富水粗砂层地铁暗挖区间地表沉降模拟分析

谢美娜

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300)



富水粗砂层地铁暗挖区间地表沉降模拟分析

谢美娜

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300)

摘要：为揭示富水砂质围岩地铁施工对周围环境的影响，采用应力释放法并考虑流固耦合模拟了某富水粗砂层地铁暗挖区间开挖及渗水引起的地表沉降过程。模拟结果表明：地下水向洞内渗漏的初期引起地表非均匀沉降，在后期影响范围内地表的沉降增量相差不大，表现为整体沉降；开挖面封闭后，孔隙水向低水头区渗流导致拱顶上方地表略有隆起；应力释放与渗水引起的地表沉降最大值出现位置相距约2.5 m；最大地表累计沉降10.70 mm。表明施工对周围环境影响有限。

关键词：富水砂质围岩；地铁暗挖；流固耦合；地表沉降

富水砂层在部分沿海城市的地铁施工中经常遇到。富水砂层含水率高、粘聚力低，开挖后自稳能力差，容易引起塌方、突砂、突泥等工程事故[1-2]。在深圳、青岛等的相关工程施工中曾发生过地表变形过大甚至冒顶、塌方等事故。由于围岩变化复杂等因素，灵活多变的暗挖法往往优于盾构法而成为富水砂层地铁施工中的首选，与盾构法相比，采用暗挖法施工对围岩扰动大、施工风险较高[3]。国内学者结合现场监测、数值模拟及室内试验研究了富水砂层地铁暗挖施工对周围环境影响。苏秀婷[4]依托青岛地铁3号线通过现场监测及数值模拟研究了富水砂层隧道开挖风险与施工变形规律，研究发现降水条件下超前小导管注浆后隧道施工引起的最大地表沉降达29.27 mm；李涛[5]对深圳地铁5号线18个暗挖区间两万多个监测数据进行了统计分析，研究表明各区间平均最大累计沉降达82.3 mm、平均横向影响范围值达46.78 m；李海洋[6]依托深圳地铁2号线的施工实例，提出了富水砂层地铁暗挖区间降水、注浆及衬砌结构的设计方法。已有研究丰富了富水砂层地铁暗挖区间设计及施工理论，但由于围岩分布的不确定性，每个具体工程都须针对性的计算分析。本文依托的工程为某沿海地铁暗挖区间，穿越富水粗砂层，地下水丰富，砂层渗透系数达20 m/d，且上方车流密集，地表沉降控制严格、施工难度大。孔隙水压与围岩变形是个相互耦合的过程，本文利用岩土专业软件FLAC3D对依托工程开展了数值模拟，研究施工对周围环境的影响。

1 渗流与固结理论概述

富水砂层中地铁施工渗水、固结是典型的流固耦合过程[7]。FLAC3D可以模拟流体在孔隙介质中的渗流，并附带了各向同性、各向异性等渗流模型，可采用孔压、流量作为边界条件，程序默认为不透水边界。程序提供了隐式及显示两种渗流计算方法，附带的所有力学模型都可以与渗流做耦合分析。渗流、固结过程满足平衡方程、运动方程及本构方程。对于不考虑内部流体源的小变形，平衡方程如式(1)所示：

(1)

式中：qi为渗流速度(m/s)；ζ为单位体积中流体体积变化量，而ζ满足式(2)

(2)

式中：M为Biot模量(Pa)；p为孔隙压力；α为Biot系数；ε为体积应变。

流体的运动方程满足Darcy定律，如式(3)所示。

(3)

式中：z为竖向坐标(m)；ρf为流体密度(kg/m3)；g为重力加速度(m/s2)；kil为渗透系数张量(m2/(pa·s))，FLAC3D中渗流系数的单位不同于工程上常用的m/s，但两者可以换算。

本构方程与力学模型相关，考虑渗流的本构方程是应力、应变及孔隙压力的函数。本文分析选用Mohr-Coulomb力学模型，即围岩在弹性阶段应力、应变满足线弹性关系，采用Mohr-Coulomb强度准则。在程序的数值计算中，流体或力学区域被离散为8节点的六面体区域，而在内部每一个区域都被划分为四面体。与缓慢的渗流过程相比，力学行为可认为能在短时间内达到平衡状态。因此，流固耦合计算过程中每次渗流子步计算完成后，须伴随足够多的力学子步迭代以确保平衡。

2 工程概况及模拟方案

依托工程暗挖区间大致呈东西走向，周边环境及水文地质条件复杂，沿线穿越地下管线和建筑物较多。模拟分析断面的地质剖面如图1所示。地铁位于冲、洪积的砾砂层，下部为中风化花岗岩。隧道上方有厚约8 m的砂土层。原设计采用盾构法施工，因地质条件十分复杂，后变更为暗挖法，并采取了超前小导管注浆等一系列辅助措施。开挖半径3.0 m，按照“新奥法”原理设计施工，采用初支+二衬的复合式衬砌结构。边墙布置系统砂浆锚杆，锚杆长3.0 m、间距1.0 m，呈梅花布置。初支采用I22b工字钢拱架+C25早强喷射混凝土，厚32 cm。

图1 依托工程地层示意(单位：m)

根据现场取样、室内试验的分析结果，采用的计算参数如表1所示，其中渗透系数采用工程常用单位m/s。暗挖对围岩有扰动，而注浆加固、锚杆支护等工程措施能提高围岩自稳能力，假定两者作用相互抵消，计算中均不予考虑。根据“新奥法”原理围岩自身也是支护体系的组成部分，类比相似工程确定围岩、初支承担荷载比例分别为20%、40%[8]。模拟应力释放的具体过程为：采用FISH语言获取开挖轮廓上的节点编号，定义向量储存这些节点力，记为初始节点力，在开挖及支护阶段对开挖轮廓施加节点力。开挖、出渣等工序期间，开挖轮廓面为透水边界且孔隙水压为0，持续时间为4 h。喷射混凝土支护后，开挖轮廓面成为不透水边界。计算过程持续至开挖后的20 h。

表1 计算采用的参数

3 计算结果分析

开挖应力释放20%，引起的围岩竖向沉降如图2所示。最大竖向位移出现在拱顶，约9.16 mm，仰拱略微隆起约0.14 mm。利用FISH语言提取地表节点竖向沉降值，绘制成图3所示。应力释放引起地表沉降最大值为7.88 mm，出现在拱顶正上方。距拱顶正上方大于15 m后，地表出现整体沉降，沉降值约2.82 mm。

图2 应力释放引起的沉降

图3 应力释放引起的地表沉降

开挖及出渣期间，孔隙水沿开挖面渗入洞内，拱部上方围岩产生固结。为反映固结沉降值，将开挖引起的位移清零。典型时刻孔隙水压及竖向沉降如图4所示。开挖1 h后，在开挖轮廓附近形成低孔隙水压区域，拱部孔隙水压受影响较大，最大固结沉降值约2.38 mm。开挖4 h后，低孔隙水压区的面积进一步增大，其孔隙水压等值线大致呈碗状，围岩最大固结沉降值增大至3.29 mm，主要固结区域集中在围岩内部。初期支护后，开挖轮廓变为不透水边界，孔隙水向拱部上方低水头区域渗流，开挖轮廓附近的低孔隙水压区逐渐消失，孔隙水压等值线大致呈水平分布，最大固结沉降值降至2.92 mm，主要固结区域延伸至地表。

图4 不同阶段孔隙水压及竖向沉降

提取典型时刻地表沉降数据绘制成图5所示。开挖1 h后，拱顶上方沉降2.02 mm，距其20 m处地表沉降0.41 mm。此后各处地表沉降增量相差不大，即表现出整体下沉。随着开挖轮廓面的封闭，孔隙水向围岩中低孔隙水压区域渗流，开挖后10 h及20 h拱部上方地表略有隆起，而距其较远区域地表继续下沉。与图3对比可以发现渗水与应力释放引起的地表沉降特征存在差异，与应力释放引起的最大地表沉降位于拱顶正上方不同，渗水引起的地表沉降其最大值位置距拱顶正上方约2.5 m。通过图3与图4可以确定最大地表累计沉降为10.70 mm，而现场监测结果为12.61 mm，由于未考虑行车荷载等因素计算值略小于实测值。目前，周边环境复杂、地下管线密布、建(构)筑物密集等地表沉降控制严格的城市中心区，其地表沉降控制基准一般设为30 mm[9-10]，依托工程最大地表累计沉降的计算值与实测值均表明施工对周围环境的影响是可承受的。

4 结论

(1)应力释放与孔隙水入渗引起的地表沉降其特征存在差异，渗水引起的地表沉降在拱部上方变化较平缓，且其最大值出现位置距拱顶正上方约2.5 m。

图5 典型时刻地表沉降曲线

(2)孔隙水向洞内入渗形成碗状的低孔隙水压区域，开挖面封闭16 h后，孔隙水压等值线基本水平。

(3)在孔隙水向洞内入渗阶段，前期拱部上方地表沉降较大，后期受影响区各处地表沉降增量相差不大。开挖面封闭后，拱部上方地表略有隆起。

(4)由于开挖面及时封闭，渗流引起的最大地表沉降为2.98 mm，小于应力释放引起的7.88 mm。最大地表累计沉降的计算值与实测值均小于30 mm的警戒值，施工对周围环境的影响是可接受的。

参考文献

[1]施成华,雷明锋,彭立敏.考虑隧道施工参数变化时地层变形的时空统一计算方法研究[J].铁道学报, 2010,32(3):100-104

[2]吴 波,刘维宁,高 波,等.深圳地铁区间隧道富水地层非降水施工技术研究[J].土木工程学报, 2004, 37(4):93-98

[3]韩 煊,李 宁,J.R Standing.Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J].岩土力学,2007,28(1):23-28

[4]苏秀婷.青岛地铁富水砂层隧道开挖施工风险与变形规律研究[D].青岛：中国海洋大学,2012

[5]李 涛,韩雪峰,黄 华,等.深圳富水复合地层地铁隧道暗挖施工引起地表沉降规律的研究[J].现代隧道技术, 2014, 51(2):76-82

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[8]丁祖德,彭立敏,施成华,等.循环荷载作用下富水砂质泥岩动变形特性试验研究[J].岩土工程学报, 2012(3):534-539

[9]北京城建设计研究总院.GB 50157—2013 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013

[10]罗 忠,陈明辉.富水砂层中暗挖隧道施工沉降控制技术[J].现代隧道技术, 2012,49(2):125-131

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

作者简介：谢美娜(1982—)，女，工程师，主要从事地铁施工和施工造价及合同管理方面的工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.012

中图分类号：U456.3

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)03-0045-04