八局集團(tuán)昆明鐵路建設(shè)有限公司，云南昆明 650200；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

我國(guó)地鐵工程的埋深一般小于 20 m。地層在該深度以內(nèi)一般存在上層滯水或者潛水。另外，在我國(guó)的濱海濱江地區(qū)，可能還有承壓水，且埋深較淺。在 20 m 埋深內(nèi)，地層大多為第四紀(jì)沖擊層、沉積層，也存在很多是強(qiáng)風(fēng)化或者全風(fēng)化巖層，這些地層多為松散無膠結(jié)的巖土體，可以看作可變形的多孔介質(zhì)材料。巖土體在荷載和地下水的雙重作用之下，變形會(huì)造成其裂隙孔隙通道的改變，從而影響孔隙水流動(dòng)?？紫端魉俚淖兓粌H會(huì)影響巖土變形，而且也會(huì)造成周圍土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化。這種復(fù)雜的力學(xué)行為會(huì)對(duì)隧道工程產(chǎn)生影響，甚至引發(fā)安全事故[1-5]。因此在地下水的影響下，地下工程的設(shè)計(jì)與施工面臨很大的挑戰(zhàn)。

Plaxis 2D 有限元分析軟件可以對(duì)上述力學(xué)行為進(jìn)行模擬。本文以青島地鐵 1 號(hào)線盾構(gòu)隧道工程實(shí)際地質(zhì)條件和相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過 Plaxis 2D 有限元分析軟件，構(gòu)建盾構(gòu)隧道模型，進(jìn)行地下水對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)周圍土體變形的影響和分析，并將分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

1 Plaxis 2D 盾構(gòu)隧道模型建立與土體變形計(jì)算

1.1 盾構(gòu)隧道模型的建立

此隧道開挖范圍內(nèi)穿越 5 層土體，從上到下分別是：①素填土；②粉質(zhì)黏土；③中、粗砂；④粉質(zhì)黏土；⑤含黏性土礫砂。所以地層模型分為 5 層。實(shí)際隧道拱頂埋深 7.6～12.0 m，洞徑 6.2 m，建模取隧道中心線距地表 10.7 m。隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用均質(zhì)圓環(huán)，厚度為 0.3 m，橫向剛度取 0.75。模型選用 15 節(jié)點(diǎn)三角形單元。在劃分網(wǎng)格過程中，全局疏密度選擇中等，而且為了保證隧道周圍網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，在隧道周圍進(jìn)行了加密類組操作，如圖 1 所示。

圖1 安子站 — 安子?xùn)|站區(qū)間隧道模型

表1 土體參數(shù)

1.2 模型參數(shù)的確定

土體本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb 模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行土體參數(shù)選取，結(jié)果如表 1 所示。

1.3 Plaxis 2D 有限元計(jì)算結(jié)果

根據(jù)勘察結(jié)果，區(qū)間地下水類型主要為第四系孔隙潛水、微承壓水和基巖裂隙水。其中第四系孔隙潛水含水層主要為填土，接受側(cè)向逕流、大氣降水及海水潮汐補(bǔ)給，以側(cè)向逕流排泄為主，場(chǎng)地內(nèi)水位受潮汐影響小。為考慮地下水對(duì)盾構(gòu)隧道施工圍巖變形的影響，首先模擬地層無地下水的情況，再模擬地下水位發(fā)生變化時(shí)候的情況，包括 4 種不同地下水位，標(biāo)高分別為：-10 m、-7.6 m、-5 m、-3 m。考慮施工效應(yīng)對(duì)數(shù)值模擬的影響，模擬施工順序?yàn)椋撼跏甲匀粻顟B(tài)—開挖導(dǎo)致地層損失—襯砌—注漿。開挖完成時(shí)進(jìn)行一次計(jì)算，為開挖即時(shí)響應(yīng)，這時(shí)變形量較小。襯砌并注漿后，變形量趨于穩(wěn)定，這時(shí)再進(jìn)行一次計(jì)算，可以與之前的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果以隧道周圍土體位移云圖表示，見表 2。各工況下土體最大位移記錄于圖 2。

通過對(duì)比地下水不同標(biāo)高情況下隧道周圍土體變形量可以發(fā)現(xiàn)，在初始開挖階段（無襯砌、注漿），周圍土體最大位移量隨著地下水升高而增加，由 2.113 mm增加到了 11.73 mm，后者大約是前者的 5.5 倍。這和山區(qū)公路隧道采用鉆爆法開挖施工時(shí)，周圍土體變形受地下水影響的變形規(guī)律具有一定的相似性[6-7]。在襯砌、注漿之后，土體最終階段的變形量在 15～18 mm 的范圍內(nèi)變化，變化量并不大。值得注意的是，在地下水位為 -5 m 時(shí)，最終位移量達(dá)到最小值，地下水位升高或降低土體最終位移量都增大。-5 m 大約是第一層土層素填土和第二層土層粉質(zhì)黏土的交界處。粉質(zhì)黏土的滲透性極差，可以看作不透水層。所以當(dāng)?shù)叵滤辉冖诜圪|(zhì)黏土以下時(shí)，隧道周圍土體的有效應(yīng)力隨地下水位升高而減小，而當(dāng)?shù)叵滤辉冖诜圪|(zhì)黏土以上時(shí)，隧道周圍土體的有效應(yīng)力隨地下水位升高而增大。這可能與隧道周圍土體最大位移量隨地下水位升高而先減少后增加有關(guān)。

表2 隧道周圍土體位移云圖

圖2 不同地下水位下隧道周圍土體最大位移量

圖3 DC24 監(jiān)測(cè)面橫向地表沉降曲線

2 實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

安安區(qū)間盾構(gòu)隧道布置有 38 個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)面，監(jiān)測(cè)面垂直于盾構(gòu)隧道軸線方向。主要監(jiān)測(cè)面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般為 9 個(gè)，次要監(jiān)測(cè)面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為 2 個(gè)。現(xiàn)選取一典型主要監(jiān)測(cè)面 DC24，其地下水位為-3.4 m。對(duì)盾構(gòu)開挖完成時(shí)和注漿完成時(shí) 2 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。位于開挖隧道軸線上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量最大，兩邊沉降量逐漸減小，如圖 3 所示。開挖完成時(shí)，最大地表沉降量為-11.27 mm；注漿完成時(shí)，最大地表沉降量為-18.15 mm。這與 Plaxis 2D 數(shù)值模擬結(jié)果中地下水位為-3 m 的情況具有較好的一致性。這在一定程度上說明了 Plaxis 2D 數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，對(duì)實(shí)際工程具有較高的指導(dǎo)性。另外，注漿完成時(shí)，地表最大沉降量為-18.15 mm，并沒有超過 GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中-30 mm 的控制值，地表沉降量在安全的范圍內(nèi)。

3 結(jié)論與展望

（1）通過有限元軟件 Plaxis 2D 的模擬，發(fā)現(xiàn)在初始開挖階段（無襯砌、注漿），周圍土體最大位移量隨著地下水升高而增加，并且增加量較大。地下水位為-3 m 時(shí)，土體最大位移量是無地下水時(shí)的 5.5 倍左右。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一致性。

（2）在襯砌、注漿之后，土體最終的變形量在不同地下水位情況下變化不是很大。在本文所述的地層條件下，土體最大位移量隨地下水位升高而先減少后增加。這可能與土體的有效應(yīng)力變化路徑有關(guān)。

目前地下水對(duì)隧道工程的影響機(jī)理分析雖然有一些成果，但還不是很深入清晰，造成了許多隧道施工、運(yùn)營(yíng)階段的地下水問題無法預(yù)期，只能在出現(xiàn)之后采取治理，造成大量損失。因此，建立科學(xué)合理的地下水預(yù)報(bào)機(jī)制是非常必要的，只有這樣才能夠有效減少隧道地下水事故發(fā)生。除此之外，關(guān)于地下水問題的相關(guān)規(guī)范也需要進(jìn)行進(jìn)一步完善，如公路隧道防水標(biāo)準(zhǔn)、地鐵防水標(biāo)準(zhǔn)等。只有進(jìn)行科學(xué)的研究，才能夠建立完善的科學(xué)機(jī)制，從根本上解決隧道施工地下水危害。