砂質(zhì)粉土地層盾構(gòu)開挖流

1、 砂質(zhì)粉土地層盾構(gòu)開挖流-固耦合數(shù)值模擬 摘 要：以杭州地鐵 1#線喬司北站臨平高鐵站盾構(gòu)隧道為工程背景，基于流固耦合分析理論，結(jié)合盾構(gòu)隧道區(qū)的地質(zhì)及水文條件，采用有限差分法對施工期盾構(gòu)隧道周圍土體及襯砌結(jié)構(gòu)進行流固耦合分析。計算中考慮了隧道分部開挖、盾尾注漿等施工步驟，分析了盾構(gòu)施工土體沉降及超孔隙水壓力的變化。將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場量測值進行比較，說明考慮流固耦合作用時的計算結(jié)果與實測值相接近，所得結(jié)論對類似工程具有重要參考價值。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；FLAC3D；流固耦合；孔隙水壓力；沉降       沿海軟土地區(qū)

2、在地鐵修建過程中，土層內(nèi)豐富的含水量給地鐵區(qū)間隧道的施工帶來較大影響，隧道施工擾動土體致使地下水流失，破壞原始水土平衡，引起周圍土體內(nèi)部孔隙水壓力的變化，使地層發(fā)生排水固結(jié)引起地表沉降1，2。盾構(gòu)隧道開挖的流固耦合問題一直是學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點問題3，4，陳健云等采用流固耦合分析方法對大直徑輸水隧道進行了研究5；富海鷹對隧道的非降水施工引起的地表沉降進行了研究6；席錦州等對富水地層地鐵隧道開挖引起地表固結(jié)沉降進行了研究7。針對不同的施工方法和施工工藝，流固耦合下盾構(gòu)隧道開挖導(dǎo)致地面沉降的研究相對比較缺乏。本文應(yīng)用FLAC3D 有限差分軟件對非降水施工進行流固耦合數(shù)值模擬分析，得到了盾構(gòu)施工

3、中的孔隙水壓力和地面沉降等情況，并結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比。 一、流固耦合計算原理      FLAC3D 是國際通用的巖土工程專業(yè)分析軟件8。流固耦合是指不同流體流動與土結(jié)構(gòu)平衡條件之間的相互作用，即連續(xù)方程與平衡方程的解。FLAC3D 適于模擬土體的流固耦合現(xiàn)象，在模擬巖土的流固耦合機理時，將巖土體視作多孔介質(zhì)，流體在孔隙介質(zhì)中的流動依據(jù) Darcy 定律，同時滿足 Biot 方程。      FLAC3D 定義四種邊界條件，它們分別對應(yīng)以下情況9：（1）給定孔

4、隙壓力；（2）已知的邊界的流量法向的分量；（3）滲流邊界；（4）不滲透邊界。 二、工程概況及建模1工程概況      杭州地鐵 1#線喬司北站臨平高鐵站盾構(gòu)隧道，地處杭州市余杭區(qū)喬司鎮(zhèn)至臨平鎮(zhèn)，起點樁號 K36+672.001，終點樁號 K37+420.000 擬建場地沿線現(xiàn)以農(nóng)田、空地、民居為主，沿線地勢起伏平坦，自然地面標高 3.995.66m。盾構(gòu)隧道穿過的地層為主要砂質(zhì)粉土層，左、右線盾構(gòu)隧道軸線相距 13.0m，設(shè)計隧洞內(nèi)徑 5,500mm，襯砌采用 C50鋼筋混凝土拼裝式管片，管片標準塊厚度 350mm。2材料參數(shù)

5、0;     根據(jù)本工程的勘察報告，相關(guān)計算參數(shù)見表 1。3本構(gòu)模型及計算假定      土體采用修正的 MohrCoulomb 模型，管片襯砌采用彈性模型，上述材料均采用線彈性小變形材料模型，管片微透水。地表和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布，計算中不考慮管片接頭影響以及錯縫拼裝方式對襯砌整體剛度的折減作用。開挖步驟為先進行左邊隧道的開挖，盾構(gòu)每個推進步長為 6m，每期開挖結(jié)束，安設(shè)管片襯砌，施加支護壓力，待左邊隧道全部開挖完成后再進行右邊隧道的開挖。根據(jù)現(xiàn)場實地勘察，地下水位距地表面為 0.62.1m，計算

6、時地下水位近似取為地表，左右邊界均為不透水。 4有限差分模型      幾何坐標系以左、右進洞口圓心連線中點為原點，原點沿盾構(gòu)推進方向為 y 軸正向，x 坐標以面向洞口時原點向右側(cè)為正，z 坐標以豎直向上為正。模型 x 向選取樁號K36+900K36+936 段共 36 m，（0y36），y 向自 x軸向兩側(cè)各取 32.5 m（-32.5y32.5）。z 向從地表取至7 層粉質(zhì)粘土層底（-26z14），厚度共 40 m。模型共計35712 個單元，38076 個節(jié)點，三維有限差分模型見下圖 2。 三、流固耦合計算結(jié)果分析1孔

7、隙水壓力分布特征      盾構(gòu)隧道開挖引起超孔隙水壓力產(chǎn)生和消散的過程，地層受擾動后，其內(nèi)部的孔壓分布與靜水位狀態(tài)下明顯不同，即產(chǎn)生了超孔隙水壓力，進一步引起孔隙水在地層內(nèi)部的流動。左右隧道均開挖后達到穩(wěn)定狀態(tài)時的孔隙水壓力云圖如圖 2 所示。從隧道橫剖面內(nèi)的孔隙      水壓力變化來看，隧道開挖后，遠場孔隙水在水壓作用下向臨空面流動最終達到穩(wěn)態(tài)。圖 3 流體矢量顯示了孔隙水向隧道方向的滲流。      通過對隧道內(nèi)部孔隙水壓力的變化研究可知

8、盾構(gòu)向前推進時，掌子面上部土體的孔隙水壓力先上升，產(chǎn)生超孔隙水壓力，當盾尾通過后，孔隙水壓力逐漸消散，隧道襯砌管片安裝和壁后注漿完成后，孔隙水壓力趨于穩(wěn)定。盾構(gòu)通過前后引起的孔隙水壓力的上升和下降則造成了隧道上部土體的隆起和沉降。2沉降結(jié)果分析      地層最初處于平衡狀態(tài)，隧道開挖后，孔隙水壓力降低, 使得有效應(yīng)力增大，原有的平衡狀態(tài)遭到破壞。在宏觀上表現(xiàn)為地層的變形和沉降，這種變化一直要持續(xù)到建立新的滲流應(yīng)力的平衡為止。考慮流固耦合的地表沉降模擬結(jié)果見圖 4圖 6。      通過對盾構(gòu)開

9、挖左線正上方地表某點縱向沉降計算值和實測值的對比分析（圖 4），可知盾構(gòu)沿左線推進時，掌子面前方地表先有一定量的隆起，隆起量約為 2mm。但當盾構(gòu)通過時，由于地層受擾動、盾尾空隙和孔隙水壓力消散等共同作用，地表產(chǎn)生沉降，沉降量約 68mm。襯砌管片安裝后經(jīng) 45d 地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定。通過盾構(gòu)開挖左線上方地表某點縱向沉降計算值與實測值的對比，可知地表的沉降趨勢與沉降值的數(shù)值計算值和實測值結(jié)果相符合。      由圖 56 可知，在考慮流固耦合時，地表處的豎向位移在先開挖的左隧道上部較大，位移最大處約為 16mm，沉降位移向左右兩邊逐漸減小。由

10、于開挖后的卸載引起的隧道底部土體回彈，加上隧道失水時地層的水有從下往上的一個逆流過程，故盾構(gòu)隧道開挖后隧道底部的土體有一定程度的隆起，隆起量約為 3mm。3不考慮地下水作用的數(shù)值模擬分析      在不考慮地下水滲流作用時，模擬時采用的幾何模型、材料參數(shù)、施工方法和支護方式與耦合模型相同。這種模型與流固耦合模型的本質(zhì)區(qū)別在于初始孔隙水壓力分布場的不同。不考慮地下水模型認為，在施工中孔隙水壓力不改變。      從圖 7 三種不同的方法得到的地表沉降位移曲線中可知，未考慮流固耦合計算得到的最大地表

11、沉降約 6.9 mm，與實際測量最大地表沉降 21mm 差別較大。而采用了流固耦合模型計算得到的最大地表沉降約為 16 mm，與工程實際測量的值更為接近。流固耦合模型考慮了土水之間的相互作用，在計算中，平衡方程和滲流方程同時進行求解。對于實際工程來說，流固耦合模型更適合描述這一過程。 四、結(jié)論      （1）本文運用 FLAC3D 建立有限差分模型，對砂質(zhì)粉土地層盾構(gòu)開挖進行了流固耦合分析，并結(jié)合現(xiàn)場實測資料，說明流固耦合模型能較好地地模擬實測得到的超孔隙水壓力產(chǎn)生和消散的規(guī)律，以及盾構(gòu)開挖引起的土體固結(jié)沉降現(xiàn)象。 

12、60;    （2）盾構(gòu)推進對其周圍地層的孔隙水壓力影響較為明顯。隨著盾構(gòu)開挖面的接近，隧道掌子面前方土體產(chǎn)生超孔隙水壓力，待盾構(gòu)通過后孔隙水壓力逐漸消散并趨于穩(wěn)定。      （3）盾構(gòu)在砂質(zhì)粉土地層推進過程中，對于區(qū)間隧道任意橫斷面，盾構(gòu)在到達該橫斷面前，地表先有輕微隆起，盾構(gòu)通過后地表產(chǎn)生沉降。      （4）盾構(gòu)開挖時必須加強對地下水位、地表沉降和襯砌內(nèi)力與變形的監(jiān)測，并設(shè)置監(jiān)測警戒值，實現(xiàn)信息化施工，減少盾構(gòu)開挖對土體環(huán)境的影響。 參考文獻1

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