盾構(gòu)過富水砂層流—固耦合數(shù)值模擬計(jì)算

張遠(yuǎn)榮，肖文海，尤慶忠

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東 深圳 518034;2.廈深鐵路廣東有限公司，廣東 深圳 518301)

1 工程簡介

深圳地鐵2號線工程西起南山區(qū)赤灣站，東止羅湖區(qū)新秀站，線路全長35.78 km，均為地下線。2號線2205標(biāo)段盾構(gòu)工程共有2個區(qū)間，分別是東角頭站—水灣站和水灣站—海上世界站區(qū)間。地表既有建筑物主要集中在東角頭站—水灣站區(qū)間，土質(zhì)為富水砂層，本文運(yùn)用FLAC3D有限差分程序進(jìn)行本段沉降的數(shù)值模擬計(jì)算。

該段隧道上覆第四系地層:人工填土、洪沖圓礫、洪沖黏土，隧道側(cè)墻巖土層為洪沖礫砂、礫(砂)質(zhì)黏土，隧道基底為礫(砂)質(zhì)黏土、全風(fēng)化粗?；◢弾r。上覆軟弱土層厚度為10.2～13.0 m。

地下水以經(jīng)常滲水、滴水為主，頂板砂層地段易涌水，局部鉆孔和礫(砂)質(zhì)黏土見強(qiáng) ～中等風(fēng)化巖碎塊，在CK5+058.9里程附近出現(xiàn)微風(fēng)化狀風(fēng)化球，且上部建筑物以天然地基為主。

2 FLAC3D計(jì)算模型

建立如圖1所示盾構(gòu)過富水砂層流—固耦合計(jì)算模型，模型寬×長×高為100 m×90 m×32 m。

地表沉降計(jì)算點(diǎn)、實(shí)測點(diǎn)與孔壓計(jì)算點(diǎn)位置示意如圖 2，其中 a1，a2，a3，h1，h2，h3 為地表沉降計(jì)算點(diǎn)，106，107，183，184 為地表沉降實(shí)測點(diǎn)，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H為孔壓計(jì)算點(diǎn)。

土體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾—庫倫模型，注漿、管片等為各向同性彈性體。在富水砂層中模擬盾構(gòu)開挖計(jì)算過程中所采用的有關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1。

圖1 盾構(gòu)過富水砂層流—固耦合計(jì)算模型(單位:m)

圖2 地表沉降計(jì)算點(diǎn)、實(shí)測點(diǎn)與孔壓計(jì)算點(diǎn)位置示意

3 流—固耦合數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 沉降計(jì)算結(jié)果及分析

在給定模型的力學(xué)參數(shù)和邊界條件下，求解場地初始應(yīng)力和孔隙水壓力。經(jīng)過流—固耦合計(jì)算后，可得縱、橫剖面豎向沉降分布云圖，縱剖面地面沉降時程曲線及縱、橫剖面孔隙水壓力。計(jì)算結(jié)果分別見圖3—圖10。從縱剖面圖3看，開挖前后兩端沉降較大，越靠近邊界沉降越大。這個計(jì)算結(jié)果可能由于以下三個方面的原因:①快速開挖引起的較大的沉降;②邊界效應(yīng);③兩者共同作用的效果。

表1 模型場地土層和開挖相關(guān)模擬單元的力學(xué)參數(shù)

圖3 X=0處縱剖面豎向沉降分布云圖

從隧道的橫剖面(見圖4)看開挖沉降，自隧道拱頂開始到地表，沉降依次減小。拱頂最大1.5 cm左右，隧道拱底及兩側(cè)土體有微量的隆起，但量值較小。

通過對盾構(gòu)開挖引起地表縱、橫剖面沉降的分析(見圖5、圖6)，可知盾構(gòu)推進(jìn)時，掌子面地表先隆起，隆起量約1 cm。盾構(gòu)通過后，由于盾尾空隙、地層土應(yīng)力與孔隙水壓力消散等共同作用，地表開始產(chǎn)生沉降，沉降量約2～3 cm。在盾構(gòu)管片安裝后，地表沉降趨于穩(wěn)定。通過橫、縱剖面地表沉降計(jì)算值與實(shí)測值的對比，可知地表沉降變化趨勢及量值的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較吻合。

圖4 橫截面Y=30 m的沉降分布云圖

圖5 盾構(gòu)開挖正上方縱截面沉降計(jì)算值與實(shí)測值

圖6 隧道橫截面沉降計(jì)算值與實(shí)測值

3.2 孔壓計(jì)算結(jié)果及分析

通過對盾構(gòu)隧道開挖縱剖面孔隙水壓力的計(jì)算(見圖7)，可知隧道上方砂性土層孔隙水壓力在盾構(gòu)通過后消散較快，隧道下方黏土層的孔隙水壓力還保留著開挖時的降壓特征，孔隙水壓力消散較慢。

圖7 X=0處縱剖面(Y:30～60 m)孔壓分布云圖

通過對縱剖面各點(diǎn)孔隙水壓力消散時程曲線(見圖 8、圖9)分析，可知盾構(gòu)推進(jìn)時，掌子面孔隙水壓力先上升，盾尾通過時，孔隙水壓力消散，隧道管片安裝后，孔隙水壓力逐漸恢復(fù)且趨于穩(wěn)定。并且靠隧道拱頂位置越近，孔隙水壓力量值越大。

圖8 隧道縱剖面A，B，C，D點(diǎn)孔隙水壓力消散時程曲線

圖9 隧道縱剖面E，F(xiàn)，G，H點(diǎn)孔隙水壓力消散時程曲線

通過對盾構(gòu)隧道開挖橫剖面孔隙水壓力的計(jì)算結(jié)果分析(見圖10)，可知盾構(gòu)隧道開挖后，隧道周圍孔隙水壓力在縱向上呈現(xiàn)一條減壓帶，橫斷面上孔隙水壓力消散情況基本相同。

4 結(jié)論

1)盾構(gòu)在富水砂層推進(jìn)過程中，對于隧道軸線上任一橫斷面而言，盾構(gòu)機(jī)在到達(dá)該橫斷面前，地表先隆起，盾構(gòu)通過后地表產(chǎn)生沉降。

圖10 橫截面Y=30 m的孔壓分布云圖

2)離隧道縱斷面中心線越遠(yuǎn)，盾構(gòu)施工引起的地表沉降越小。

3)在富水砂層中，盾構(gòu)機(jī)掌子面正前方孔隙水壓力先升高，盾尾通過后孔隙水壓力消散，隧道管片安裝后，孔隙水壓力逐漸恢復(fù)?？克淼拦绊斘恢迷浇紫端畨毫α恐翟酱笄亿呌诜€(wěn)定。隧道周圍孔隙水壓力在縱向上呈現(xiàn)一條減壓帶，橫斷面上孔隙水壓力消散情況基本相同。

［1］彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［3］邢心魁，史艷忠，宋戰(zhàn)平.土質(zhì)隧道施工期圍巖變形性狀的分析研究［J］.鐵道建筑，2009(2):40-43.

［4］魏綱，劉加灣.盾構(gòu)法隧道統(tǒng)一土體移動模型參數(shù)取值研究［J］.鐵道建筑，2009(2):48-51.

［5］蘇春暉，馬建林，李曙光，等.富水黃土圍巖含水量變化對隧道穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析［J］.鐵道建筑，2008(4):32-34.