管片透水条件的地铁隧道长期沉降数值计算
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【摘要】采用PLaxis3d对隧道管片透水条件下引起的地层长期沉降情况进行了研究分析。通过隧道施工完成瞬时地层的沉降云图、隧道施工完成瞬时地层中的超静孔隙水压力分布图等分析可知，管片透水诱发地层长期沉降主要是地层中的渗流场决定的。管片透水时造成的地表最大沉降约为不透水时的2倍，地表沉降槽宽度也约为管片不透水时的2倍。
1引言
随着城市地铁的大量投入使用，地铁隧道的长期沉降问题也越来越受关注。目前隧道开挖的瞬时或短期效应已经有了较为充分的研究，隧道开挖对周边深基坑、地下管线的研究成果也很多。国外学者对隧道长期沉降研究的主要手段有现场长期监测、数值模拟等，研究重点主要是由于隧道管片的透水性诱发隧道与周边地下水形成稳定渗流的影响。我国软土地区隧道工程修建较晚，但软土中地铁隧道在运营后的沉降现象日益严重，地铁隧道的过大不均匀沉降会对地铁结构本身和接头的安全性、耐久性及防水性等产生影响，严重的不均匀沉降甚至会威胁轨道的平顺度、乘坐舒适度及地铁的安全运营。因此，隧道长期沉降问题也已引起相关学者的重视，最近已有关于隧道管片局部渗漏引起的长期沉降问题研究成果出现。隧道的长期沉降会造成隧道上下方向空间的减小和左右方向空间的增加，势必恶化隧道结构的受力，降低隧道结构的安全度，这就要求隧道结构在规划设计阶段考虑隧道可能的长期沉降影响。与隧道长期沉降相伴的是隧道周围地层的长期变形问题，隧道地层的长期变形特点目前还缺乏相应的资料。隧道周围地层的长期变形势必会对地层中的构建筑物的受力和变形造成影响，其影响规律研究目前仍为空白。
2软土隧道长期沉降的研究现状
城市地铁的长期沉降，尤其是建设在软弱、高压缩性土体中的隧道的长期沉降有时相当显著[1]，更重要的是，在地铁运营过程中不断发展的长期沉降对地铁结构、车站和隧道都可能产生严重的破坏作用。Shirlaw[2]在研究大量隧道长期沉降实测数据的基础上曾得到如下结论：在正常情况下，隧道的长期沉降占总沉降量中的比例在30%~90%之间变化，而且，伴随着长期沉降的增加，地面沉降槽的宽度也会相应增加。英国剑桥大学教授Mair在2008年第16届朗肯讲座上做了隧道与土工技术的报告。他在总结多年的研究成果基础上他指出，影响隧道长期沉降发展的主要因素有：（1）隧道开挖引起的周围土体的超孔隙水压力大小和分布；（2）土体的压缩性和渗透特性；（3）渗流边界条件，尤其是隧道衬砌相对于土体的渗透性；（4）隧道施工前的孔隙水压力分布。相对于土体渗透性的隧道衬砌的渗透性更是尤为重要。Mair教授的建议对研究隧道长期沉降问题指明了方向。盾构隧道在饱和土体中建成后，由于隧道内外存在较大的水头差，不可避免的造成隧道渗漏的现象。渗漏又使周围土体的孔压减小、有效应力增大，进而引起地层沉降。隧道周围超孔隙水压力的分布状况对长期沉降的发展起着相当大的影响，而隧道周围超孔隙水压力的大小和分布情况取决于地层土性特点以及隧道施工过程中对周围土体的扰动状态，即周围土体处于加载挤压状态还是卸载状态（Mair，O'Reilly[3]，Shin[4]）。Clough等[5]曾经对土压平衡盾构施工引起的隧道周围的孔隙水压力的变化进行观察，发现盾构施工过程中隧道轴线两侧的孔隙水压力有明显升高的趋势。Lee等[6]在现场实测数据的基础上对上海地铁2号线隧道盾构施工引起的孔隙水压力的分析也表明，盾构施工在隧道下半部的周围土体中产生较大的超孔隙水压力。马险峰[7]采用离心机试验模拟了上海8号线隧道由施工产生的超孔隙水压力消散引起的长期沉降问题。
3模型的建立
有限元可以反映结构、土体以及流体间复杂的相互作用，是分析隧道施工诱发地层变位短期及长期效应的最佳选择。采用PLaxis3d研究分析隧道管片透水条件下引起的地层长期沉降情况，并与短期沉降对比，分析长短期沉降的特点。考虑某隧道埋深为25m，隧道直径为6m，管片厚度0.3m，土体采用HSsmall本构模型模拟。该本构模型在HS模型的基础上考虑了土体微小应变条件下土体刚度的特点，能较好地反映土工问题的变形。土体计算参数如下：土体有效内摩擦角φ′=25°，有效黏聚力c′=5kPa，饱和重度γsat=20kN/m3，参考压缩模量Erefoed=10MPa，参考割线刚度Eref50=10MPa，参考卸荷再加荷模量Erefur=30MPa，m值可取为0.9，卸载再加载泊松比νur取为0.2；γ0.7=1×10-3，Gref0=106MPa，参考应力pref取为100kPa；土体渗透系数k=0.0861×10-3m/d，地下水位位于地表。为了消除渗流边界影响，模型的水平方向距离为200m，竖向距离50m。土体单元由10节点四面体单元模拟。计算中考虑地层损失比为2%。
4计算结果分析
通过计算可得隧道施工完成瞬时地层的沉降云图。由地层的瞬时沉降云图可以发现，隧道施工完成时，地层中最大沉降为27.7mm，发生在隧道顶部位置，地层中的最大回弹量为7mm，发生于隧道下部位置。由于隧道施工过程对地层扰动，在隧道周围地层中产生了显著的超静孔隙水压力。由隧道施工产生的超静孔隙水压力消散后地层的沉降云图分析可得，地层中超静孔隙水压力消散后，地层中隧道顶部的最大沉降由隧道施工完成瞬间的27.7mm降低为25.36mm。考虑隧道管片透水时，地层中稳定渗流场形成后，由于隧道管片透水，在地层中形成稳定渗流后，地层的最大沉降增加至31.76mm。地层中稳定渗流场形成，地层沉降稳定后，地层中的孔隙水压力分布云图。由于隧道管片透水，在地层中形成稳定渗流后，在隧道周围水面显著下降，从而引起地层的进一步沉降。隧道施工产生的超静孔隙水压力消散完成，以及考虑管片透水在地层中形成稳定渗流场，地表的沉降槽分布曲线。隧道施工完成后地层表面的最大沉降为10.37mm，沉降槽宽度为17.7m，超静孔隙水压力消散完成后地层表面的最大沉降为9.96mm，沉降槽宽度为17m，地层长期沉降稳定后地层表面的最大沉降为21.07mm，沉降槽宽度为95.1m。
5结论
通过有限元计算分析表明，当管片完全透水时，将会引起隧道周围地层中地下水位的显著降低，造成地层沉降增加。本文案例的计算结果及对比表明，管片透水时造成的地表最大沉降为不透水时的近2倍，地表沉降槽宽度显著增加，也是不透水时的近2倍。对比分析隧道管片透水时地层表面沉降槽与施工结束瞬时、超静孔隙水压力消散完毕的结果，可以发现，管片透水诱发地层长期沉降主要是地层中的渗流场决定的。
【参考文献】
[1]MairRJ,TaylorRN.Themelecture:Boredtunnelingintheurbanenvironment[C].ProceedingsoftheFourteenthInternationalConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering.1997.2353-2385.
[2]ShirlawJN.Observedandcalculatedporepressuresanddeformationsinducedbyanearthbalanceshield:Discussion[J].CandianGeotechnicalJournal,1995，32(1):181～189.
[3]O'ReillyMP,MairRJ,AldermanGH.Long-termsettlementsovertunnels:aneleven-yearstudyatGrimsby.ProceedingsofConferenceTunnelling[D].London:InstitutionofMiningandMetallurgy,1991:55-61.
[4]ShinJH,AddenbrookeTL,PottsDM.Anumericalstudyoftheeffectofgroundwatermovementonlong-termtunnelbehavior[J].Géotechnique,2002,52(6):391-103.
[5]CloughGW,LecaE.EPBshieldtunnelinginmixedfaceconditions[J].JournalofGeotechnicalEngineering,1993,119(10):1610-1656.
作者:张清林 秦会来 单位:中国建筑股份有限公司技术中心 中建一局集团建设发展有限公司