陳西林 姜育科 陳 偉 沈才華

(1.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司 宿遷 223800； 2.中交南京交通工程管理有限公司 南京 211800；3.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210024)

隧道施工過程中不可避免地會(huì)對(duì)周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)，尤其當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，由于滲透力的作用易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)，對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重危害，應(yīng)引起高度重視。穆永江等[1]以富水軟弱地層隧道滲水為背景，將超孔隙水壓力的消散視為地下水向低水頭位置和隧道滲流共同作用的結(jié)果，推導(dǎo)了長(zhǎng)期沉降計(jì)算式。張冬梅等[2]利用解析方法分析了隧道的滲流對(duì)隧道周圍孔壓及長(zhǎng)期沉降的影響，結(jié)論顯示滲流量越大，隧道周圍的孔隙水壓力越小，沉降越明顯。甘霖[3]考慮流固耦合效應(yīng)，分析了隧道線形布置、施工進(jìn)度安排、支護(hù)手段等對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響，并提出了相應(yīng)的防治措施。隧道圍巖滲流特性會(huì)導(dǎo)致周圍土體孔壓減小、有效應(yīng)力增長(zhǎng)，引起土體固結(jié)沉降，尤其會(huì)加劇隧道產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致管片內(nèi)力發(fā)生變化，如不加以干預(yù)，將危及隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全[4]。宋曙光[5]研究了復(fù)合地層中不同埋深、不同水頭高度下，施工開挖面穩(wěn)定性問題，分析埋深和水頭高度對(duì)開挖面極限支護(hù)壓力、地表沉降、開挖面土體變形規(guī)律的影響，揭示了開挖面失穩(wěn)破壞的演化機(jī)制。王曉莉[6]結(jié)合蘭州某地鐵車站深基坑實(shí)際工程為研究對(duì)象，對(duì)基坑分階段開挖過程進(jìn)行滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析，得出降水條件下的位移計(jì)算結(jié)果大于忽略地下水影響的計(jì)算值并且與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近。王闖等[7]基于屈服接近度概念，提出滲流作用下開挖面穩(wěn)定分析方法。葉治等[8]以武漢地鐵7號(hào)線小東門至武昌火車站盾構(gòu)區(qū)間為研究背景，通過建立精細(xì)化數(shù)值模型，考慮水土流固耦合作用，研究土壓平衡盾構(gòu)在砂土層中掘進(jìn)時(shí)開挖面涌水對(duì)地表沉降及管片和螺栓內(nèi)力的影響。羅信等[9]運(yùn)用midas GTSNX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析滲流作用下的開挖變形?？梢娽槍?duì)城市地下工程建設(shè)環(huán)境條件復(fù)雜、地層敏感性高、控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛的特點(diǎn)，有效地預(yù)測(cè)和控制開挖面穩(wěn)定性，成為地下開挖施工的核心問題之一。因此，進(jìn)行隧道軟土圍巖非線性滲流引起的地表沉降規(guī)律研究，可以為施工期隧道圍巖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和掌子面泥膜質(zhì)量控制要求提供依據(jù)，具有重要理論意義和實(shí)際價(jià)值。

1 幾何模型的建立

模型整體分為4個(gè)部分：土層模型、盾構(gòu)模型、注漿模型及襯砌模型，有限元幾何模型圖見圖1。模型的整體幾何參數(shù)表見表1。

圖1 有限元幾何模型

表1 模型幾何尺寸m

2 土體與材料的本構(gòu)模型

為突出單一影響因素的規(guī)律性，地層簡(jiǎn)化為單一土層。土層采用修正的Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型，子午面上屈服面函數(shù)見式(1)。

F=t-ptanβ-d=0

(1)

(2)

(3)

修正的Drucker-Prager模型在土體的本構(gòu)模型中運(yùn)用較為廣泛，能有效反映材料的非線性、剪脹性、彈塑性、黏彈性等特點(diǎn)，對(duì)黏性土的模擬效果較好。

而對(duì)于其他材料(如襯砌、注漿等)，本文采用線彈性模型?？傮w上來看，線彈性模型較為簡(jiǎn)單，假定材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合廣義胡克定律，即σ=Dδ。

2.1 施工期掌子面排水理論

當(dāng)?shù)叵滤惠^高或地下水壓較大時(shí)，掌子面會(huì)形成動(dòng)態(tài)的滲流場(chǎng)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和圍巖產(chǎn)生流固耦合效應(yīng)，本文采用Drainage-only flow 邊界模擬開挖掌子面的出水情況。

1) 建立Drainage-only flow 邊界條件。對(duì)掌子面設(shè)定Drainage-only flow邊界[10],允許地下水從掌子面流出。具體排水過程模擬見文獻(xiàn)[11]。

2.2 數(shù)值模型物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)選取

1) 土層力學(xué)參數(shù)。典型粉質(zhì)黏土層的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 地層材料的相關(guān)參數(shù)

2) 土層滲流參數(shù)。在考慮復(fù)雜的地下水滲流環(huán)境影響時(shí)，本文設(shè)置流固耦合單元，以滲透系數(shù)k為媒介，將土體的應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)聯(lián)系起來，將滲透系數(shù)變化函數(shù)導(dǎo)入有限元模擬軟件中，模擬地下水滲流過程對(duì)隧道施工期、運(yùn)營(yíng)期變形的影響。滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系見表3。

表3 滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系

3) 其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。盾構(gòu)、襯砌材料取值見表4，注漿材料取值見表5。

表4 盾構(gòu)、襯砌材料取值

表5 注漿材料取值

3 掌子面排水的影響

當(dāng)掌子面排水時(shí)，排水面附近的水流由孔壓較大處流向孔壓較小處并逐漸消散，總水頭隨之降低，產(chǎn)生滲流現(xiàn)象。根據(jù)有效應(yīng)力原理，隨著滲流固結(jié)過程的進(jìn)行，孔隙水壓力逐漸降低，土顆粒間的有效應(yīng)力逐漸增大，進(jìn)一步導(dǎo)致土骨架應(yīng)力增大，最終引起土層的沉降。由此可知，掌子面是否排水對(duì)隧道變形、地表沉降位移具有重要的影響。

3.1 地表沉降變形規(guī)律分析

考慮掌子面不排水和排水(假定排水面的滲流系數(shù)ks=1×10-6cm/s)，掌子面排水(不排水)條件下施工期地表位移變形規(guī)律見圖2。

圖2 掌子面排水(不排水)條件下

由圖2可見，考慮掌子面排水的條件下，地表縱向沉降總體上大于掌子面不排水的情況。對(duì)比開挖面前后不同位置處的地表沉降可以看出，在已開挖區(qū)域地表沉降變化緩慢穩(wěn)定，對(duì)于未開挖區(qū)域，遞增較快。

對(duì)于不同排水條件，沿水平方向(隧道軸線的垂直方向)地表沉降曲線都近似為高斯分布，并在隧道開挖面達(dá)到峰值。從圖2b)可見，考慮了排水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力條件下，隧道中軸線兩側(cè)附近的地表沉降變化更加劇烈，幅值變化更為明顯。在x=-30 m處，2種工況地表沉降分別為-5.01，-3.84 mm，考慮排水的地表沉降比不考慮排水增大了的30.5%；而當(dāng)x=0時(shí)，地表沉降分別為-16.7，-8.93 mm，地表位移增幅高達(dá)87.68%。因此，在實(shí)際排水土層中施工隧道，應(yīng)重視開挖面處的地表沉降控制。

施工期地表沉降云圖見圖3，施工期排水面孔壓云圖見圖4。

圖3 施工期地表沉降云圖(單位：m)

圖4 施工期排水面孔壓云圖(單位：Pa)

由圖3、圖4可以明顯看出在經(jīng)過排水后，地表出現(xiàn)降水漏斗，但由于排水量和排水位置的限制，孔壓的變化主要集中在開挖面附近。

3.2 隧道拱頂位移變形規(guī)律分析

掌子面排水(不排水)條件下施工期拱頂土層位移變形規(guī)律圖見圖5。

圖5 掌子面排水(不排水)條件下

由圖5可見，沿著開挖方向，隧道拱頂變形先增大后減小，并在開挖面后方向約y=10 m處拱頂位移達(dá)到最大(掌子面排水，ΔU=-43.16 mm；掌子面不排水，ΔU=-37.07 mm)。相對(duì)于開挖過后處的隧道拱頂變形(-20 m

3.3 隧道拱底處位移變形規(guī)律分析

掌子面排水(不排水)條件下施工期拱底土層位移變形規(guī)律見圖6。

圖6 掌子面排水(不排水)條件下施工期拱底土層位移變形規(guī)律

由圖6可見，相對(duì)于隧道拱頂，拱底處變形呈現(xiàn)向上拱起的趨勢(shì)?？梢钥闯鲈谶h(yuǎn)離已開挖區(qū)域處(-20 m

4 不同滲流系數(shù)的影響

4.1 地表沉降變形規(guī)律分析

通過設(shè)定Drainage-only flow 邊界條件更加清晰地對(duì)比地表豎向位移在不同滲流系數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變特征，從而總結(jié)滲流因素對(duì)地表沉降的影響。設(shè)定的滲流系數(shù)，可以通過控制開挖面上的排水速率，控制地下水滲流對(duì)地表沉降的影響，但在實(shí)際工程中并不存在滲流系數(shù)ks這個(gè)參數(shù)，而是通過每天的出水量控制排水面的排水速率。在Abaqus有限元數(shù)值模擬軟件中，排水面的總出水量并非直接求得，本文提出一種計(jì)算排水量的簡(jiǎn)化方法。提取每1個(gè)分析步中的流速矢量參數(shù)，選擇與掌子面正交方向的流速vi。通過最小二乘法擬合出某一點(diǎn)流速隨時(shí)間的變化曲線，通過對(duì)時(shí)間積分, 求出排水面該點(diǎn)上的降水量Qi，其計(jì)算方法見式(4)。

(4)

(5)

Q=QidS

(6)

(7)

即可求出排水面上的平均降水速率，以ks=1×10-6cm/s為例，計(jì)算可得此時(shí)排水速率為169 m3/d。因此，可以通過滲流系數(shù)，分析不同排水速率對(duì)地表沉降變形的影響，選取4組不同的排水面滲流系數(shù)ks(不同工況下的滲流系數(shù)和排水速率表見表6)，進(jìn)行相應(yīng)的模擬，分析地表沉降規(guī)律并計(jì)算相應(yīng)的排水速率，排水速率矢量圖見圖7。

表6 不同工況下的滲流系數(shù)ks和排水速率

圖7 排水速率矢量圖

不同滲流系數(shù)條件下施工期地表位移變形規(guī)律圖見圖8。由圖8可見，當(dāng)掌子面設(shè)置不同排水速率時(shí)，地表沉降隨著滲流系數(shù)的增加而逐漸加大，不同工況下，隧道開挖面上方地表沉降分別為-23.00，-20.28，-16.76，-14.88 mm。隨著排水速率的增大，地表沉降逐漸趨向于穩(wěn)定。由圖8b)可以看出，通過改變排水面的出水速率，不僅改變了地表沉降的大小，同樣影響了地表沉降范圍，模擬情況與實(shí)際工程情況基本吻合。

圖8 不同滲流系數(shù)條件下施工期地表位移變形規(guī)律

4.2 隧道拱頂位移變形規(guī)律分析

不同滲流系數(shù)條件下施工期拱頂土層位移變化規(guī)律見圖9。

圖9 不同滲流系數(shù)條件下施工期拱頂土層位移變化規(guī)律

分析圖9可以看出，隨著滲流系數(shù)的增加，拱頂位移變化規(guī)律一致，并在開挖面后10 m處達(dá)到位移最大值。4種工況條件下，拱頂最大位移分別為-50.61，-48.45，-46.03，-43.16 mm；但沿著開挖方向，隧道拱頂?shù)奈灰浦饾u減小，當(dāng)y=20 m時(shí)，隧道拱頂?shù)奈灰品謩e為-11.99，-11.49，-10.98，-10.47 mm，相差僅為0.5 mm。對(duì)于隧道拱頂上方土層與地表沉降，可以看出在施工期間，隧道施工對(duì)未開挖區(qū)域鄰近土層的擾動(dòng)明顯小于對(duì)已開挖區(qū)域土層的擾動(dòng)，在實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)掌子面前后處進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)處理，防止相應(yīng)的工程事故發(fā)生。

4.3 隧道拱底處位移變形規(guī)律分析

分析排水速率對(duì)拱底變形的影響，不同滲流系數(shù)條件下施工期拱底土層位移變化規(guī)律圖見圖10。由圖10可見，整體上掌子面是否排水對(duì)拱底變形影響較小，不同排水速率下變形規(guī)律基本一致。對(duì)比工況一、工況四發(fā)現(xiàn)，2種條件下在y=-10 m處的拱底變形差達(dá)到最大值為5.59 mm，而在未開挖區(qū)(y>0)變形差最大僅為0.47 m，因此可以得出地下水滲流僅僅影響受挖區(qū)的隧道拱底變形，而對(duì)待挖區(qū)拱底變形的影響可以忽略不計(jì)。

圖10 不同滲流系數(shù)條件下施工期拱底土層位移變化規(guī)律

5 結(jié)論

本文建立了基于流固耦合有限元模擬隧道開挖掌子面出水量的計(jì)算方法，在一定的隧道幾何尺寸、土層條件等因素條件下，模擬分析了掌子面排水與不排水及不同滲流系數(shù)(排水速率)對(duì)地表沉降、隧道拱頂拱底位移變形規(guī)律，研究主要結(jié)論如下。

1) 通過Abaqus進(jìn)行地下隧道滲流分析時(shí)，采用Drainage-only flow邊界能夠較好地模擬隧道開挖時(shí)掌子面排水的情況，同時(shí)能夠計(jì)算出掌子面排水總量，控制排水速率及其對(duì)地表變形的影響規(guī)律，對(duì)施工設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

2) 對(duì)比分析掌子面排水情況對(duì)隧道變形的影響，其中考慮掌子面排水地表沉降隨著開挖方向而逐漸減小，不考慮掌子面排水時(shí)地表沉降變化相反(實(shí)際上出現(xiàn)這種情況的概率極低)。通過定義排水面滲流系數(shù)控制掌子面排水速率，發(fā)現(xiàn)隨著排水速率的增加地表沉降逐漸增大，工況一到工況四條件下，隧道開挖面上方地表沉降分別為-23.00，-20.28，-16.76，-14.88 mm。此外不同排水速率還會(huì)影響距離開挖掌子面10 m附近的已開挖區(qū)域隧道拱頂、拱底處土層的變形位移，遠(yuǎn)離掌子面區(qū)域的影響相對(duì)較小，這與實(shí)際情況基本相符。