盾构隧道长期渗水对地表沉降及管片内力的影响 - 保定加密多隧道材料科技有限公司

1　隧道渗流形式及盾构隧道渗流的等效处理

1.1　隧道渗流的形式
　　盾构隧道一般埋深较浅，土体中的渗流路径受地下水位影响较大。根据土体环境不同，会出现以下2种不同的渗流形式。 ① 当隧道周围土体和衬砌的渗透系数较大且隧道周围的地下水没有充分的补给时，地下水位会随着渗流的发生而不断降低，如图1（ａ）所示； ② 当隧道周围土体和衬砌的渗透系数较小且隧道处于丰富的地下水区域时，隧道发生渗流对水位线几乎没有影响，可以认为地表水位线处于恒定状态，如图1（ｂ）所示。由于不同渗流形式下隧道的内力变化不同，因此，本文采用2种不同的渗流形式进行隧道内力等的对比分析。

1.2　盾构隧道渗水的等效处理
　　盾构隧道的渗水主要发生在局部接缝处，这种衬砌的局部渗透性通常采用Ｏ ’ Ｒｅｉｌｌｙ等提出的有限渗透性概念来描述，有限渗透性描述了隧道局部渗流时衬砌的平均渗流特性。目前，对于盾构隧道的渗流基本都简化为等效渗流的形式，即赋予衬砌均质渗透系数。Ｍａｉｒ，Ｗｏｎｇｓａｒｏｊ假设衬砌的渗透系数各向均质同性，采用数值计算的方法对伦敦Ｓｔ．Ｊａｍｅｓ ’ ｓ　Ｐａｒｋ地铁盾构隧道的孔压与沉降进行研究，并对比了现场实测数据，证实了这种方法的有效性。
2　盾构隧道渗流计算模型
　　盾构隧道衬砌管片之间的接头刚度较弱，造成整个衬砌圆环刚度减弱。因此，采用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ先建立符合横向刚度要求的管片模型，进而再建立整体盾构隧道渗流模型。
2.1　管片模型的建立及刚度验证
　　上海地铁某盾构隧道外直径为6.2ｍ，内直径为5.5ｍ，管片厚度为0.35ｍ，隧道衬砌由6块管片用螺栓拼装而成，如图2所示。

　　在盾构隧道设计中，国内外学者通常采用横向刚度有效率来衡量盾构隧道衬砌圆环的横向刚度。徐凌通过室内模型试验，得到通缝拼装时隧道的横向刚度有效率约为 0.67 。为此，本文对衬砌采用连续建模，但对模型接头处刚度进行弱化，使得整个衬砌圆环满足横向刚度的要求。
　　利用有限元软件进行实体建模，建立的隧道管片模型如图3所示。假设隧道的管片和弹性密封垫都处于弹性状态，则取混凝土管片的弹性模量为34.5ＧＰａ，泊松比为0.16 。为了确定管片接缝处刚度的取值，单独对管片模型采用荷载—结构法加载计算，如图4所示，隧道底部位移约束，然后在隧道顶部施加荷载。根据结构力学理论，通过直径的变化比值可以求得横向刚度有效率，且与加载大小无关。加载300ｋＮ后，管片变形如图5所示。在计算过程中，隧道管片的弹性模量保持不变，逐渐改变接头处的弹性模量，以计算多种接头弹性模量对应的隧道横向刚度有效率。

　　黄宏伟等通过模型试验得到上海地铁隧道的横向刚度有效率为0.67 。本文计算的横向刚度有效率随接头弹性模量变化而变化的情况如图6所示。从图中可以看出，当接头处弹性模量为 0.5ＧＰａ时，横向刚度有效率约为0.67 ，满足刚度要求。因此，管片接头弹性模量取0.5ＧＰａ。

2.2　整体模型的建立
　　上海地铁2号线人民公园站———石门路站区间隧道采用土压平衡式盾构施工，隧道中心埋深15ｍ，以此为例计算长期渗流对隧道的影响。考虑到上海地区为软土富水地区，假设初始状态地下水位线与地表面持平。土体材料参数见表1。采用实体建模，有限元整体建模如图 7 所示。由于管片和土体中都会发生渗流，采用ＡＢＡＱＵＳ内部的渗流计算单元，其满足渗流与固结沉降的耦合分析要求。假设管片拼装完成后衬砌与土体始终保持接触状态且不会发生滑移，则衬砌和土体之间的接触面采用绑定约束。

2.3　渗流工况设置
　　土体与衬砌的相对渗透系数是影响隧道周围孔压分布的关键因素。因此，可通过设置不同的渗透系数来反映隧道的不同渗流程度，进而分析长期渗流对隧道的影响。
　　Ｗｏｎｇｓａｒｏｊ通过数值计算与现场实测值对比分析，发现伦敦Ｓｔ　Ｊａｍｅｓ ’ ｓ　Ｐａｒｋ处地铁盾构隧道衬砌均质渗透系数约为2×10－11　ｍ · ｓ－1 ，是混凝土管片渗透系数1×10－13　ｍ · ｓ－1 的200倍，因此可以看出，接缝处渗水将导致衬砌均质渗透系数大幅提高。对于上海地铁隧道的衬砌，不同区间渗流情况不同，进而导致衬砌均质渗透系数相差很大。包鹤立利用Ｌｉ的半渗透理论公式，计算得到上海地区地铁盾构隧道衬砌均质渗透系数为ｋｌ＝3.89×10－11 ｍ · ｓ－1 ，并认为当衬砌均质渗透系数是土体渗透系数的1／ 100时可以反映真实的渗透情况。此外，根据《地铁设计规范》，上海地铁防水等级为二级、隧道最大渗水量＜0.1Ｌ · （ｍ2 ·ｄ）－1 ，经过等效计算可知隧道渗漏严重时，对应的管片等效渗透系数可达到10－10ｍ · ｓ－1 。隧道埋深为15ｍ，根据表１可知，隧道周围土体的渗透系数约为3×10－9　ｍ · ｓ－1 。因此，本文分别以土体渗透系数ｋｓ是衬砌均质渗透系数ｋｅｑ的10倍和100倍来衡量隧道渗漏水的严重程度。
　　另一方面，地下构筑物的存在会对地下水的渗流产生巨大的阻碍作用，从而影响地下水的补给，所以当隧道发生渗流时，有可能造成局部地下水位的不断降低。因此，综合考虑各种情况，设置４种不同工况，见表2 。其中，工况1和2假设地层中有充足的水源补给，即保证地下水位不会发生变化；工况3和4假设地层中没有任何水源的补给，地下水位会随着渗流的发生而逐渐降低。

2.4　计算步骤及边界条件的设置
　　本文主要考虑地铁运营期隧道渗流产生的影响，因此对隧道复杂的施工过程做简化处理。根据ＡＢＡＱＵＳ的计算特点设计的计算步骤为：第 1步，设置初始地应力平衡；第2步，对开挖区土体模量折减以达到应力释放的效果；第3步，将开挖区的土体单元 “移除”且同时 “添加”衬砌单元；第4步，设置长期渗流固结，为保证渗流达到稳定状态，计算渗流时间为5000ｄ。
　　位移边界条件为：地表不受约束，模型底面竖向位移为零，模型侧边竖向位移自由、横向位移为零。渗水边界条件根据计算步骤的不同有所不同：在施工阶段，由于施工期较短且渗透系数较小，因此可以看作不发生渗水，隧道渗流只在长期固结过程中发生。根据初始静水压力的大小设置模型侧边的初始孔压分布，模型底面不渗水，隧道衬砌内边界的孔压设置为零；对于工况 1 和 2 ，通过设置地表的孔压恒定为零实现地下水位保持恒定不变。而对于工况3和4，模型中的地下水位会随着隧道渗流而不断降低。
3　隧道长期渗水的影响分析
3.1　隧道周围孔压分布
　　隧道拱腰处孔压随渗流时间变化而变化的曲线如图8所示。由图8可知：
　　（1）在保持地下水位不变的情况下，经过约3000ｄ，对于工况1和2 ，隧道周围孔压最终能达到稳定，并保持稳定渗流的状态，此时，工况1对应的孔压明显小于工况 2对应的孔压；
　　（2）在地下水位持续降低的情况下，在本文的有效计算时间内（5000ｄ），工况3和4对应的孔压持续减小，且没有达到稳定状态的趋势。但与工况1和 2相同的是，渗流越严重，孔压降低越明显。

　　上述结果表明，不同渗流程度决定了长期渗流稳定后孔压的大小分布，进而可知土体与衬砌的相对渗透系数决定了隧道渗流稳定后的孔压分布情况。对于工况3和4 ，由于没有外部水源补给，随着渗流发生，地下水位不断降低，导致孔压无法达到稳定。
　　图9（ａ）和（ｂ）分别为工况1和2长期渗流稳定后隧道周围的孔压分布云图，从图中可以看出，渗流严重的工况对应的隧道周围的孔压云图明显较小。图9 （ｃ）和（ｄ）分别为渗流3000ｄ后，工况3和4对应的隧道周围孔压分布图，对比可知，随着渗流的发生，地下水位明显下降，且渗流越严重地下水位下降越显著。
3.2　地表沉降
　　当隧道发生渗水时，隧道周围形成渗流场，进而使隧道周围土体发生固结沉降。因此，在地铁隧道长期运营过程中，随着渗流的发生，土体沉降不断增加。图10为地表沉降随渗流时间变化而变化的曲线，经过渗流5000ｄ后，隧道中心对应的地表沉降即为地表最大沉降。

　　从图8和图10可以得到以下结论：
　　（1）地表长期沉降规律与相应的孔压变化规律相似，且两者达到稳定的时间近似相等。这是由于隧道渗流导致地表发生沉降的本质原因是固结沉降，即渗流的发生导致了隧道周围孔压减小、土体有效应力增加，因此，在保持地下水位不变的情况下，孔压的稳定促使地表沉降最终达到稳定状态。
　　（2）渗流程度不同导致孔压稳定后的分布不同，进而导致地表沉降相差很大，即渗流越严重，地表沉降越大。工况1和2对应的地表沉降稳定后的沉降值分别为150和42ｍｍ。经过现场实测发现，隧道中心对应的地表长期沉降约为52ｍｍ，由于工况2的渗流条件更能反映本区间的实际情况，因此可以看出，此区间长期渗流导致的地表沉降约占实际沉降的80％。
　　（3）若地下水位持续降低，土中的有效应力会随着地表水位的降低而不断变化，且水位线以上的土体有效应力不断增大。在本文的计算时间内，工况3和4仍未有达到稳定的趋势。工况3证明在没有外部水源补充的条件下，若隧道渗流严重，随着地表水位的持续降低，在短时间内地表就会发生较大的沉降，这会对邻近的地面建筑物产生很大的危害。
3.3　管片的轴力与弯矩
　　随着渗流固结的不断发生，隧道的椭圆化变形不断加剧，隧道的内力也随之改变。椭圆化变形会导致衬砌不同部位的内力变化趋势不同。图 11 和图 12为不同渗流工况下管片内力（轴力和弯矩）随时间变化而变化的曲线，从图中可以得出如下结论。

　　（1）隧道的椭圆化变形加剧了隧道拱腰处管片的压缩，导致隧道拱腰处管片Ｂ点的轴力和弯矩（弯矩的负号表示管片外壁受拉）随渗流时间增加而不断增大。隧道的椭圆化变形同时导致了隧道拱顶和拱底处的弯矩增大而轴力减小，即管片Ａ点和Ｃ点处的弯矩增大而轴力减小。
　　（2）当地下水位保持不变时，隧道内力经过长期渗流最终会趋于稳定，且其达到稳定的时间与孔压、地表沉降达到稳定时间相当，如图11（ａ）和图12（ａ）所示。这说明隧道内力的变化趋势与孔压、地表沉降变化趋势相同。
　　（3）当地下水位持续降低时，隧道内力会随着水位的降低逐渐改变，如图11（ｂ）和图12（ｂ）所示，且在5000ｄ的计算时间内仍没有达到稳定的趋势，这同样与相应的孔压、地表沉降情况相同。
　　图13和图14分别为经过5000ｄ渗流后各工况对应的管片轴力和弯矩分布图，其中0°表示隧道的顶部，180°表示隧道的底部。从图中可以得到如下结论：
　　（1）相对于初始状态，渗流使管片的轴力和弯矩发生了明显的改变，且变化量与渗流严重程度、地下水位密切相关。
　　（2）由于渗流导致隧道发生椭圆化变形，管片轴力在隧道拱腰处增大，而在隧道拱顶和拱底处减小。与轴力变化趋势不同，渗流导致管片各部位的弯矩都明显增大。轴力的最大改变量发生在隧道顶部，而弯矩的最大改变量发生在隧道拱腰处。
　　（3）综合对比轴力和弯矩在管片各部位的变化情况可知，拱腰处的内力增加量最为明显，是内力变化最值得关注的地方。工况 1 — 4对应的轴力增加量分别为初始状态的 5％，1％， 8％，3％，而弯矩增加量分别为58％， 15％， 106％， 43％。

　　以上分析说明，当地下水位随着渗流不断降低时，长期渗流对隧道内力的影响最严重。因此，当隧道周围有大规模的地下构筑物时，构筑物的存在会阻碍地下水的流动，尤其是渗漏水较严重的区间段，此处地铁隧道的长期渗流非常值得关注。
4　结　论
　　本文以上海地铁盾构隧道为例，建立符合横向刚度要求的盾构隧道渗流计算模型，通过设置不同的渗流形式，计算分析了孔压分布、地表沉降和管片内力随渗流时间变化而变化的过程，主要得到了以下结论：
　　（1）隧道渗流程度决定了周围土体孔压分布和地表沉降的大小。渗流越严重，孔压减小越明显、地表沉降越大。
　　（2）当地下水位不变时，同种工况下的孔压、地表沉降、衬砌内力的变化规律相似，且几乎会在相同的时间内达到稳定状态；当地下水位持续降低时，上述计算量会持续改变且变化幅度非常显著。因此，在地下构筑物复杂的区域，隧道长期渗流造成的影响更突出。
　　（3）渗流使管片的轴力和弯矩发生了明显的改变，改变量与渗流的严重程度和地下水位情况密切相关。隧道的椭圆化变形导致隧道拱腰处的弯矩增加量最大、轴力增加量也十分显著。以工况１为例，长期渗流稳定后，隧道拱腰处的轴力和弯矩分别增加5％和58％，而当地下水位随渗流不断降低时，轴力和弯矩在此处的变化量更加明显。因此，在渗流严重且没有外部水源补给情况下，长期渗流使地下水位不断下降，导致隧道拱腰处的管片内力增加量最显著，对地铁盾构隧道的安全运营造成严重威胁。