地表积水对区间隧道的安全影响分析

孙世国 ，胡 哲，高冰月

（北方工业大学土木工程学院，北京100144）

在全球气候变暖，极端天气事件频繁突发的情况下，夏季强降雨极易引发城市内涝［1-2］等次生灾害，对城市交通安全运营、城市中心城区道路以及老旧危房居民的生命安全造成严重威胁。特别是地下停车库［3］、下凹式立交桥和地铁的大量修建，使内涝风险增加了更多隐患。在城市地铁的建设与运营期间，地表积水对地铁的长期安全运营会产生越来越严重的影响，如果能够正确有效地评价降雨入渗与地表积水对地铁隧道结构的不利影响，将有利于及时采取相应的防护措施，且能够进一步预测隧道结构的安全使用寿命，为地铁隧道进行风险防控、预防重大运营事故发生提供依据。

目前国内外学者针对降雨入渗的相关研究已经卓有成效，但降雨入渗的主要涉及研究对象为路基［4］、边坡［5］、山岭隧道［6］等，针对地表积水问题导致降雨入渗对城市中浅埋地铁隧道［7-12］的影响研究甚少。同时，在工程安全性评价方面，国内外学者提出了许多评价方法，但是对于暴雨积水条件下地铁隧道的安全评价研究还非常匮乏。

1 岩体及隧道应力场演化特点研究

1.1 隧道垂直应力演化特点研究

考虑到降雨强度大于土体渗透率且城市排水能力不足的问题，雨水会长时间积存于地表，导致地铁上覆土体积水。在降雨入渗过程中，土体的强度发生变化，土体的含水量增加，有效应力受孔隙压的影响而减弱，土体的抗剪强度下降，土体黏聚力和内摩擦角也随之下降。

强降雨通过地表入渗致使隧道上覆土强度降低，隧道及各地层应力应变会随之发生相应变化。因此，将持续降雨的过程简化为隧道上覆土体含水率增加的过程，以此研究降雨入渗对地铁隧道及上覆地层的影响。通过FlAC3D模拟降雨入渗土体含水率的增加以及地表积水深度的增加，分析不同降雨工况下地铁隧道结构的安全稳定性。

1.1.1 三维模型建立

某地铁隧道为右安门外站至北京南站区间工程，采用暗挖法施工。该区间自右安门外站始，下穿开阳里西巷、开阳里东巷、开阳路，路线基本方向为沿凉水河北岸向东，终点在北京南站，与北京南站预留工程对接。线路轨面标高20.734～23.340 m，隧道顶覆土厚度12～15 m。经水文地质调查发现，该区域的砂、卵石层含有2层地下水，第二层地下水为潜水。第一层地下水为上层滞水，主要赋存于标高29.15～31.84 m以下的砂、卵石层中，水位埋深为9.10～12.30 m。北京地区的年降雨量为571.9 mm，春、秋两季的雨量分别占10%～15%，冬季的雨量最少，只占2%。全年降水的70%～76%集中在夏季，特别是7月、8月，经常出现强对流天气，极易形成高强度暴雨和雷雨大风等灾害性天气。

数值模拟模型取自北京市丰台区右安门外站至北京南站地铁隧道渡线区间，隧道直径9.2 m，高7.7 m，隧道埋深13.8 m，隧道纵向长度取50 m。考虑到边界效应的影响，模型水平范围取隧道直径的5倍，最终模型尺寸为X方向100 m，Y方向50 m，Z方向46.5 m，共划分277 127个单元。隧道围岩假设为各向同性、连续的材料，服从Mohr-Coulomb准则。边界约束条件为模型上部取自由边界，约束X方向和Y方向边界，约束Z方向底部边界。隧道衬砌结构简化设计为不透水结构，计算模型如图1所示。

图1 数值模拟模型设计和监测特征点布设

1.1.2 数值模拟模型参数的选取

城市强降雨带来的影响除了隧道上覆土的含水率增加，同时伴随着土体表面积水，通过土体表面积水深度的改变来反映地表积水的情况，设置积水深度分别为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m四种工况来研究隧道安全状态演化特点。根据地勘报告和现场试验数据中显示的地层分布及参数，计算时土体采用的物理力学参数，如表1所示。地铁隧道顶板主要位于粉土层，隧道边墙和底板主要位于粉质黏土、卵石层。

表1 各地层物理力学参数

当降雨量很大，造成隧道上覆土表面积水时，隧道结构的受力会随着地面积水深度的增加而发生变化。当地面积水由0.5 m增加到2 m时，隧道结构的垂直应力变化云图见图2。

图2 不同积水深度条件下隧道衬砌垂直应力云图

由图2可以看出：垂直应力最大值出现在隧道拱腰处，其次为隧道拱顶及拱底处；在土体表面积水深度增加的过程中，隧道衬砌的垂直应力分布规律相近，但在数值上存在很大差异。

隧道关键位置拱顶、拱肩、拱腰和拱底的垂直应力均随着积水深度的增加而增大。地表积水达到2 m时，隧道各位置的垂直应力达到最大值，隧道拱腰处最大压应力为5.1 MPa，拱肩处最大拉应力为0.443 MPa，均未超出结构容许值，隧道衬砌结构在安全范围内。在积水深度由0.5 m升高至2 m的过程中，隧道拱顶、拱肩、拱腰及拱底处垂直应力分别增加了0.047 MPa、0.026 MPa、0.27 MPa、0.027 MPa，分别增大了6.9%、6.1%、5.5%、4.8%，拱顶处的垂直应力增量最大。

1.2 隧道水平应力演化特点研究

不同工况下的隧道水平应力云图如图3所示。

图3 积水深度不同时隧道衬砌水平应力云图

由图3可以看出：地面积水深度由0.5 m增加至2 m的过程中，隧道衬砌水平应力分布无明显变化，最大水平应力均集中在隧道拱顶内侧部位；随着积水深度的增大，隧道衬砌水平应力最大数值由3.10 MPa升高至3.27 MPa，增加了5%；与含水率升高对隧道衬砌的影响相比，隧道上地面积水对衬砌的影响更加显著。

1.3 最大主应力变化特征研究

隧道的最大主应力变化如图4所示。

图4 不同积水深度条件下隧道衬砌最大主应力云图

隧道拱顶、拱肩位置受拉应力，其中水平最大主应力位于拱顶位置，拱腰、拱底位置受压。不同工况下隧道衬砌最大主应力分布规律基本一致，衬砌最大主应力随着积水深度的增大而增大，衬砌拉应力集中区为隧道拱顶部位，压应力集中区为拱底部位，拱腰部位受垂直向压应力最大。

当积水深度由0.5 m升高至2 m时，衬砌拱顶、拱肩处拉应力均呈现上升趋势，其中拱顶处水平向拉应力由0.265 MPa升高至0.268 MPa，提高了约1.1%；拱肩处拉应力由0.165 MPa升高至0.168 MPa，提高了约1.8%。当含水率升高时，衬砌拱腰处受到垂直向最大压应力由0.108 MPa升高至0.113 MPa，最大压应力提高了约4.6%。压应力集中部位在隧道衬砌拱底，在含水率增大的过程中，拱底水平向压应力呈现增大的变化规律，压应力由0.126 MPa增加至0.128 MPa，增长了约1.6%。在降雨积水阶段，地面积水增高过程中对隧道衬砌拱腰处的影响最大。混凝土抗压强度标准值fck=17 MPa，轴心抗拉强度标准值fctk=2.0 MPa。当地表积水深度达到2 m时，衬砌最大拉应力为0.268 MPa，未超过隧道混凝土抗拉强度设计值，隧道处于安全状态。

2 隧道覆岩及隧道沉降变形特点研究

2.1 隧道覆岩沉降特点研究

不同工况下隧道围岩沉降分布云图如图5所示。

图5 不同积水深度条件下时沉降云图

由图5可以看出：隧道上方土体越接近于地表，其沉降值越大，最大沉降位于地表处；隧道正上方土体沉降量比隧道两侧小。

地铁隧道上方各层土体在积水过程中的沉降值变化如图6～图10所示。由图6～图10可以看出：隧道上覆土体沉降位移呈对称分布，隧道所在位置上部各层土体沉降值均小于围岩沉降值；随着积水深度的增加，各地层沉降值增大；沉降值从隧道向地表方向依次增大，且沉降分布更均匀、没有产生突变现象。

在地表积水深度由0.5 m增加至2 m的过程中，隧道顶板正上方1 m、4 m、7 m、10 m、12 m处的土体沉降分别由1.4 mm增加至11.7 mm、4 mm增加至22 mm、4.9 mm增加至25.2 mm、8 mm增加至37.5 mm、10 mm增加至45.5 mm，分别增加了10.3 mm、18 mm、20.3 mm、29.5 mm、35.5 mm。距离隧道中心位置左侧10 m处各层土体沉降分别由5.2 mm增加至24.9 mm、6.3 mm增加至29.3 mm、6.9 mm增加至31.7mm、9.5 mm增加至42.1mm、11.6 mm增加至50.3 mm，分别增加了19.7 mm、23mm、24.8 mm、32.6 mm、38.7 mm。各地层的最大沉降均位于顶板上方，土体越接近地表，地表积水深度对土体沉降的影响越大。

图6 隧道顶板上方1 m地层沉降值分布图

图7 隧道顶板上方4 m地层沉降值分布图

图8 隧道顶板上方7 m地层沉降值分布图

图9 隧道顶板上方10 m地层沉降值分布图

图10 不同积水深度时隧道顶板上方12 m地层沉降值分布图

2.2 隧道沉降特点研究

隧道沉降随地表积水深度变化云图如图11所示。

由图11可以看出：不同工况下，隧道衬砌的沉降变化存在差异；积水深度越高，隧道的沉降越大；地表积水深度为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m时隧道拱顶最大沉降值分别为1.4 mm、5.9 mm、8.7 mm、11.7 mm，底板沉降值分别为0.8mm、4.6 mm、6.9 mm、9.3 mm；从沉降量来看，地表积水越深，隧道的沉降越大，同时表明地表积水对隧道的影响很大。

在积水深度由0.5 m升高至2 m过程中，隧道关键位置的沉降均呈现增大的变化规律，且增幅显著。其中隧道拱顶的沉降变化量最大，沉降值由1.4 mm增加至11 mm；拱腰的沉降值由1.1 mm增加至10.6 mm；拱底的沉降值由0.8 mm增加至9 mm。

图11 不同积水深度条件下时隧道衬砌沉降云图

2.3 隧道水平位移特点研究

图12 不同积水深度时隧道衬砌水平位移云图

不同工况下隧道水平位移云图如图12所示。由图12可以看出：随着积水深度由0.5 m增加至2 m，隧道水平位移的分布规律没有明显变化。不同工况下隧道左右拱墙水平位移如图13所示，隧道衬砌左拱墙的水平位移最大值变化分别为0.205 mm、0.370 mm、0.532 mm、0.703 mm。隧道衬砌右拱墙处水平位移最大值变化分别为0.179 mm、0.318 mm、0.480 mm、0.653 mm。随着积水深度的增大，衬砌两侧水平位移有明显增加的趋势，左右两侧水平位移值各增加了0.498 mm、0.474 mm；与含水率对比，积水深度的变化对隧道衬砌水平位移的影响较大，从而影响地铁隧道的安全。

图13 不同积水深度下隧道拱墙水平位移

2.4 地表沉降特点分析

由于降雨引起的土体含水率升高，使土体强度改变，刚度降低，造成隧道上方对应的地表沉降值比两侧土体略小。在隧道整体结构对应的地表，最大沉降值位于隧道拱顶。不同含水率下的隧道地表沉降值存在差异，表现为含水率越高，地表沉降越大，见图14。不同工况下的隧道地表沉降值随着积水深度的增加，地表沉降值增大，见图15。

图14 不同含水率地表沉降分布曲线

图15 不同积水深度地表沉降分布曲线

由图14和图15可知：当含水率从10%升高至30%时，隧道拱顶对应处的地表沉降值从0.017 m增加为0.03 m。当地面开始出现积水时，隧道拱顶处对应的地表与两侧土体变化一致。地表积水从0.5 m升高至2 m时，拱顶对应处的地表沉降值从0.018 m升高至0.079 m，变化量明显比未积水时沉降值增加。

3 结论

（1）随着地表积水深度增加，隧道垂直应力集中区域为隧道拱顶和拱腰部位。隧道拱顶、拱肩、拱腰及拱底处垂直应力分别增加了0.047 MPa、0.026 MPa、0.27 MPa、0.027 MPa，其中拱腰处垂直应力值最大，在积水深度为2 m时，达到5.1 MPa。隧道衬砌最大主应力受积水深度影响较大，拱顶处最大拉应力最大，达到0.27 MPa。隧道各部位的应力值变化处于结构安全容许值范围内，但仍对隧道衬砌产生一定安全影响。

（2）地表积水深度增加，对地层和隧道的沉降影响显著，土体越接近地表，沉降值越大，且受积水影响越大。相比隧道其他位置，拱顶处沉降值最大，当地表积水深度升高至2 m时，拱顶沉降由1.4 mm增加至11.7 mm，拱腰的沉降值由1.1 mm增加至10.6 mm；拱底的沉降值由0.8 mm增加至9 mm。隧道各位置的不均匀沉降可能对隧道衬砌结构造成安全影响，如产生衬砌裂缝等情况。当地表积水从0.5 m升高至2 m时，拱顶对应处的地表沉降值从18 mm升高至79 mm。说明地表积水对地表沉降的影响更加明显。