地下水位对青岛地铁盾构隧道变形影响研究

徐祥云，胡云飞，高福军，李地元，王文健

（1. 中铁八局集团昆明铁路建设有限公司，云南昆明 650200；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083）

0 引言

我国地铁工程的埋深一般小于 20 m。地层在该深度以内一般存在上层滞水或者潜水。另外，在我国的滨海滨江地区，可能还有承压水，且埋深较浅。在 20 m 埋深内，地层大多为第四纪冲击层、沉积层，也存在很多是强风化或者全风化岩层，这些地层多为松散无胶结的岩土体，可以看作可变形的多孔介质材料。岩土体在荷载和地下水的双重作用之下，变形会造成其裂隙孔隙通道的改变，从而影响孔隙水流动。孔隙水流速的变化不仅会影响岩土变形，而且也会造成周围土体物理力学性质的变化。这种复杂的力学行为会对隧道工程产生影响，甚至引发安全事故[1-5]。因此在地下水的影响下，地下工程的设计与施工面临很大的挑战。

Plaxis 2D 有限元分析软件可以对上述力学行为进行模拟。本文以青岛地铁 1 号线盾构隧道工程实际地质条件和相关测量数据为基础，通过 Plaxis 2D 有限元分析软件，构建盾构隧道模型，进行地下水对盾构隧道掘进周围土体变形的影响和分析，并将分析结果与现场实测结果进行了对比验证。

1 Plaxis 2D 盾构隧道模型建立与土体变形计算

1.1 盾构隧道模型的建立

此隧道开挖范围内穿越 5 层土体，从上到下分别是：①素填土；②粉质黏土；③中、粗砂；④粉质黏土；⑤含黏性土砾砂。所以地层模型分为 5 层。实际隧道拱顶埋深 7.6～12.0 m，洞径 6.2 m，建模取隧道中心线距地表 10.7 m。隧道衬砌结构采用均质圆环，厚度为 0.3 m，横向刚度取 0.75。模型选用 15 节点三角形单元。在划分网格过程中，全局疏密度选择中等，而且为了保证隧道周围网格划分的质量，在隧道周围进行了加密类组操作，如图 1 所示。

图1 安子站 — 安子东站区间隧道模型

表1 土体参数

1.2 模型参数的确定

土体本构模型为Mohr-Coulomb 模型。根据现场实测数据进行土体参数选取，结果如表 1 所示。

1.3 Plaxis 2D 有限元计算结果

根据勘察结果，区间地下水类型主要为第四系孔隙潜水、微承压水和基岩裂隙水。其中第四系孔隙潜水含水层主要为填土，接受侧向迳流、大气降水及海水潮汐补给，以侧向迳流排泄为主，场地内水位受潮汐影响小。为考虑地下水对盾构隧道施工围岩变形的影响，首先模拟地层无地下水的情况，再模拟地下水位发生变化时候的情况，包括 4 种不同地下水位，标高分别为：-10 m、-7.6 m、-5 m、-3 m。考虑施工效应对数值模拟的影响，模拟施工顺序为：初始自然状态—开挖导致地层损失—衬砌—注浆。开挖完成时进行一次计算，为开挖即时响应，这时变形量较小。衬砌并注浆后，变形量趋于稳定，这时再进行一次计算，可以与之前的结果进行对比。计算结果以隧道周围土体位移云图表示，见表 2。各工况下土体最大位移记录于图 2。

通过对比地下水不同标高情况下隧道周围土体变形量可以发现，在初始开挖阶段（无衬砌、注浆），周围土体最大位移量随着地下水升高而增加，由 2.113 mm增加到了 11.73 mm，后者大约是前者的 5.5 倍。这和山区公路隧道采用钻爆法开挖施工时，周围土体变形受地下水影响的变形规律具有一定的相似性[6-7]。在衬砌、注浆之后，土体最终阶段的变形量在 15～18 mm 的范围内变化，变化量并不大。值得注意的是，在地下水位为 -5 m 时，最终位移量达到最小值，地下水位升高或降低土体最终位移量都增大。-5 m 大约是第一层土层素填土和第二层土层粉质黏土的交界处。粉质黏土的渗透性极差，可以看作不透水层。所以当地下水位在②粉质黏土以下时，隧道周围土体的有效应力随地下水位升高而减小，而当地下水位在②粉质黏土以上时，隧道周围土体的有效应力随地下水位升高而增大。这可能与隧道周围土体最大位移量随地下水位升高而先减少后增加有关。

表2 隧道周围土体位移云图

图2 不同地下水位下隧道周围土体最大位移量

图3 DC24 监测面横向地表沉降曲线

2 实测结果对比分析

安安区间盾构隧道布置有 38 个地表沉降监测面，监测面垂直于盾构隧道轴线方向。主要监测面的监测点一般为 9 个，次要监测面的监测点为 2 个。现选取一典型主要监测面 DC24，其地下水位为-3.4 m。对盾构开挖完成时和注浆完成时 2 个时间节点上的地表沉降数据进行分析。位于开挖隧道轴线上方的监测点沉降量最大，两边沉降量逐渐减小，如图 3 所示。开挖完成时，最大地表沉降量为-11.27 mm；注浆完成时，最大地表沉降量为-18.15 mm。这与 Plaxis 2D 数值模拟结果中地下水位为-3 m 的情况具有较好的一致性。这在一定程度上说明了 Plaxis 2D 数值模拟结果的正确性，对实际工程具有较高的指导性。另外，注浆完成时，地表最大沉降量为-18.15 mm，并没有超过 GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》中-30 mm 的控制值，地表沉降量在安全的范围内。

3 结论与展望

（1）通过有限元软件 Plaxis 2D 的模拟，发现在初始开挖阶段（无衬砌、注浆），周围土体最大位移量随着地下水升高而增加，并且增加量较大。地下水位为-3 m 时，土体最大位移量是无地下水时的 5.5 倍左右。数值模拟结果与实际监测结果具有一致性。

（2）在衬砌、注浆之后，土体最终的变形量在不同地下水位情况下变化不是很大。在本文所述的地层条件下，土体最大位移量随地下水位升高而先减少后增加。这可能与土体的有效应力变化路径有关。

目前地下水对隧道工程的影响机理分析虽然有一些成果，但还不是很深入清晰，造成了许多隧道施工、运营阶段的地下水问题无法预期，只能在出现之后采取治理，造成大量损失。因此，建立科学合理的地下水预报机制是非常必要的，只有这样才能够有效减少隧道地下水事故发生。除此之外，关于地下水问题的相关规范也需要进行进一步完善，如公路隧道防水标准、地铁防水标准等。只有进行科学的研究，才能够建立完善的科学机制，从根本上解决隧道施工地下水危害。