地下水位回升對(duì)地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

魏 月

（山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250000）

隨著城市建設(shè)的不斷擴(kuò)大，城市地面可利用空間逐年減少，導(dǎo)致地下空間開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越多[1]。近年來(lái)，地下工程建設(shè)快速發(fā)展，工程規(guī)模越來(lái)越大，地下結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)地下水的控制也越來(lái)越嚴(yán)格，由地下水帶來(lái)的安全問(wèn)題越來(lái)越多[2]。因此，地下水對(duì)城市地鐵隧道建設(shè)的影響受到不少學(xué)者的重視，包括地下水對(duì)隧道施工的安全、后期運(yùn)營(yíng)的影響，總結(jié)出了不少應(yīng)用型成果[3]。隨著地下工程建設(shè)的增多，以及近年來(lái)我國(guó)對(duì)地下水資源的保護(hù)，地下水位有回升趨勢(shì)，但其對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響，幾乎很少有人關(guān)注，對(duì)這方面的研究不足，導(dǎo)致很多由于地下水位回升引起的災(zāi)害無(wú)從下手[4]。國(guó)際上已經(jīng)有學(xué)者開(kāi)始重視對(duì)水位回升影響地下結(jié)構(gòu)的研究，英、美、法、日等國(guó)家均出現(xiàn)由于地下水位回升引起工程災(zāi)害，如英國(guó)伯明翰市有的建筑物基礎(chǔ)被淹沒(méi)、利物浦不列顛鐵路隧道抽出水量增大、倫敦市附近地下水位年上升量約1.5m、泰晤士河岸砂巖地基上的建筑物地下室充水現(xiàn)象十分普遍等[5]。文章基于對(duì)已有地鐵隧道地下水位回升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，借助有限元數(shù)值分析方法，研究了水位回升過(guò)程隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變變化，以確保隧道圍巖的安全、穩(wěn)定。

1 工程背景

以上海地鐵某線為工程研究背景，擬建地鐵隧道埋深在14.0～21.0m，區(qū)間隧道地層主要為黏性土；開(kāi)挖施工期間，地下水位較高，一般水位在0.5～1.5m，隧道底板下存在承壓水，承壓水頭在5.0～18.0m，施工期間采取了有效降水措施。隧道直徑6.0m，擬研究區(qū)間段拱頂埋深約15.0m，地下水初始水位在隧道底板以下3.0m，隧道主軸線主要穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及灰色黏性土。場(chǎng)地內(nèi)巖土層概況主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂，黏性土趨于軟塑，其自穩(wěn)性質(zhì)較差，力學(xué)性質(zhì)相對(duì)不良。

2 建立有限元模型

以該地鐵隧道線路實(shí)際地質(zhì)性質(zhì)作為模型的原型，同時(shí)考慮隧道圍巖邊界效應(yīng)及條件考慮，開(kāi)挖掘進(jìn)方向進(jìn)尺取2.0m，采用ANSYS有限元分析計(jì)算軟件，建立二維有限元模型，如圖1所示[6]。

圖1 有限元計(jì)算模型圖

根據(jù)實(shí)際計(jì)算原則，對(duì)擬建隧道圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使其更加接近實(shí)際情況[7]。有限元計(jì)算本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫等效應(yīng)力圓準(zhǔn)則，相應(yīng)原理如下[8]：

式中：σ1為主應(yīng)力；σ2、σ3為次應(yīng)力；ψ為內(nèi)摩擦角；τ為剪切應(yīng)力。

地鐵隧道襯砌采用線性單元，采用ANSYS單元生死技術(shù)模擬隧道開(kāi)挖，左右線交疊臺(tái)階式開(kāi)挖，每一步開(kāi)挖完后緊接著做初次支護(hù)，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，本文不做研究。各巖土參數(shù)如表1所示。

根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的地下水位回升情況，模擬實(shí)際地下水回升情況，在有限元數(shù)值模型中設(shè)置地下水位回升條件，分別以3.0m、6.0m、9.0m三種水位工況下隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行計(jì)算。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的水位工況，模擬計(jì)算水位回升過(guò)程及結(jié)束時(shí)隧道圍巖安全穩(wěn)定性，分別從應(yīng)力、應(yīng)變兩方面進(jìn)行分析，研究其變化規(guī)律，進(jìn)而分析水位回升對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的影響。

3.1 豎向位移變化規(guī)律

隧道圍巖在不同水位工況情況下，對(duì)應(yīng)的隧道豎向位移變化規(guī)律曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著地下水位的提升，隧道圍巖與地表總體有向地上產(chǎn)生位移的趨勢(shì)，且地表產(chǎn)生的位移量最大，拱頂圍巖位移量大于拱底圍巖位移量，可以看出地下水的變化對(duì)隧道圍巖隨著標(biāo)高的提升，影響逐漸變大。分析原因可知，地下水位回升，對(duì)隧道底板產(chǎn)生浮力作用，隧道整體上浮，地表產(chǎn)生回彈變形。

表1 下穿土層物力力學(xué)參數(shù)表

圖2 地下水位標(biāo)高與隧道豎向位移關(guān)系曲線圖

地下水位回升對(duì)隧道側(cè)壁的變形影響如圖3所示。當(dāng)?shù)叵滤粡某跏妓换厣了淼赖装鍟r(shí)，此時(shí)地下水位并未對(duì)隧道產(chǎn)生上浮力作用，但隧道底板以下持力層孔隙水壓力增加，促使土層發(fā)生回彈變形，所以隧道和地下土層均會(huì)產(chǎn)生向上的位移的趨勢(shì)，隧道結(jié)構(gòu)自身變形較小，隧道頂板、底板及地表初始豎向變形基本形同。

圖3 地下水位標(biāo)高與隧道側(cè)壁水平位移關(guān)系曲線

隨著地下水位的持續(xù)上升，直至上升到隧道圍巖頂部時(shí)，地下水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生上浮作用，土層孔隙水壓力增加，進(jìn)而使土層產(chǎn)生更大的變形，隧道首先表現(xiàn)的是整體上升。從圖2、圖3中可以看出，隧道整體上浮量達(dá)到0.7cm，因?yàn)樗淼拦绊?、拱底孔隙水壓力不同水壓不同，所以隧道拱頂、拱底位移量不同。隨著地下水的升高，隧道圍巖側(cè)壁壓力增加，隧道自身產(chǎn)生一定的變形，導(dǎo)致地層也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的重新組合變形。當(dāng)?shù)叵滤换厣降乇砦恢脮r(shí)，隧道頂板的豎向位移約2.2cm，隧道底板的位移為2.0cm。

3.2 隧道圍巖水平向位移

地下水位回升的三種工況對(duì)應(yīng)的隧道圍巖水平向的位移與水位變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)?shù)叵滤晃挥谒淼拦把韵聲r(shí)，水平位移幾乎不會(huì)產(chǎn)生；當(dāng)?shù)叵滤簧凉把陨蠒r(shí)，隨著水位的持續(xù)回升，位移持續(xù)增加，最大水平位移約0.9cm，隧道圍巖側(cè)壁整體位移不大，對(duì)隧道的穩(wěn)定性影響不大[9]。

3.3 隧道圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律

隧道圍巖所處的地下環(huán)境發(fā)生變化，其應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)必然發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)上文建立的數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算地下水位上升過(guò)程中隧道圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)，得出了隧道圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律。

隨著隧道圍巖周邊地下水位的回升，隧道側(cè)壁部分應(yīng)力逐漸增加，其負(fù)彎矩相應(yīng)增加，拱頂、拱底正彎矩增大，受力變化最大點(diǎn)位于隧道拱腰部位；隨著地下水位的繼續(xù)回升，土體有效應(yīng)力減小，孔隙水壓力增加，隧道側(cè)壁負(fù)彎矩及拱底、拱頂正彎矩逐漸減小。雖然最大彎矩減少了，但隧道圍巖結(jié)構(gòu)可能發(fā)生負(fù)彎矩的轉(zhuǎn)換，將與設(shè)計(jì)彎矩產(chǎn)生反向逆差，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性不利。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章以上海地區(qū)某線地鐵隧道建設(shè)為工程背景，借助有限元數(shù)值計(jì)算方法，模擬計(jì)算了地下水位回升過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)的變化，并從隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變兩方面分析了其對(duì)地鐵隧道安全穩(wěn)定性的影響，揭示了地下水位回升與隧道圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律及關(guān)系。通過(guò)研究表明，地下水位回升到一定高度后，隨著水壓力的增加，其對(duì)地鐵隧道圍巖結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不利影響，應(yīng)引起重視。