富水粗砂層地鐵暗挖區(qū)間地表沉降模擬分析

謝美娜

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300)

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富水粗砂層地鐵暗挖區(qū)間地表沉降模擬分析

謝美娜

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300)

摘要：為揭示富水砂質(zhì)圍巖地鐵施工對周圍環(huán)境的影響，采用應(yīng)力釋放法并考慮流固耦合模擬了某富水粗砂層地鐵暗挖區(qū)間開挖及滲水引起的地表沉降過程。模擬結(jié)果表明：地下水向洞內(nèi)滲漏的初期引起地表非均勻沉降，在后期影響范圍內(nèi)地表的沉降增量相差不大，表現(xiàn)為整體沉降；開挖面封閉后，孔隙水向低水頭區(qū)滲流導(dǎo)致拱頂上方地表略有隆起；應(yīng)力釋放與滲水引起的地表沉降最大值出現(xiàn)位置相距約2.5 m；最大地表累計(jì)沉降10.70 mm。表明施工對周圍環(huán)境影響有限。

關(guān)鍵詞：富水砂質(zhì)圍巖；地鐵暗挖；流固耦合；地表沉降

富水砂層在部分沿海城市的地鐵施工中經(jīng)常遇到。富水砂層含水率高、粘聚力低，開挖后自穩(wěn)能力差，容易引起塌方、突砂、突泥等工程事故[1-2]。在深圳、青島等的相關(guān)工程施工中曾發(fā)生過地表變形過大甚至冒頂、塌方等事故。由于圍巖變化復(fù)雜等因素，靈活多變的暗挖法往往優(yōu)于盾構(gòu)法而成為富水砂層地鐵施工中的首選，與盾構(gòu)法相比，采用暗挖法施工對圍巖擾動(dòng)大、施工風(fēng)險(xiǎn)較高[3]。國內(nèi)學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬及室內(nèi)試驗(yàn)研究了富水砂層地鐵暗挖施工對周圍環(huán)境影響。蘇秀婷[4]依托青島地鐵3號線通過現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬研究了富水砂層隧道開挖風(fēng)險(xiǎn)與施工變形規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)降水條件下超前小導(dǎo)管注漿后隧道施工引起的最大地表沉降達(dá)29.27 mm；李濤[5]對深圳地鐵5號線18個(gè)暗挖區(qū)間兩萬多個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，研究表明各區(qū)間平均最大累計(jì)沉降達(dá)82.3 mm、平均橫向影響范圍值達(dá)46.78 m；李海洋[6]依托深圳地鐵2號線的施工實(shí)例，提出了富水砂層地鐵暗挖區(qū)間降水、注漿及襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。已有研究豐富了富水砂層地鐵暗挖區(qū)間設(shè)計(jì)及施工理論，但由于圍巖分布的不確定性，每個(gè)具體工程都須針對性的計(jì)算分析。本文依托的工程為某沿海地鐵暗挖區(qū)間，穿越富水粗砂層，地下水豐富，砂層滲透系數(shù)達(dá)20 m/d，且上方車流密集，地表沉降控制嚴(yán)格、施工難度大?？紫端畨号c圍巖變形是個(gè)相互耦合的過程，本文利用巖土專業(yè)軟件FLAC3D對依托工程開展了數(shù)值模擬，研究施工對周圍環(huán)境的影響。

1 滲流與固結(jié)理論概述

富水砂層中地鐵施工滲水、固結(jié)是典型的流固耦合過程[7]。FLAC3D可以模擬流體在孔隙介質(zhì)中的滲流，并附帶了各向同性、各向異性等滲流模型，可采用孔壓、流量作為邊界條件，程序默認(rèn)為不透水邊界。程序提供了隱式及顯示兩種滲流計(jì)算方法，附帶的所有力學(xué)模型都可以與滲流做耦合分析。滲流、固結(jié)過程滿足平衡方程、運(yùn)動(dòng)方程及本構(gòu)方程。對于不考慮內(nèi)部流體源的小變形，平衡方程如式(1)所示：

(1)

式中：qi為滲流速度(m/s)；ζ為單位體積中流體體積變化量，而ζ滿足式(2)

(2)

式中：M為Biot模量(Pa)；p為孔隙壓力；α為Biot系數(shù)；ε為體積應(yīng)變。

流體的運(yùn)動(dòng)方程滿足Darcy定律，如式(3)所示。

(3)

式中：z為豎向坐標(biāo)(m)；ρf為流體密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；kil為滲透系數(shù)張量(m2/(pa·s))，F(xiàn)LAC3D中滲流系數(shù)的單位不同于工程上常用的m/s，但兩者可以換算。

本構(gòu)方程與力學(xué)模型相關(guān)，考慮滲流的本構(gòu)方程是應(yīng)力、應(yīng)變及孔隙壓力的函數(shù)。本文分析選用Mohr-Coulomb力學(xué)模型，即圍巖在彈性階段應(yīng)力、應(yīng)變滿足線彈性關(guān)系，采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。在程序的數(shù)值計(jì)算中，流體或力學(xué)區(qū)域被離散為8節(jié)點(diǎn)的六面體區(qū)域，而在內(nèi)部每一個(gè)區(qū)域都被劃分為四面體。與緩慢的滲流過程相比，力學(xué)行為可認(rèn)為能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，流固耦合計(jì)算過程中每次滲流子步計(jì)算完成后，須伴隨足夠多的力學(xué)子步迭代以確保平衡。

2 工程概況及模擬方案

依托工程暗挖區(qū)間大致呈東西走向，周邊環(huán)境及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線穿越地下管線和建筑物較多。模擬分析斷面的地質(zhì)剖面如圖1所示。地鐵位于沖、洪積的礫砂層，下部為中風(fēng)化花崗巖。隧道上方有厚約8 m的砂土層。原設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)法施工，因地質(zhì)條件十分復(fù)雜，后變更為暗挖法，并采取了超前小導(dǎo)管注漿等一系列輔助措施。開挖半徑3.0 m，按照“新奧法”原理設(shè)計(jì)施工，采用初支+二襯的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。邊墻布置系統(tǒng)砂漿錨桿，錨桿長3.0 m、間距1.0 m，呈梅花布置。初支采用I22b工字鋼拱架+C25早強(qiáng)噴射混凝土，厚32 cm。

圖1 依托工程地層示意(單位：m)

根據(jù)現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗(yàn)的分析結(jié)果，采用的計(jì)算參數(shù)如表1所示，其中滲透系數(shù)采用工程常用單位m/s。暗挖對圍巖有擾動(dòng)，而注漿加固、錨桿支護(hù)等工程措施能提高圍巖自穩(wěn)能力，假定兩者作用相互抵消，計(jì)算中均不予考慮。根據(jù)“新奧法”原理圍巖自身也是支護(hù)體系的組成部分，類比相似工程確定圍巖、初支承擔(dān)荷載比例分別為20%、40%[8]。模擬應(yīng)力釋放的具體過程為：采用FISH語言獲取開挖輪廓上的節(jié)點(diǎn)編號，定義向量儲(chǔ)存這些節(jié)點(diǎn)力，記為初始節(jié)點(diǎn)力，在開挖及支護(hù)階段對開挖輪廓施加節(jié)點(diǎn)力。開挖、出渣等工序期間，開挖輪廓面為透水邊界且孔隙水壓為0，持續(xù)時(shí)間為4 h。噴射混凝土支護(hù)后，開挖輪廓面成為不透水邊界。計(jì)算過程持續(xù)至開挖后的20 h。

表1 計(jì)算采用的參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

開挖應(yīng)力釋放20%，引起的圍巖豎向沉降如圖2所示。最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂，約9.16 mm，仰拱略微隆起約0.14 mm。利用FISH語言提取地表節(jié)點(diǎn)豎向沉降值，繪制成圖3所示。應(yīng)力釋放引起地表沉降最大值為7.88 mm，出現(xiàn)在拱頂正上方。距拱頂正上方大于15 m后，地表出現(xiàn)整體沉降，沉降值約2.82 mm。

圖2 應(yīng)力釋放引起的沉降

圖3 應(yīng)力釋放引起的地表沉降

開挖及出渣期間，孔隙水沿開挖面滲入洞內(nèi)，拱部上方圍巖產(chǎn)生固結(jié)。為反映固結(jié)沉降值，將開挖引起的位移清零。典型時(shí)刻孔隙水壓及豎向沉降如圖4所示。開挖1 h后，在開挖輪廓附近形成低孔隙水壓區(qū)域，拱部孔隙水壓受影響較大，最大固結(jié)沉降值約2.38 mm。開挖4 h后，低孔隙水壓區(qū)的面積進(jìn)一步增大，其孔隙水壓等值線大致呈碗狀，圍巖最大固結(jié)沉降值增大至3.29 mm，主要固結(jié)區(qū)域集中在圍巖內(nèi)部。初期支護(hù)后，開挖輪廓變?yōu)椴煌杆吔?，孔隙水向拱部上方低水頭區(qū)域滲流，開挖輪廓附近的低孔隙水壓區(qū)逐漸消失，孔隙水壓等值線大致呈水平分布，最大固結(jié)沉降值降至2.92 mm，主要固結(jié)區(qū)域延伸至地表。

圖4 不同階段孔隙水壓及豎向沉降

提取典型時(shí)刻地表沉降數(shù)據(jù)繪制成圖5所示。開挖1 h后，拱頂上方沉降2.02 mm，距其20 m處地表沉降0.41 mm。此后各處地表沉降增量相差不大，即表現(xiàn)出整體下沉。隨著開挖輪廓面的封閉，孔隙水向圍巖中低孔隙水壓區(qū)域滲流，開挖后10 h及20 h拱部上方地表略有隆起，而距其較遠(yuǎn)區(qū)域地表繼續(xù)下沉。與圖3對比可以發(fā)現(xiàn)滲水與應(yīng)力釋放引起的地表沉降特征存在差異，與應(yīng)力釋放引起的最大地表沉降位于拱頂正上方不同，滲水引起的地表沉降其最大值位置距拱頂正上方約2.5 m。通過圖3與圖4可以確定最大地表累計(jì)沉降為10.70 mm，而現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為12.61 mm，由于未考慮行車荷載等因素計(jì)算值略小于實(shí)測值。目前，周邊環(huán)境復(fù)雜、地下管線密布、建(構(gòu))筑物密集等地表沉降控制嚴(yán)格的城市中心區(qū)，其地表沉降控制基準(zhǔn)一般設(shè)為30 mm[9-10]，依托工程最大地表累計(jì)沉降的計(jì)算值與實(shí)測值均表明施工對周圍環(huán)境的影響是可承受的。

4 結(jié)論

(1)應(yīng)力釋放與孔隙水入滲引起的地表沉降其特征存在差異，滲水引起的地表沉降在拱部上方變化較平緩，且其最大值出現(xiàn)位置距拱頂正上方約2.5 m。

圖5 典型時(shí)刻地表沉降曲線

(2)孔隙水向洞內(nèi)入滲形成碗狀的低孔隙水壓區(qū)域，開挖面封閉16 h后，孔隙水壓等值線基本水平。

(3)在孔隙水向洞內(nèi)入滲階段，前期拱部上方地表沉降較大，后期受影響區(qū)各處地表沉降增量相差不大。開挖面封閉后，拱部上方地表略有隆起。

(4)由于開挖面及時(shí)封閉，滲流引起的最大地表沉降為2.98 mm，小于應(yīng)力釋放引起的7.88 mm。最大地表累計(jì)沉降的計(jì)算值與實(shí)測值均小于30 mm的警戒值，施工對周圍環(huán)境的影響是可接受的。

參考文獻(xiàn)

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A Simulation Analysis of the Ground Settlement in the Tunneled Section of a Coarse Sand Stratum Abundant with Water

Xie Meina

( The Rail Transit Engineering Co. Ltd. of the 19th Bureau Group of China Railway,Beijing 101300,China )

Abstract:To reveal the influence of the subway construction in rich-water coarse sand stratum on the surrounding environment,the stress-releasing method is applied to simulating the excavation-and-seepage-caused ground settling process of the tunneled section for the metro in the rich-water coarse sand stratum,with the fluid-solid coupling taken into consideration in the meantime.The simulated result shows that 1) uneven settlement appears in the earlier period when the groundwater seeps into the tunnel of the metro,while the ground surface settlement increment in the influenced area shows little difference in the later period, with the ground surface settling as a whole;2)After the closure of the excavated face,the groundwater seepage into the lower-water-headed area results in somewhat upheaval of the ground surface right above the vault. 3)the distance between the stress-releasing-caused ground surface settlement location and the greatest value of the seepage-caused ground surface settlement is about 2.5 m;4)the maximum accumulated ground surface settlement is 10.70 mm. It is proved that the effect of the construction on the surrounding environment is limited and acceptable.

Key words:rich-water sandy surrounding rock;tunneling for the metro;fluid-solid coupling;ground settlement

收稿日期：2016-01-21

作者簡介：謝美娜(1982—)，女，工程師，主要從事地鐵施工和施工造價(jià)及合同管理方面的工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.012

中圖分類號：U456.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1672-3953(2016)03-0045-04