曹鵬飛 袁宗義 陳昭陽(yáng) 邱友根 陳祥勝 石鈺鋒,

(1.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，330038，南昌；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，510290，廣州；3.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，330013，南昌∥第一作者，高級(jí)工程師)

0 引言

在富水砂層中，由于地下水位升降速率存在差異，以不同速率升降的地下水對(duì)土體產(chǎn)生不同的滲流力，引起盾構(gòu)隧道襯砌內(nèi)力變化，對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響。因此，有必要針對(duì)地下水位變化速率對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌應(yīng)力的影響進(jìn)行分析。

文獻(xiàn)[1]結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究，發(fā)現(xiàn)水位變化對(duì)隧道上浮值波動(dòng)幅度影響較大；文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了三維應(yīng)力-孔隙壓力耦合有限元分析，證實(shí)了地下水位下降和過(guò)度沉降之間的直接聯(lián)系；文獻(xiàn)[3-4]采用復(fù)變函數(shù)理論，提出了地下水升降影響下盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的周?chē)貙?、襯砌變形和應(yīng)力計(jì)算方法，指出水位下降過(guò)程中，隧道上方土體的有效應(yīng)力顯著增大；文獻(xiàn)[5-6]對(duì)高水壓條件下盾構(gòu)隧道管片力學(xué)特征進(jìn)行分析，得出管片在水壓情況下的破壞規(guī)律以及管片內(nèi)力大小和分布特征；文獻(xiàn)[7]通過(guò)理論分析、模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出水下復(fù)合式襯砌的水壓特征；文獻(xiàn)[8]針對(duì)國(guó)內(nèi)4種典型盾構(gòu)隧道，分析了不同覆土條件下水位變化對(duì)管片內(nèi)力的影響，指出砂卵石地層中管片彎矩隨水位升高不斷減??；文獻(xiàn)[9]結(jié)合隧址區(qū)的地形地質(zhì)及水文條件對(duì)施工期作用在盾構(gòu)主體結(jié)構(gòu)上的水壓力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，得出了施工期外水壓力的分布規(guī)律；文獻(xiàn)[10]依托新圓梁山隧道工程，采用數(shù)值分析方法研究了3種隧道襯砌斷面在全環(huán)均勻水壓力下的內(nèi)力分布特征，發(fā)現(xiàn)在不同的襯砌結(jié)構(gòu)形式下，襯砌軸力值和彎矩值與水壓力均呈線性關(guān)系，不同襯砌斷面形式下軸應(yīng)力相差不大；文獻(xiàn)[11-12]針對(duì)高水壓盾構(gòu)隧道進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，指出在高水壓作用下襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形都較大，襯砌結(jié)構(gòu)上存在較大的縱向彎矩；文獻(xiàn)[13]通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析不同降雨強(qiáng)度下隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形，發(fā)現(xiàn)降雨入滲后隧道結(jié)構(gòu)變形和受力增加明顯,其中,拱頂沉降增幅達(dá)到46%,隧道初期支護(hù)應(yīng)力增加20%～27%；文獻(xiàn)[14]采用FLAC 3D軟件和Cam-Clay模型分析不同潛水水位或受限承壓水位下的地面沉降和隧道襯砌內(nèi)力，在潛水水條件下，考慮滲流的最大沉降值比不考慮滲流的沉降值高50%；文獻(xiàn)[15]采用數(shù)值法對(duì)曼谷地鐵延長(zhǎng)線穿湄南河隧道在不同的排水狀態(tài)下圍巖的孔隙水壓力以及隧道襯砌內(nèi)力的分布規(guī)律進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[16]對(duì)礦井支護(hù)的靜水壓力進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[17]通過(guò)對(duì)首爾地鐵5號(hào)線水下隧道工程研究，得出滲流力對(duì)襯砌的影響。

上述研究，針對(duì)盾構(gòu)隧道在不同水壓狀況及地下水位變化的條件下，對(duì)隧道管片的內(nèi)力及沉降進(jìn)行了研究及分析。但大多未體現(xiàn)地下水位不同升降速率對(duì)隧道襯砌內(nèi)力的影響。本文依托南昌市某既有地鐵隧道工程，采用數(shù)值模擬手段，并根據(jù)南昌地區(qū)水位升降規(guī)律，擬定若干工況，分析地下水升降速率對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌內(nèi)力的影響情況。

1 工程概況

1.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)及周邊環(huán)境

南昌某地鐵區(qū)間隧道位于砂土層，其特點(diǎn)是含砂量大且非砂和小卵石含量小于10%，鄰近贛江和碟子湖，故地下水豐富。隧道外徑為6.2 m，襯砌采用C50鋼筋混凝土，厚度為30 cm；環(huán)寬1.2 m，隧道埋深為15.4～21.4 m。其地層剖面圖如圖1所示。

圖1 南昌某地鐵隧道地層剖面圖

1.2 水文條件

該工程位于南昌市東北部，距離贛江約1 500 m，距離碟子湖約2 700 m。贛江汛期一般為4～6月份，受長(zhǎng)江水位影響，水位漲落歷時(shí)長(zhǎng)，升降速率較小，水位升降幅度達(dá)3～13 m。8月以后，水位開(kāi)始緩慢消退；10月至次年3月為枯水期，碟子湖為贛江及瀛上河的調(diào)洪湖泊，汛期調(diào)洪時(shí)水位升降幅度達(dá) 2～14 m，速率最高可達(dá)1.8 m/d。該地區(qū)砂層滲透系數(shù)為 75～120 m/d。

2 滲流分析

2.1 模型建立

由于該地區(qū)雨水充足，地下水流動(dòng)速率較大，地鐵隧道常年受地下水影響，因此有必要對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道受不同升降速率的地下水影響的特征進(jìn)行分析。

采用Plaxis軟件建立有限元模型，對(duì)隧道某一截面進(jìn)行流固耦合分析。因地下水實(shí)際分布平緩，為較準(zhǔn)確地模擬地下水滲流和消除模型尺寸效應(yīng)，故假定所有工況下模型中的地下水按所設(shè)水位由左向右流動(dòng)。取模型尺寸X方向?yàn)樗淼乐睆降?5倍(即92 m)，Y方向?yàn)樗淼乐睆降?倍(即50 m)，隧道外徑為6.2 m，襯砌厚度為0.3 m。土層從上往下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，共6層。隧道周邊土體及襯砌采用網(wǎng)格加密處理，模型底部及側(cè)面約束位移，如圖2所示。在各工況中，對(duì)地下水滲流邊界1、2區(qū)設(shè)置相應(yīng)滲流邊界條件。模型的地下水位標(biāo)高鄰近碟子湖為-5 m，鄰近贛江水位標(biāo)高為-15 m，盾構(gòu)隧道始終處于地下水位以下。

2.2 工況擬定

碟子湖水位升降幅度達(dá)2～14 m，速率最高可達(dá)1.8 m/d，且砂層滲透系數(shù)較大，由此建立的工況如表1所示。

表1工況中上升10 m是指模型左側(cè)地下水位由-15 m上升至-5 m，下降10 m是指模型左側(cè)地下水位由-5 m下降至-15 m。當(dāng)?shù)叵滤仙龝r(shí)，滲流邊界1區(qū)為流入邊界，滲流邊界2區(qū)為流出邊界；地下水下降時(shí)，滲流邊界1區(qū)為不透水邊界，滲流邊界2區(qū)為流出邊界。滲流邊界1、2區(qū)如圖2所示。

圖2 南昌某地鐵隧道有限元模型圖

表1 計(jì)算工況

因該隧道為既有運(yùn)營(yíng)隧道，故建模時(shí)先對(duì)隧道土體進(jìn)行開(kāi)挖及施作襯砌，待周邊土體進(jìn)行應(yīng)力重分布、變形和地下水平衡后，對(duì)模型進(jìn)行位移清零。繼而分別對(duì)各工況進(jìn)行計(jì)算分析。

2.3 本構(gòu)模型及參數(shù)選取

計(jì)算模型的各土層采用HS-small材料模型，隧道襯砌采用實(shí)體單元模擬，各土層及隧道襯砌參數(shù)取值如表2所示。

表2 土體參數(shù)

2.4 測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

為方便后期分析襯砌受力情況，將襯砌網(wǎng)格劃分為6層，并選取拱頂、右拱肩、左拱腳和左拱肩4個(gè)位置進(jìn)行分析，標(biāo)號(hào)分別為a、b、c、d，如圖3所示。

圖3 隧道襯砌實(shí)體單元細(xì)部圖

3 模型正確性驗(yàn)證

分別選取某斷面9～10月份(歷時(shí)28 d，水位下降9.6 m)和5月1日至5月16日(汛期調(diào)洪階段，歷時(shí)16 d，水位上升10.5 m。)，共44 d的隧道襯砌在地下水影響下拱頂?shù)某两怠⑺轿灰坪退淼浪窖€收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與有限元模擬地下水下降速率為0.33 m/d和上升速率為0.67 m/d時(shí)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的正確性。

圖4為地下水下降速率為0.33 m/d時(shí)，拱頂a點(diǎn)處沉降監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬值曲線圖。如圖4 a)所示，拱頂沉降最大計(jì)算值為1.42 mm,監(jiān)測(cè)值約為1.45 mm；如圖4 b)所示，拱頂最大水平位移的計(jì)算值為0.43 mm,監(jiān)測(cè)值約為0.38 mm；如如圖4 c)所示，隧道水平腰線最大收斂值的計(jì)算值為0.94 mm，監(jiān)測(cè)值約為0.92 mm。其他計(jì)算值相對(duì)監(jiān)測(cè)值都有一定的增減幅度。

圖4 水位下降速率為0.33 m/d時(shí)拱頂監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線圖

圖5為地下水上升速率為0.67 m/d時(shí)，拱頂a點(diǎn)處沉降監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬值曲線圖。如圖5 a)所示，拱頂沉降最大值的計(jì)算值為1.56 mm，監(jiān)測(cè)值約為1.58 mm；如圖5 b)所示，拱頂最大水平位移的計(jì)算值為0.72 mm，監(jiān)測(cè)值約為0.79 mm；如圖5 c)所示，隧道水平腰線最大收斂值的計(jì)算值為1.21 mm，監(jiān)測(cè)值約為1.15 mm。其他計(jì)算值相對(duì)監(jiān)測(cè)值同樣都有一定的增減幅度。

圖5 水位上升速率為0.67 m/d時(shí)拱頂監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線圖

但考慮到監(jiān)測(cè)的可允許誤差，拱頂?shù)某两当O(jiān)測(cè)值及水平位移值與模型計(jì)算值總體吻合，且變化趨勢(shì)一致，表明該數(shù)值模擬基本合理。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 襯砌軸力和彎矩分析

圖6～7分別為高、低水位情況下，隧道襯砌的彎矩和軸力分布圖。由圖6～7可知，地下水位在不同位置時(shí)，襯砌最大彎矩及其軸力均位于拱腰，且襯砌左側(cè)彎矩及其軸力相對(duì)較大，其值分別為-120.5 kN·m、-116.2 kN·m、732.6 kN、710.4 kN、-145.3 kN·m、-134.8 kN·m、656.1 kN、652.3 kN。高水位時(shí)，襯砌的軸力相比低水位時(shí)較大，但彎矩較小。

圖6 高水位時(shí)襯砌彎矩、軸力分布圖

圖7 低水位時(shí)襯砌彎矩、軸力分布圖

4.2 軸力值分析

表3～6分別為拱頂、右拱肩、左拱腳和左拱肩的軸力值。由表3～6的數(shù)據(jù)可知：軸力隨水位上升不斷增加，隨水位下降不斷減小，且水位以不同速率在上升或下降時(shí)，軸力變化一致。

表3 拱頂a點(diǎn)軸力值

表4 右拱肩b點(diǎn)軸力值

表5 左拱腳c點(diǎn)軸力值

表6 左拱肩d點(diǎn)軸力值

4.3 彎矩分析

圖8～11分別為隧道襯砌拱頂、右拱肩、左拱腳、左拱肩彎矩變化曲線圖。

圖8 拱頂a點(diǎn)彎矩變化曲線圖

圖9 右拱肩b點(diǎn)彎矩變化曲線圖

1)由圖8 a)、9 a)、10 a)、11 a)可知：彎矩均隨地下水位上升不斷減小，且各工況下彎矩變化曲線存在差異。彎矩絕對(duì)值大小關(guān)系為：工況1>工況2>工況3。各點(diǎn)彎矩相對(duì)工況3的增量如表7所示。

表7 地下水位上升時(shí)相對(duì)工況3的彎矩增量

2)由圖8 b)、9 b)、10 b)、11 b)可知：彎矩均隨著地下水位下降不斷增加，且各工況下的彎矩變化曲線存在差異。彎矩絕對(duì)值大小關(guān)系為：工況4>工況5>工況6。各點(diǎn)彎矩相對(duì)于工況6的增量如表8所示。

圖10 左拱腳c點(diǎn)彎矩變化曲線圖

圖11 左拱肩d點(diǎn)彎矩變化曲線圖

表8 地下水位下降時(shí)相對(duì)工況6的彎矩增量

3)地下水位于-15 m時(shí)，由水位下降所得彎矩相比水位上升,在拱頂a點(diǎn)處增大30.5%，在右拱肩b點(diǎn)處增大36.7%，在左拱肩d點(diǎn)處增大34.2%，在左拱腳c點(diǎn)處增大35.7%。平衡后，各點(diǎn)彎矩增量近似為0。當(dāng)?shù)叵滤挥?5 m時(shí)，各點(diǎn)彎矩在不同工況中近似相等。

5 結(jié)論

1)地下水以不同速率升降時(shí)，對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響不同。水位上升，彎矩減?。凰幌陆担瑥澗卦龃?。

2)水位以不同速率上升或下降10 m時(shí)，對(duì)襯砌初始和最終彎矩?zé)o影響，但對(duì)其變化過(guò)程有一定影響。

3)當(dāng)水位升降速率大于0.33 m/d時(shí)，下降過(guò)程對(duì)襯砌彎矩影響大于上升過(guò)程，且當(dāng)水位平衡于某點(diǎn)時(shí)，下降過(guò)程所得彎矩大于上升過(guò)程。

4)當(dāng)?shù)叵滤邓俾史秶鸀?～0.33 m/d時(shí)，對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌內(nèi)力彎矩影響較??；當(dāng)速率大于0.33 m/d時(shí)，對(duì)隧道襯砌內(nèi)力影響較大，且隨著速率增加，對(duì)襯砌內(nèi)力的影響不斷增大。