軟土盾構隧道局部滲漏引起的沉降計算與分析

張柏林

（南京地下鐵道有限責任公司，210024，南京／／教授級高級工程師）

0 引言

地鐵盾構隧道滲漏水會使得隧道周邊土體孔隙水壓力降低，有效應力增加，進而使土體壓密產生沉降，而局部的滲漏會導致結構的不均勻沉降，使隧道產生彎曲，導致隧道接縫張開，從而進一步加劇隧道的滲漏和沉降。若隧道的滲漏水問題得不到有效地控制，必然會影響結構的耐久性和設備的正常使用，危及行車安全。

國內外學者已對隧道的滲漏問題進行了大量的研究。文獻［1］采用彈塑性理論首次引入了隧道襯砌有限滲透性的概念來模擬英國Grilnsby隧道11年來不斷發展的地表長期沉降。文獻［2］在Perzyna的流變理論和修正劍橋模型的理論框架下構建彈黏塑性時效性本構模型，耦合Biot固結理論針對隧道不同有限滲透性的條件下對隧道地表的長期沉降發展進行了研究。文獻［3］、［4］應用力學和滲漏耦合的方法，從隧道滲漏角度，計算并分析了隧道相對周圍軟土不同滲透系數比條件下的隧道沉降，分析了滲漏沉降穩定時間。文獻［5］通過增加滲漏點的個數并改變區間隧道的總滲漏量，討論管片滲漏對地鐵隧道長期沉降的影響規律。文獻［6］建立了隧道周圍孔隙水壓力、地層及隧道長期沉降解析計算方法，探討了隧道不同滲流量對孔壓及地層和隧道長期沉降的影響規律。上述文獻均是在相對滲透性概念基礎之上來研究地鐵結構滲漏和沉降的關系。事實上，襯砌的滲透性并不是指隧道襯砌混凝土的滲透特性，而是指隧道襯砌在管片拼縫、裂縫、注漿孔、螺栓孔等位置處的局部滲流。文獻［7］通過管片接頭弱化和接頭滲流路徑的設置，建立了一種既能符合盾構隧道剛度要求又能實現局部接頭滲水的模型。

本文基于有限元模擬，通過對隧道襯砌局部滲漏的模擬，研究局部滲漏對地鐵隧道長期沉降的影響大小及影響規律。既可為地鐵隧道的沉降控制提供依據，也可為盾構隧道的防水提供參考。

1 有限元模型

采用ADINA 有限元分析軟件建立平面應變計算模型，模型橫向寬120 m，根據隧道斷面埋深的不同，模型在深度方向尺寸可變?？紤]到南京地區歷年地下水位變化情況，取地下水位為地表以下1.0m。計算模型如圖1所示。

數值模擬中邊界條件包括兩類：一類為位移邊界條件，另一類為與孔隙水壓力有關的滲流邊界條件。具體描述為：土層底部位移完全約束；土體兩側水平向位移限制為零，豎向自由；地表完全自由。地表處以及隧道邊界可以滲水；模型底部和兩側設置透水邊界，即認為隧道周邊的地下水可以對滲漏進行補給。

圖1 計算模型示意圖

2 計算方法與步驟

以南京地鐵2號線某區間隧道為例闡明襯砌局部滲漏下地鐵隧道沉降的計算方法。首先利用ADINA軟件中的滲流場計算得到不同滲漏位置（拱頂、拱腰和拱底）滲流達到穩定時的靜水位分布情況；再將滲漏前和滲流達到穩定時相應的靜水位的變化量從滲流場中導出，將其代入ADINA軟件中的結構場進行變形計算。假定隧道襯砌和地基土體協同變形，則隧道的沉降值即為隧道下部土體的變形量。

計算所選隧道斷面模型總寬120 m，深度45 m，隧道埋深18.2 m。當隧道拱頂發生滲漏時，初始潛水位到滲漏點位的土層分布和靜水壓力如圖2所示。各土層的物理力學指標統計見表1。

本文主要采用調整參數進行試算的方法得到沉降時程曲線，具體處理方法如下：

（1）在A點處的襯砌內表面施加抽水孔壓，大小為理論三角形分布的函數：

式中：

p——滲漏點位的空孔隙水壓力；

α——折減系數，α＜1；

AB——滲漏位置理論水頭壓力。

（2）調整滲漏位置的抽水孔壓進行多次試算，當最終沉降符合滲流場中計算的沉降結果時，認為參數調試完畢，即可獲得相關計算結果。圖3為拱頂滲漏時的沉降時程曲線。

表1 某區間土層的物理力學指標

3 隧道滲漏沉降的影響因素及規律

為了分析不同滲漏點位置、下臥土層及埋深對隧道長期沉降的影響，采用變化單一影響因素的方法對滲漏引起的沉降大小及規律進行了模擬。在分析滲漏點位置對長期沉降的影響規律時，假定隧道埋深為2D（D為隧道外徑），土層分別為單一的淤泥質粉質黏土、粉土及粉砂3種土層時，拱頂、拱腰、拱底位置滲漏對隧道長期沉降的影響見圖4。從圖4中可以看出，滲漏引起的沉降幅值與滲漏點位有關，拱底滲漏引起的沉降最大，拱腰次之，拱底最小。

在分析下臥土層對隧道滲漏沉降的影響時，假定隧道埋深分別為1D，隧道基底以上為淤泥質粉質黏土，下臥土層分別為淤泥質粉質黏土、粉土、粉砂時，拱頂、拱腰、拱底滲漏對隧道結構長期沉降的影響見圖5。從圖5中可以看出，拱腰和拱底滲漏引起的沉降幅值與下臥土層的性質密切相關，淤泥質土層中滲漏引起的沉降較大，粉土次之，粉砂最小，但拱頂滲漏時三者沉降相差不大。

圖2 壓縮土層和水壓力分布情況

圖3 拱頂滲漏沉降時程曲線

圖4 沉降量與滲漏點位置關系曲線圖

圖5 沉降量與下臥土層性質關系

同樣地，在分析埋深對隧道滲漏沉降的影響規律時，考慮隧道位于單一的淤泥質粉質黏土中，假定隧道埋深分別為1D、2D、3D（D為隧道外徑），拱頂、拱腰、拱底滲漏對隧道長期沉降的影響見圖6。從圖6中可以看出，滲漏引起的沉降幅值與隧道埋深有關，隨著隧道埋深的加大，滲漏沉降量減小。

圖6 沉降量與埋深關系曲線圖

4 結論

（1）隧道滲漏對結構長期沉降影響的大小需要從滲漏位置、下臥土層的土性及隧道埋深等角度綜合考慮。

（2）隧道局部滲漏引起的沉降與滲漏點位置有關，同一斷面拱底滲漏引起的沉降最大，拱腰次之，拱底最小。

（3）隧道局部滲漏引起的沉降幅值與下臥土層的性質有關，淤泥質土層中滲漏引起的沉降較大，粉土次之，粉砂最小。

（4）隧道局部滲漏引起的沉降幅值與隧道埋深有關，隨著隧道埋深的加大，滲漏沉降量減小。

［1］Reilly M P，Mair R J，Alderman G H.Long－term settlements over tunnels：an eleven－year study at Grimsby［C］∥Proceedings of Conference Tunnelling.London：Institution of Mining and Metallurgy，1991：55.

［2］張冬梅.軟黏土時效特性分析及隧道長期沉降的預測［D］.上海：同濟大學土木工程學院，2003.

［3］包鶴立.襯砌局部滲漏條件下軟土盾構隧道的長期性態研究［D］.上海：同濟大學土木工程學院，2008.

［4］鄭永來，李美利，王明洋，等.軟土隧道滲漏對隧道及地面沉降影響研究［J］.巖土工程學報，2005，27（2）：243.

［5］吳懷娜，胡蒙達，許燁霜，等.管片局部滲漏對地鐵隧道長期沉降的影響規律［J］.地下空間與工程學報，2009，5（增2）：1609.

［6］張冬梅，劉印，黃宏偉.軟土盾構隧道滲流引起的地層和隧道沉降［J］.同濟大學學報：自然科學版，2013，41（8）：1185.

［7］劉印，張東梅，黃宏偉.盾構隧道局部長期滲水對隧道變形及地表沉降的影響分析［J］.巖土力學，2013，34（1）：290.

［8］王建.地鐵盾構隧道結構設計的工況及設計參數研究［J］.城市軌道交通研究，2013（1）：70.