富水軟土地層地鐵隧道開挖地層固結沉降數值模擬

漆泰岳,譚代明,高 波

(西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

富水軟土地層地鐵隧道開挖地層固結沉降數值模擬

漆泰岳,譚代明,高 波

(西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031)

為了對富水軟土地層地鐵隧道開挖引起的地層固結進行定量研究,考慮流固耦合效應和施工力學效應的綜合作用,應用FLAC3D對降水、動態降水和非降水3種工法進行數值模擬的對比研究,分別得到了地表沉降和地層固結沉降曲面。研究結果表明,3種工法引起的地表沉降量分別為:非降水法29mm、動態降水法60mm和降水法116mm,它們的比值大致為1∶2∶4,地層固結沉降量占各自的整個地表沉降量的比率分別為:非降水法27%;動態降水法50%;降水法79%。顯然,非降水法是在富水軟土地層地鐵隧道施工中控制地層固結沉降最有效的方法。計算結果與現場實測資料進行比較,兩者十分接近。研究成果已成功地應用于深圳地鐵工程中。

地鐵隧道;地表沉降;地層損失;地層固結沉降;流固耦合

1 引言

地鐵隧道開挖必然會引起地表沉降,地表沉降主要由地層損失沉降和地層固結沉降兩部分組成。在富水軟土地層中,地鐵隧道開挖會引起地下水流失,破壞原有的水土壓力平衡,引起地層重新固結,使地層發生整體沉降。研究表明:在富水軟土地層中,隧道開挖引起的地層固結沉降占整個地表沉降的比重較大,地層固結沉降是一個不容忽視的問題[1,2]。

流固耦合問題一直是學術界和巖土工程界關注的熱點問題[4-10],針對在富水軟土地層中地鐵隧道施工引起的地表沉降問題,同時要考慮流固耦合效應和施工力學效應的綜合作用[2,7,8,11],才能獲得比較符合實際的數值分析結論。本文應用FLAC3D對降水、動態降水和非降水3種工法引起的地表沉降進行對比研究,分別得到了3種工法的地表沉降和地層固結沉降曲面和曲線,并且與現場實測曲線進行對比,進而提出非降水法是控制富水軟土地層地表沉降最有效的方法。

所謂降水法就是在隧道未開挖之前,首先在隧道兩側布置降水井開始抽水,將地下水水位下降到隧道底板標高以下,在隧道掌子面形成“無水”施工環境,以使掌子面揭露出的地層穩定,改善工作環境,確保施工安全。

動態降水法就是在隧道掌子面進行超前預加固的同時,在隧道掌子面處進行局部降水,在隧道掌子面局部形成“無水”施工環境,隨著掌子面推進降水點也隨之移動,使地下水位只在掌子面處有所下降,隨后地下水水位又迅速恢復到原來的位置,以減小由于降水引起的地表沉降和對地層的擾動。

非降水法就是在開挖隧道之前,采用水平旋噴樁對隧道掌子面前方和周邊進行加固(圖1),形成隔水帷幕圈,再開挖隧道。非降水法所形成的超前加固圈既阻止了地下水從隧道掌子面新揭露的地層向隧道內的滲漏,又對掌子面前方和周邊地層進行了改性加固,提高了隧道掌子面和周邊地層的力學和抗滲指標。

圖1 水平旋噴樁布置圖Fig.1 The drawing of horizontal rotary-sprayed piles

2 數值模型

2.1 工程地質和水文條件

本文以深圳大劇院～科技館區間隧道工程為例,研究富水地層地鐵隧道開挖引起的地表沉降問題。深圳地鐵1號線的工程地質水文條件的特點是:富水軟弱地層、地下水位高(地下水水位在-2m的位置,地表標高為0m)、工程地質條件差、地表沉降控制要求高、時有較厚的承壓水砂層侵入隧道。地層柱狀和區間隧道布置如圖2所示。圖2所示是3m厚的承壓水砂層侵入隧道的地段,也是本工程隧道施工最危險的地段。

圖2 地層柱狀和隧道布置圖Fig.2 Lay plot of strata and tunnels

2.2 模型參數

假定地層為應變軟化材料,水平旋噴樁加固圈為摩爾-庫侖材料,如表1所示。地層和水平旋噴樁加固圈的滲流參數如表2所示。

表1 圍巖和水平旋噴樁加固圈材料力學參數[1,17,18]Tab.1 Material properties of strata and horizontal rotary-sprayed piles

表2 地層和水平旋噴樁材料的滲流參數[1,12-16]Tab.2 Seepage properties of strata and horizontal rotary-sprayed piles

2.3 模型尺寸及規模

模型尺寸:寬×厚×高=X×Y×Z=100×50× 40m,隧道斷面形狀為馬蹄形,寬6.3m、高6.6m,左、右線隧道間距14.6m,左、右線隧道分別距模型左、右邊界36.4m,隧道拱頂距地表15.2m,隧道底板距模型底板邊界18.2m。水平旋噴樁加固圈厚度2m、預加固長度6～16m,降水井距左、右線隧道邊界為5m、間距10m、深26m。模型由45150個實體單元組成(圖3(a)),初期支護采用殼單元模擬,殼單元的參數如表3所示。左、右線隧道采用短臺階開挖,臺階長度4m(圖3(b))。

圖3 三維數值模型Fig.3 3D numericalmodel

表3 殼單元(初期支護)力學參數[17,18]Tab.3 Properties of shell elements

3 流固耦合數值模擬原理

FLAC3D為模擬巖土內滲流狀態提供了有效的分析工具,該軟件在應用三維快速拉格朗日方法模擬巖土的流固耦合機理時,將巖土體視作多孔介質,流體在孔隙介質中的流動依據Darcy定律,同時滿足Biot方程。下面介紹有限差分法進行流固耦合計算時的幾個基本方程[19]。

3.1 流體運動方程

用Darcy定律來描述流體的運動,對于均質、各向同性的固體和流體,密度是常數的情況下,運動方程為:

式中,qi為i方向的流速,m/s;ki為滲流系數, m/(Pa·s);s為孔隙材料的飽和度;p為流體孔隙壓力,Pa;ρf為流體比重,kg/m3;xj為流體的高度差, m;gj為重力加速度,m/s2。

3.2 平衡方程

勢能平衡方程形式為:

式中,σij為孔隙材料的總應力,即飽和土層的總應力,Pa;ρ為孔隙材料的比重,ρ=(1-n)ρs+ nsρw,kg/m3,其中ρs、ρf分別為固體材料的干比重和流體的比重;vi為孔隙材料的速度,m/s。

3.3 本構方程

固體體積應變的改變將引起流體孔隙壓力的變化,反過來,孔隙壓力的改變也會導致體積應變的變化。

式中,M為B iot模量,N/m2;n為孔隙材料的孔隙率;s為孔隙材料的飽和度;ζ為單位體積孔隙材料的流體體積變化率;α為B iot系數;β為不排水熱量系數,1/℃,用來考慮流體和滲流介質的熱力效應;ε為孔隙材料的應變;T為溫度,℃。

(2)孔隙介質本構方程的增量形式為:

式中,δij為Kronecker常量(當i=j時,取1;否則為0)。

3.4 相容方程

應變速率和速度梯度之間的關系如下:

式中,νi,j為孔隙材料的速度。

3.5 邊界條件

在FALC3D中有4種滲透邊界條件:(1)給定孔隙水壓力;(2)給定邊界上外法線方向的流速分量; (3)透水邊界;(4)不透水邊界。在FLAC3D中默認的邊界條件為不透水邊界。

在初始化條件時,根據實際的工程條件,對模型邊界作了以下定義:(1)模型邊界為透水邊界;(2)根據地下水的水位標高,在模型邊界給定三角形梯度分布的孔隙水壓力;(3)在隧道掌子面和沒有施做噴射混凝土層的初期支護段的邊界面上,給孔隙水壓力賦值為0;(4)在模擬降水施工法和動態降水施工法時,給在降水井降水位置的孔隙水壓力賦值為0;(5)對模型邊界進行位移約束。

4 左、右線隧道超前距離

模擬結果表明,當左、右線隧道齊頭同步掘進時(即超前距為0m時),左、右線隧道施工應力相互疊加,彼此影響最大,是最不利的;當右線隧道超前左線隧道16m以上,施工應力疊加影響已經不是十分明顯。因此,確定右線隧道超前左線隧道16m開挖掘進。在實際工程中采納了此研究成果。

5 地下水位的變化與地表沉降的差異

根據上節的研究成果,采取了右線隧道超前左線16m的開挖掘進方式,右線上臺階在y=34m,左線上臺階在y=18m,臺階長度4m。

圖4是降水、動態降水和非降水工法的孔隙水壓力分布圖。圖5和圖6分別是3種工法的地表沉降曲面和地表沉降槽曲線。從圖4～圖6可知:

(1)3種工法孔隙水水壓0MPa位置的差別較大(圖4)。降水法在隧道周邊已將水位降到隧道底板標高以下,整體水位下降到-8～-26m;動態降水法在隧道掌子面底板位置孔隙水壓力達到0MPa,整體水位下降到-6～-8m;非降水法整體水位大致下降到-6m的位置;在3種工法中,降水法使地下水水位下降的幅度最大,非降水法則最小,影響范圍也最小。

(2)3種工法的地表沉降曲面差別較大,發生最大地表沉降變形量的位置也不盡相同(圖5)。降水法的地表沉降曲面較對稱,沉降變形也最大,發生最大地表沉降變形量最大的位置在x=54.4762m, y=14m,此處的沉降量達到-116.5mm;動態降水法的地表沉降曲面則與其在隧道掌子面局部降水有關,表現出在隧道掌子面處的沉降變形最大,發生最大地表沉降量的位置在x=40.468m,y=6m,此處的沉降量為-60.625mm,此處恰恰在左線掌子面后方8m的位置,其絕對值大約是降水法的1/2;非降水法的地表沉降曲面也是較為對稱的,該工法控制地下水流失的作用十分明顯,地表沉降變形最小,發生最大沉降量的位置在x=54.766m,y=6m,此處的沉降量為-29mm,大約是降水法的1/3;非降水、動態降水和降水法的地表沉降量的最大值的比值大致為1∶2∶4。

(3)3種工法地表沉降槽形狀相差較大(圖6)。降水法地表沉降槽與經典的沉降槽正態曲線較為吻合,但其它2種工法則與經典沉降槽正態曲線不完全一致,說明施工工法可以改變沉降槽的形狀。在y=14m的橫向斷面上(圖6),3種工法的最大絕對沉降量、最大相對沉降量和沉降槽寬度分別為:降水法是116mm、76mm和80m;動態降水法是56mm、15mm和70m;非降水法是28mm、11mm和45m。橫向X方向的位移量分別為:降水法±18mm;動態降水法±7mm;非降水法±3mm。在X方向發生最大水平位移的位置3種工法也不相同,降水法大致在距離左、右線隧道中心線外側的水平距離為20m處;動態降水法大致距離左線隧道中心線外側20m處,而距離右線隧道中心線外側14m處;非降水法大致距離左線隧道中心線外側20m處,距離右線隧道中心線外側22m處。在X方向發生最大水平位移的位置是地表受到拉伸破壞的區域,而在隧道兩側拉伸破壞區域之間的中間區域是地表受到擠壓破壞的區域,在拉伸破壞區域內對地面建筑物和地下構筑物(如:管道等)最有可能造成不利影響的區域。3種工法在Y方向的位移量都變化不大,降水法大致沒有變化,動態降水和非降水法有一定的波動,但波動幅度并不大。

圖4 3種工法孔隙水壓力剖面圖Fig.4 Contour section of pore pressure for the three methods

圖5 3種工法的地表沉降曲面Fig.5 Surfaces of ground surface subsidence for the three methods

圖7和圖8分別為降水法和非降水法時的實測地表沉降歷時曲線。比較圖6和圖7、圖8可以發現:

(1)實際工程中采用降水法的地表沉降量比數值模擬結果大得多(圖6與圖7比較)。經分析后發現,在實際工程中,采用降水法時從降水井排出的地下水和從隧道內涌入的地下水都含有大量泥砂,地下水和泥砂的流失引起的地層固結沉降和地層損失沉降的雙重效應,使地表沉降量遠遠大于數值模擬結果。

(2)采用非降水法施工的實際工程測量結果與數值模擬結果基本吻合(圖6與圖8比較)。采用非降水法施工后,在實際工程中地表沉降得到有效地控制,觀察滲漏到隧道內的地下水是清澈的,涌水量明顯減小,表明地下水滲漏到隧道內的過程中并沒有攜帶泥砂。因此,采用非降水法后的地表沉降得到了有效控制。

綜上所述,非降水法是富水軟土地層隧道施工時控制地表沉降最有效的施工方法。早期深圳地鐵1號線曾經采用過降水法施工,地表沉降達到-220mm以上,有些地段甚至達到-450mm(圖7),地處深圳市中心的深南大道地鐵1號線對地表沉降有嚴格要求,沉降量不得大于-30mm,由于地表沉降無法得到有效地控制,工程被迫停工。經上述研究后,在實際工程中采納了在困難地段采用非降水法施工的技術方案,取得了成功。

圖6 3種工法地表移動和沉降槽曲線(在y=14m處的剖面)Fig.6 Curves of strata movement and ground surface subsidence groove(the section in y=14m)

圖7 降水法實測地表沉降歷時曲線Fig.7 Curves of ground surface subsidence vs.time in field observation for dewateringmethod

圖8 非降水法實測地表沉降槽歷時曲線Fig.8 Subside-groove Curves of ground surface vs.time in field observation for non-dewateringmethod

6 不同工法的地層固結沉降差異

在模擬地層固結沉降時,不同的工法都選取了相同的模型參數,但在模擬計算時,分2種情況模擬分析,第1種情況是不考慮流固耦合效應(即只考慮施工力學效應),第2種情況是既考慮流固耦合又考慮施工力學雙重效應的組合作用,將兩種情況的模擬結果相減,得到不同工法各自的固結沉降量。

圖9是3種工法的地層固結沉降曲面。圖10是在y=14m處的橫向斷面的地層固結沉降曲線。

從圖9和圖10可以看出,3種工法的固結沉降曲面與地表沉降曲面的形狀大致相似,固結沉降量與地表沉降量的差別不盡相同。3種工法的最大固結沉降分別為:非降水8mm、動態降水30mm和降水92mm,各自占對應的地表沉降的比率大致為:非降水27%、動態降水50%和降水79%。不同工法控制地下水流失和對地層擾動程度是完全不同的,地下水流失越多和對地層的擾動越大,地層固結沉降量也越大,否則,反之。非降水法的固結沉降量占整個地表沉降量的比率最小,控制地下水流失的效果最好,對地層的擾動也最小。

圖9 3種工法地層固結沉降曲面Fig.9 Subside-groove surfaces of strata consolidation in the three methods

圖10 地層固結沉降曲線(y=14m橫斷面)Fig.10 Curves of strata consolidation subsidence in y=14m cross-sectional plane

7 結論

(1)地鐵隧道開挖引起的地層固結沉降是不容忽視的問題,應用數值模擬研究此問題時,應當考慮流固耦合效應和施工效應的組合作用,既可得到施工引起的地層損失而產生的地層沉降量,又可得到由于地下水流失和地層被隧道施工擾動而引起的地層重新固結沉降量,這兩者之和才是地層的整體沉降量。這樣才能有目的的指導現場施工,是以控制地層損失為主還是以控制固結沉降為主,決定采取合理的施工方案。

(2)合理的施工工法能有效地控制地表沉降量。非降水、動態降水和降水法的地表沉降分別為: 29mm、60mm和116mm,它們的比率大致為1∶2∶4,地層固結沉降量分別占各自地表沉降量的比率大致為27%、50%和79%。地層失水越多所引起的地層固結沉降量越大,非降水法是控制地層固結沉降變形最有效的方法,且在實際工程中取得了成功。

REFERENCES

[1] 漆泰岳,高波,馬亮.富水軟土地層地鐵開挖地表沉降離心模型試驗[J].西南交通大學學報,2006,41(2):184-189.(Q I Taiyue,GAO Bo,MA Liang.Centrifugal model test for ground surface subsidence cause by metro tunneling in saturated soft clay strata[J].Journal of Southwest JiaotongUniversity,2006,41(2): 184-189.(in Chinese))

[2] 吳波,劉維寧,索曉明.隧道降水施工地表沉降的滲流-應力耦合分析[J].巖石力學與工程學報,2006,25(增1):2979-2984.(WU Bo,L IUWeining,SUO Xiaoming.Seepage and stress coupling analysis of land subsidence induced by dewatering and tunneling.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006,25(supp.1):2979-2984.(in Chinese))

[3] 李又云,劉保健,謝永利.軟土結構性對滲透及固結沉降的影響[J].巖石力學與工程學報,2006,25(增2):3587-3592. (L I Youyun,L IU Baojian,XIE Yongli.Influencesofpermeability and consolidation settlement on structure of soft clay[J].Chinese Journal of RockMechanics and Engineering,2006,25(supp.2): 3587-3592.(in Chinese))

[4] 朱萬成,康玉梅,楊天鴻,李占海,劉繼山.基于數字圖像的巖石非均勻性表征技術在流固耦合分析中的應用巖[J].土工程學報,2006,28(12):2087-2091.(ZHU Wan-cheng1,KANG Yu-mei1,YANG Tian-hong,L I Zhan-hai,L IU Ji-shan.Application of digital image-based heterogeneity characterization in coupled hydromechanics of rock Chinese Journal of Geotechnical Engineering[J].2006,28(12):2087-2091.(in Chinese))

[5] 王志華,席仁強,陳國興.考慮流固耦合的橋梁樁基地震反應研究現狀.南京工業大學學報(自然科學版),2009,31(1): 106-112.(WANG Zhihua,XIRenqiang,CHEN Guoxing.State of arts on response of bridge of pile foundation under earthquake excitation[J].Journal ofNanjingUniversity of Technology(Natural Science Edition),2009,31(1):106-112.(in Chinese))

[6] 李祥春,郭勇義,吳世躍,聶百勝.考慮吸附膨脹應力影響的煤層瓦斯流-固耦合滲流數學模型及數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2007,26(增1):2743-2748.(L I Xiangchun,GUO Yongyi,WU Shiyue,N IE Baisheng.Mathematical model and numerical simulation of fluid-solid coupled flow of coal-bed gas considering swelling stress of adsorption[J].Chinese Journal of RockMechanics and Engineering,2007,26(supp.1):2743-2748.(in Chinese))

[7] 李建波,陳健云,李靜.滲流場對地鐵隧道沉降與受力影響的流固藕合分析[J].防災減災工程學報,2008,28(4):441-446.(L I Jianbo,CHEN Jianyun,L I Jing.Coupled fluid-mechanical analysis of settlement and stability of subway tunnel[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2008, 28(4):441-446.(in Chinese))

[8] 吉小明,王宇會,陽志元.隧道開挖問題中的流固耦合模型及數值模擬巖土力學[J].2007,28(增):379-384.(JI Xiaoming, WANG Yuhui,YANG Zhiyuan.Hydromechanical coupling model and numerical simulation of tunnel excavation[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(supp.):379-384.(in Chinese))

[9] 何翔,馮夏庭,張東曉.巖體流-固耦合的Taylor展開隨機有限元模擬[J].巖石力學與工程學報,2007,26(增1):2608-2612.(HE Xiang,FENG Xiating,ZHANG Dongxiao.Taylor extension stockastic FE simulation of fluid-solid coupling in rock [J].Chinese Journal of RockMechanics and Engineering,2007, 26(supp.1):2608-2612.(in Chinese))

[10] 張廣明,劉合,張勁,彪仿俊,吳恒安,王秀喜.油井水力壓裂流-固耦合非線性有限元數值模擬[J].石油學報,2009,30(1): 113-116.(ZHANG Guangming,L I U He,ZHAN GJin,B I AO Fangjun,WU Hengan,WANG Xiuxi.Simulation of hydraul ic fracturing of oilwell based on fluid-sol id coupl ing equation and non-linear finite element.ACTA PETROL EI S INI CA,2009,30 (1):113-116.(in Chinese))

[11] 張蓓.淺埋暗挖隧道施工引起地表沉降的控制措施研究[J].巖土工程技術,2007,21(5):265-268.(ZHANGBei.Ground settlement control measures in shallow depth excavation[J]. Geotechnical Engineering Technique,2007,21(5):265-268. (in Chinese))

[12] J.P.Carter,J.R.Booker,and J.C.Small.The Analysis of Finite Elasto-Plastic Consolidation[J].International Journal for Numerical and AnalyticalMethods in Geomechanics,1979(2): 107-129.

[13] P.A.Ver meer,andA.Verruijt.AnAccuracyCondition forConsolidation by Finite Elements[J],International Journal for Numerical and AnalyticalMethods in Geomechanics,1981(5):1-14.

[14] E.E.Alonso,A.Gens,A.Josa.A constitutive model for partially saturated soils[J].Geotechnique,1990,40(3):42-51.

[15] L.Barden.Consolidation of compacted and unsaturated clays [J].Geotechnique,1965,15(3):257-286.

[16] Bao Chenggang.Properties of unsaturated soils and slope stability of expansive soil[C],Proc.2nd Int.Conf.Unsat,Beijing,1998(2).

[17] 吳波,劉維寧,高波,等.地鐵分岔隧道施工性態的三維數值模擬與分析[J].巖石力學與工程學報,2004,23(18): 2451-2456.(Wu Bo,LiuWeining,Gao Bo,et al.3D simulation and analysis of construction behavior of forked metro tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23 (18):2451-2456.(in Chinese))

[18] 吳波,高波,駱建軍.地鐵區間隧道水平旋噴預加固效果數值模擬[J].西南交通大學學報,2004,39(5):605-608.(Wu Bo, Gao Bo,Luo Jianjun.Numerical simulation of reinforcing effect of horizontal drilling jet-ground pegs on Shenzhen metro tunnel between stations[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2004, 39(5):605-608.(in Chinese))

[19] Itasca Consulting Group Inc.FLAC.3D.User’s Guide[M]. USA:[s.n.],1997.

Numerical S imulation of Strata Consolidation Subsidence Induced byM etro Tunneling in Saturated Soft Clay Strata

Q I Tai-yue,TAN Dai-ming,GAO Bo
(Civil Engineering School,Southwest JiaotongUniversity,Chengdu 610031,Sichuan,China)

A quantitative research is conducted on the strata consolidation caused bymetro tunneling in saturated soft clay strata in an effort to select the best construction method.When the integrated effects of fluid-solid coupling and tunnelingmechanics are taken into account,FLAC3D is applied to conduct the numerical s imulation of pumping,dynamic pumping and non-pumping construction methods so as to respectively obtain the curved surfaces of both ground surface subsidence and strata consolidation subsidence,which largely approximate to the data by spotmeasuring.The research results reveal that the amount of ground surface subsidence caused by pumping,dynamic pumping and non-pumping construction methods is respectively 29 mm,60 mm and 116 mm with a ratio of 1∶2∶4 and that the percentage of strata consolidation subsidence vs.whole ground surface subsidence in the three methods is respectively 27%,50%and 79%.Apparently,the non-pumping construction method is the most effective method of controlling strata consolidation subsidence induced bymetro tunneling in saturated soft clay strata.The research results have been successfully applied in the construction of Shenzhen metro.

metro tunnel;ground surface subsidence;strata loss;strata consolidation subsidence;fluid-solid coupling

TD345

:A

:1009-3842(2010)01-0006-07

2010-01-19

漆泰岳(1958-),男,教授,重慶市人,博士,博士生導師,從事地下工程與隧道工程方面的研究。