詹俊峰 汪 俊

(上海地礦工程勘察有限公司,上海 200065)

1 概述

隨著城市的快速發(fā)展，城市基礎設施建設越來越多，地下結構也越來越深，然而國內(nèi)地下水位回升對地下結構的影響問題一直沒有得到足夠的重視。根據(jù)有關文獻[1]～[3]，英、美、法、日及波斯灣等國家均出現(xiàn)由于地下水位回升引起工程災害，如英國伯明翰市有的建筑物基礎被淹沒、利物浦不列顛鐵路隧道抽出水量增大、倫敦附近地下水位年上升量約1.5 m、泰晤士河岸砂巖地基上的建筑物地下室充水現(xiàn)象十分普遍等。我國經(jīng)濟發(fā)展比西方發(fā)達國家晚了半個世紀，大量問題尚處于潛伏期，但這絕不意味著可以暫時不考慮或以后不會發(fā)生[4-7]。一旦水位回升，首先受到影響的就是地下結構或設施，如地下室、地鐵車站、地鐵隧道、綜合管廊等，而作為中國特大型城市之一的上海，其地下結構或設施規(guī)模巨大，且尤為復雜[8,9]，故本文選取上海市地鐵隧道結構作為研究對象，研究地下水位回升對其受力和變形的影響，以期為今后類似工程提供參考。

2 工程概況

本文以上海地鐵4號線為背景，通過概化4號線區(qū)間隧道工程地質(zhì)條件，為后續(xù)數(shù)值模擬研究提供工程背景。4號線沿線區(qū)間隧道埋深一般在14 m～21 m，隧道主要穿越第④層灰色淤泥質(zhì)黏土以及第⑤1層灰色黏土為主。淺部土層中潛水埋深淺，一般離地面0.3 m～1.5 m，年平均地下水位離地面0.5 m～0.7 m；第②3層、③2層和⑤2層地下水具有微承壓水特征；⑤1層和⑦2層的地下水為承壓含水層，承壓水水頭離地面埋深5.0 m～18.0 m。主要有①雜填土、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土、⑤3粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土和⑦2粉細砂。

3 模型構建

以地鐵4號線地質(zhì)條件為原型，假設圓形隧道直徑6.0 m，拱頂埋深15 m，地下水初始水位在隧道底下3 m?？紤]模型邊界效應的影響，且開挖方向取2 m，近似二維平面問題進行計算，模型尺寸取為90 m×2 m×65 m，圍巖采用實體(Solid)單元模擬，服從摩爾庫侖準則；隧道結構采用襯砌(Liner)單元模擬，建立的隧道數(shù)值模型見圖1。各土層的厚度與物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學性質(zhì)指標

為了研究地下水位回升對地下結構的影響，設計地下水位位于隧道結構底、中部、頂部、頂部往上3 m，6 m，9 m和地表的位置分別進行計算，水位回升模擬工況步驟如表2所示。

表2 水位回升模擬步驟

4 模擬結果分析

根據(jù)上節(jié)的工況設計，進行水位回升的數(shù)值模擬，并分別從隧道豎向位移和內(nèi)力進行分析，以研究水位回升對隧道結構和周邊環(huán)境的影響。

4.1 豎向位移

水位回升過程中地下水水位標高與豎向位移關系曲線見圖2，從圖2中可以看出，隨著地下水位的持續(xù)回升，隧道和地表總體上均產(chǎn)生向上的位移，且地表的位移量最大，其次是隧道頂部，隧道底部最小。這是因為在地下水回升過程中，地下水浮力的作用下，地面產(chǎn)生回彈變形以及隧道結構發(fā)生上浮變形所致。

由圖2可以看出，當?shù)叵滤粡乃淼赖撞恳韵? m回升至隧道底部時，地下水并未對隧道本身產(chǎn)生浮力，但使底部以下土層中孔隙水壓力增加，引起土層的回彈變形，故隧道和土層均發(fā)生了向上的豎向位移，其中隧道本身的變形較小，拱底、拱頂和地表的位移量基本一致。

當?shù)叵滤焕^續(xù)從隧道底部回升至隧道頂部時，地下水對隧道結構本身產(chǎn)生了浮力，同時也加大了土層中的孔隙水壓力，導致更大的土層回彈變形，隧道整體表現(xiàn)為上浮，且向上的位移達到0.7 cm。由于隧道頂和底部的水壓力不同，導致頂?shù)撞课灰屏恳膊灰恢?。當?shù)叵滤恢饾u回升至隧道頂部以上至地表時，隧道和地層豎向位移繼續(xù)增加，此時雖然隧道結構的浮力不變，但作用于隧道結構上的側壓力逐漸增加，隧道本身的變形增加，致使隧道本身發(fā)生變形。當升至地表時，頂部位移量約為2.2 cm，底部約為2.0 cm。

4.2 水平位移

水位回升過程中地下水水位標高與拱腰水平位移關系曲線見圖3。

從圖3中可以看出，當?shù)叵滤坏陀诠把恢脮r，水平位移基本不變，但當水位逐漸高于拱腰時，隨著地下水位的持續(xù)回升，隧道拱腰部位水平位移呈逐漸增大趨勢，最大水平位移為0.91 mm，故總體位移并不大。

4.3 隧道結構內(nèi)力

地下水位回升過程中，隧道結構不同位置處(隧道底和地表)最大彎矩變化云圖見圖4。從圖4可知，隧道結構最大正彎矩發(fā)生在拱頂和拱底兩側，而兩側拱腰則為最大負彎矩。隨著地下水位逐漸回升，由于有效應力減小，水壓力逐漸增加，隧道結構拱頂、拱底最大正彎矩和兩邊拱腰最大負彎矩總體趨于減小。雖然隧道最大彎矩均逐漸減小，但隨著水壓力逐漸增大，隧道結構可能發(fā)生正負彎矩轉換現(xiàn)象，對結構不利。此外，隧道結構最大法向應力隨地下水水位回升逐漸增加。

5 結語

本文基于上海地鐵4號線工程地質(zhì)背景，采用數(shù)值模擬方法研究了地下水位回升對地鐵隧道結構的影響。地下水水位回升引起土體有效應力減小，同時地下隧道結構浮力增加，致使隧道結構存在明顯向上的豎向位移，即上浮現(xiàn)象。地下水位回升會造成隧道結構拱頂、拱底和地表不同程度向上的豎向位移，其中地表最大(2.23 cm)，拱頂次之，而拱底最?。凰淼澜Y構兩側拱腰位置的水平位移也逐漸增大，總體位移相對較小(最大為0.91 mm)；隧道結構法向應力不斷增加，彎矩則逐漸減小。隨著水壓力不斷增加，結構彎矩有方向轉換的可能，對隧道結構可能不利。