劉 濤，荊友璋，鄭煥龍

[1.大連市城市管理局，遼寧 大連 116000；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；3.大連理工大學(xué)建工學(xué)部，遼寧 大連 116024]

0 引 言

隨著國內(nèi)基建日益增加，如今地面的道橋房屋建設(shè)已基本達(dá)到飽和[1-2]，尤其是在城市這樣人口聚集、發(fā)展迅速的區(qū)域，地面可利用的空間更加緊張。為了解決城市發(fā)展與城市基礎(chǔ)設(shè)施相適應(yīng)的問題，城市地下空間的利用已經(jīng)成為必然。在地下工程施工的過程中，地下水的影響成為一個不得不考慮的問題[3]。

國內(nèi)學(xué)者們在地下水對地下工程的影響方面已經(jīng)有了一些研究結(jié)果。雷永生等[4]以西安地鐵建設(shè)為例，通過調(diào)查分析其漏水位置、特點(diǎn)，得出西安地鐵存在最大的問題是特殊的地質(zhì)災(zāi)害——地裂縫。針對地裂縫問題，研發(fā)了一種新型獨(dú)特的、能夠主動適應(yīng)地裂縫變形且具有大應(yīng)變特性的防水體系。郭雁鴻等[5]以富水隧道為依托，研究不同注漿厚度的圍巖與不同的排水量對隧道外水壓力的影響，并提出了注漿厚度不同時，地下水排放的標(biāo)準(zhǔn)和注漿圈厚度的合理取值。

本文依托某城市軌道交通共建管廊工程，通過FALC3D 進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究地下通道限量排水對地下水滲流場的影響[6-7]、地下水滲流場的改變對地下工程的影響、限量排水情況下地下工程結(jié)構(gòu)所受孔隙水壓力的分布規(guī)律及其數(shù)值的變化情況，最終得到結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力隨孔隙水壓力變化而變化的規(guī)律，為實(shí)際地下工程施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

依托工程沿線通過沖洪積平原、臺地和丘陵地貌，穩(wěn)定地下水位埋深0.50～29.80 m，抗浮設(shè)計水位建議取至地表。 根據(jù)波速測試結(jié)果，沿線軟土層的剪切波速大于90 m/s，均可不考慮地震過程中震陷的可能性，場地土的類別劃為軟弱土- 巖石，場地類別為Ⅱ類和Ⅲ類。

龍崗段和坪山段場地類別為Ⅱ類和Ⅲ類。對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。擬結(jié)合軌道14 號線同步實(shí)施的綜合管廊總長度約31.78 km，其中羅湖區(qū)共通道管廊長約為0.54 km、龍崗區(qū)共通道管廊長約為17.68 km、坪山區(qū)共通道管廊長度約為13.56 km。區(qū)域平面圖如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)域平面圖

2 數(shù)值模擬

建模如圖2 所示，模型X 方向長為120 m，Y 方向高度為70 m，Z 方向?qū)挾葹?4 m，綜合井X 方向?qū)挒?0 m，Y 方向深50 m，Z 方向長為24 m。排水系統(tǒng)由排水溝、排水管組成，排水管間隔為4 m，如圖3 所示，模型都使用實(shí)體單元模擬，共劃分為173 680 個單元，具有184 051 個節(jié)點(diǎn)。邊界條件設(shè)置為模型上表面自由透水，左右前后以及下表面設(shè)置為不透水，由于FLAC3D 默認(rèn)模型邊界為不透水邊界，故這五個面可以不用設(shè)置滲流邊界條件，默認(rèn)為不透水邊界條件。模型位移速度邊界條件除了上表面外都設(shè)置為固定邊界法向位移速度。圍巖和綜合井均做簡化處理，圍巖采用滲透率較低的黏土，Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，綜合井采用彈性本構(gòu)模型，圍巖的參數(shù)如表1 所示，綜合井的參數(shù)如表2 所示。

圖2 計算模型

圖3 排水系統(tǒng)示意圖

表1 黏土計算參數(shù)表

表2 綜合井參數(shù)表

初始地下水位設(shè)置在地表，排水管滲透率設(shè)置為5.1×10-6m2/Pa-sec，綜合井設(shè)置為不透水，圍巖的滲透率設(shè)置為5.1×10-10m2/Pa-sec，排水溝滲透率設(shè)置為5.1×10-6m2/Pa-sec，排水溝在Z 為12.0 m和-12.0 m 的邊界設(shè)置孔隙水壓為0，這樣能保證流入排水溝的地下水能從排水溝排出，排水系統(tǒng)排水過程如圖4 所示。模型首先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，再進(jìn)行開挖后的流固耦合計算。

圖4 排水溝X-Z 截面排水過程示意圖

3 計算結(jié)果

通過流固耦合計算地下通道排水管全排模式中地下水滲流現(xiàn)象，分析地下通道排水對地下水滲流規(guī)律的影響，以及地下水滲流對地下通道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的孔隙水壓力的變化規(guī)律，進(jìn)一步分析孔隙水壓力變化引起的結(jié)構(gòu)受到的最大主壓應(yīng)力變化規(guī)律。

3.1 初始地應(yīng)力平衡計算

在進(jìn)行流固耦合計算之前先計算初始地應(yīng)力，初始地應(yīng)力平衡后，模型孔隙水壓力分布和最大主壓應(yīng)力、綜合井結(jié)構(gòu)排水管分布側(cè)墻的孔隙水壓力和最大主壓應(yīng)力如圖5～圖8 所示。

圖5 模型初始地應(yīng)力平衡孔隙水壓力（單位：P a）

圖6 模型初始地應(yīng)力平衡最大主壓應(yīng)力（單位：P a）

圖8 模型初始地應(yīng)力平衡綜合井側(cè)墻最大主壓應(yīng)力（單位：P a）

圖7 模型初始地應(yīng)力平衡綜合井側(cè)墻孔隙水壓力（單位：P a）

模型孔隙水壓力和主應(yīng)力的大小均隨著深度的增加而增大，整體模型最大孔隙水壓力在深度為70 m的模型底部，數(shù)值為0.7 MPa，最大主壓應(yīng)力分布在模型底部，數(shù)值為1.72 MPa。綜合井最大孔隙水壓力出現(xiàn)在綜合井底部，其數(shù)值為0.5 MPa，最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在綜合井底部，其數(shù)值為1.24 MPa。

3.2 流固耦合計算

初始地應(yīng)力平衡計算完后，將其結(jié)果文件導(dǎo)入，開挖綜合井內(nèi)部的空間，為排水溝賦予孔隙水壓力為0 的邊界條件[8-10]，設(shè)置流固耦合計算模式。模型孔隙水壓力分布和最大主壓應(yīng)力、綜合井側(cè)墻孔隙水壓力分布和最大主壓應(yīng)力分布如圖9～圖12 所示。

圖9 模型孔隙水壓力分布示意圖（單位：P a）

圖10 模型最大主壓應(yīng)力分布示意圖（單位：P a）

圖12 綜合井側(cè)墻最大主壓應(yīng)力分布示意圖（單位：P a）

流固耦合計算模型孔隙水壓力分布以綜合井為中心呈“漏斗形”分布，該“漏斗”邊界與綜合井左右側(cè)墻均相距8 m 左右，最大孔隙水壓力在數(shù)值和出現(xiàn)位置上并沒有變化。整體模型最大主壓應(yīng)力分布與孔隙水壓力的分布相似，在綜合井側(cè)墻底部出現(xiàn)最大主壓應(yīng)力，其數(shù)值為2.7 MPa，綜合井側(cè)墻孔隙水壓力呈現(xiàn)多個“小漏斗”分布形成一個“大漏斗”形的趨勢。其最大主應(yīng)力分布同樣呈現(xiàn)以排水管為中心的多個“小漏斗”形分布，最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)墻底部，其數(shù)值為2.3 MPa。

圖11 綜合井側(cè)墻孔隙水壓力分布示意圖（單位：P a）

3.3 計算結(jié)果分析

通過四根間隔4 m 的排水管進(jìn)行排水，與原地下水和應(yīng)力狀態(tài)對比，發(fā)現(xiàn)地下水滲流趨勢以排水管為中心多個“小漏斗”形的分布，所有“小漏斗”共同組成一個“大漏斗”形的分布范圍?？梢?，地下管道的建設(shè)對于地下水滲流區(qū)域具有一定影響，其影響范圍以地下管道為中心半徑約為18 m 的圓形區(qū)域，地下水在這個區(qū)域形成“漏斗”，孔隙水壓力最大值可認(rèn)為保持不變，變化的只是孔隙水壓力的分布。地下水滲流的變化同樣影響著地下通過結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力分布。地下水滲流分布的改變，對應(yīng)著相同位置處的最大主壓應(yīng)力分布的變化，呈現(xiàn)多個“小漏斗”形成一個“大漏斗”的分布形式，其中最大主壓應(yīng)力值分布位置由原來的結(jié)構(gòu)側(cè)墻底部上移1 m 左右，即出現(xiàn)在排水管的底部區(qū)域，其數(shù)值由原來的1.24 MPa 增大到2.3 MPa。

4 結(jié) 論

（1）地下水滲流規(guī)律受地下通道排水的影響，其受影響的范圍大約為以綜合井為中心的18 m 的圓形范圍區(qū)域。

（2）地下水滲流規(guī)律的變化是以排水管為中心，形成“漏斗”形滲流分布，排水管所形成的“漏斗”形分布共同組成一個大“漏斗”，排水管之間的孔隙水壓力明顯減小。

（3）隨著滲流規(guī)律的變化，結(jié)構(gòu)所受孔隙水壓力也隨之變化，孔隙水壓力的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所受最大主壓應(yīng)力跟隨改變，其變化同樣呈現(xiàn)“漏斗”形分布，以排水管為中心，應(yīng)力值向兩側(cè)逐漸增大，多個排水管形成一個大的應(yīng)力“漏斗”區(qū)，存在排水管的區(qū)域應(yīng)力值明顯低于同等高度的其他結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力值。

（4）結(jié)構(gòu)所受的孔隙水壓力變化只跟隨滲流分布范圍變化，其最大孔隙水壓力的位置和大小并未變化，最大主壓應(yīng)力分布范圍同樣跟隨滲流分布范圍進(jìn)行變化，但其最大主壓應(yīng)力所處的位置和數(shù)值都發(fā)生了變化，最大主壓應(yīng)力分布范圍由整體模型的底部變化到了綜合井底部的位置，其數(shù)值由原來的1.72 MPa 增大到了2.7 MPa。