砂质粉土地层盾构开挖流

砂质粉土地层盾构开挖流固耦合数值模拟摘要以杭州地铁1线乔司北站临平高铁站盾构隧道为工程背景，基于流固耦合分析理论，结合盾构隧道区的地质及水文条件，采用有限差分法对施工期盾构隧道周围土体及衬砌结构进行流固耦合分析。计算中考虑了隧道分部开挖、盾尾注浆等施工步骤，分析了盾构施工土体沉降及超孔隙水压力的变化。将数值模拟结果与现场量测值进行比较，说明考虑流固耦合作用时的计算结果与实测值相接近，所得结论对类似工程具有重要参考价值。关键词盾构隧道；FLAC3D；流固耦合；孔隙水压力；沉降沿海软土地区在地铁修建过程中，土层内丰富的含水量给地铁区间隧道的施工带来较大影响，隧道施工扰动土体致使地下水流失，破坏原始水土平衡，引起周围土体内部孔隙水压力的变化，使地层发生排水固结引起地表沉降1，2。盾构隧道开挖的流固耦合问题一直是学术界和工程界关注的热点问题3，4，陈健云等采用流固耦合分析方法对大直径输水隧道进行了研究5；富海鹰对隧道的非降水施工引起的地表沉降进行了研究6；席锦州等对富水地层地铁隧道开挖引起地表固结沉降进行了研究7。针对不同的施工方法和施工工艺，流固耦合下盾构隧道开挖导致地面沉降的研究相对比较缺乏。本文应用FLAC3D有限差分软件对非降水施工进行流固耦合数值模拟分析，得到了盾构施工中的孔隙水压力和地面沉降等情况，并结合实际监测数据数据和数值模拟结果进行了对比。一、流固耦合计算原理FLAC3D是国际通用的岩土工程专业分析软件8。流固耦合是指不同流体流动与土结构平衡条件之间的相互作用，即连续方程与平衡方程的解。FLAC3D适于模拟土体的流固耦合现象，在模拟岩土的流固耦合机理时，将岩土体视作多孔介质，流体在孔隙介质中的流动依据DARCY定律，同时满足BIOT方程。FLAC3D定义四种边界条件，它们分别对应以下情况9（1）给定孔隙压力；（2）已知的边界的流量法向的分量；（3）渗流边界；（4）不渗透边界。二、工程概况及建模1工程概况杭州地铁1线乔司北站临平高铁站盾构隧道，地处杭州市余杭区乔司镇至临平镇，起点桩号K36672001，终点桩号K37420000拟建场地沿线现以农田、空地、民居为主，沿线地势起伏平坦，自然地面标高399566M。盾构隧道穿过的地层为主要砂质粉土层，左、右线盾构隧道轴线相距130M，设计隧洞内径5,500MM，衬砌采用C50钢筋混凝土拼装式管片，管片标准块厚度350MM。2材料参数根据本工程的勘察报告，相关计算参数见表1。3本构模型及计算假定土体采用修正的MOHRCOULOMB模型，管片衬砌采用弹性模型，上述材料均采用线弹性小变形材料模型，管片微透水。地表和各土层均呈匀质水平层状分布，计算中不考虑管片接头影响以及错缝拼装方式对衬砌整体刚度的折减作用。开挖步骤为先进行左边隧道的开挖，盾构每个推进步长为6M，每期开挖结束，安设管片衬砌，施加支护压力，待左边隧道全部开挖完成后再进行右边隧道的开挖。根据现场实地勘察，地下水位距地表面为0621M，计算时地下水位近似取为地表，左右边界均为不透水。4有限差分模型几何坐标系以左、右进洞口圆心连线中点为原点，原点沿盾构推进方向为Y轴正向，X坐标以面向洞口时原点向右侧为正，Z坐标以竖直向上为正。模型X向选取桩号K36900K36936段共36M，（0Y36），Y向自X轴向两侧各取325M（325Y325）。Z向从地表取至7层粉质粘土层底（26Z14），厚度共40M。模型共计35712个单元，38076个节点，三维有限差分模型见下图2。三、流固耦合计算结果分析1孔隙水压力分布特征盾构隧道开挖引起超孔隙水压力产生和消散的过程，地层受扰动后，其内部的孔压分布与静水位状态下明显不同，即产生了超孔隙水压力，进一步引起孔隙水在地层内部的流动。左右隧道均开挖后达到稳定状态时的孔隙水压力云图如图2所示。从隧道横剖面内的孔隙水压力变化来看，隧道开挖后，远场孔隙水在水压作用下向临空面流动最终达到稳态。图3流体矢量显示了孔隙水向隧道方向的渗流。通过对隧道内部孔隙水压力的变化研究可知盾构向前推进时，掌子面上部土体的孔隙水压力先上升，产生超孔隙水压力，当盾尾通过后，孔隙水压力逐渐消散，隧道衬砌管片安装和壁后注浆完成后，孔隙水压力趋于稳定。盾构通过前后引起的孔隙水压力的上升和下降则造成了隧道上部土体的隆起和沉降。2沉降结果分析地层最初处于平衡状态，隧道开挖后，孔隙水压力降低,使得有效应力增大，原有的平衡状态遭到破坏。在宏观上表现为地层的变形和沉降，这种变化一直要持续到建立新的渗流应力的平衡为止。考虑流固耦合的地表沉降模拟结果见图4图6。通过对盾构开挖左线正上方地表某点纵向沉降计算值和实测值的对比分析（图4），可知盾构沿左线推进时，掌子面前方地表先有一定量的隆起，隆起量约为2MM。但当盾构通过时，由于地层受扰动、盾尾空隙和孔隙水压力消散等共同作用，地表产生沉降，沉降量约68MM。衬砌管片安装后经45D地表沉降逐渐趋于稳定。通过盾构开挖左线上方地表某点纵向沉降计算值与实测值的对比，可知地表的沉降趋势与沉降值的数值计算值和实测值结果相符合。由图56可知，在考虑流固耦合时，地表处的竖向位移在先开挖的左隧道上部较大，位移最大处约为16MM，沉降位移向左右两边逐渐减小。由于开挖后的卸载引起的隧道底部土体回弹，加上隧道失水时地层的水有从下往上的一个逆流过程，故盾构隧道开挖后隧道底部的土体有一定程度的隆起，隆起量约为3MM。3不考虑地下水作用的数值模拟分析在不考虑地下水渗流作用时，模拟时采用的几何模型、材料参数、施工方法和支护方式与耦合模型相同。这种模型与流固耦合模型的本质区别在于初始孔隙水压力分布场的不同。不考虑地下水模型认为，在施工中孔隙水压力不改变。从图7三种不同的方法得到的地表沉降位移曲线中可知，未考虑流固耦合计算得到的最大地表沉降约69MM，与实际测量最大地表沉降21MM差别较大。而采用了流固耦合模型计算得到的最大地表沉降约为16MM，与工程实际测量的值更为接近。流固耦合模型考虑了土水之间的相互作用，在计算中，平衡方程和渗流方程同时进行求解。对于实际工程来说，流固耦合模型更适合描述这一过程。四、结论（1）本文运用FLAC3D建立有限差分模型，对砂质粉土地层盾构开挖进行了流固耦合分析，并结合现场实测资料，说明流固耦合模型能较好地地模拟实测得到的超孔隙水压力产生和消散的规律，以及盾构开挖引起的土体固结沉降现象。（2）盾构推进对其周围地层的孔隙水压力影响较为明显。随着盾构开挖面的接近，隧道掌子面前方土体产生超孔隙水压力，待盾构通过后孔隙水压力逐渐消散并趋于稳定。（3）盾构在砂质粉土地层推进过程中，对于区间隧道任意横断面，盾构在到达该横断面前，地表先有轻微隆起，盾构通过后地表产生沉降。（4）盾构开挖时必须加强对地下水位、地表沉降和衬砌内力与变形的监测，并设置监测警戒值，实现信息化施工，减少盾构开挖对土体环境的影响。参考文献1刘建航，侯学渊盾构法隧道M北京中国铁道出版社，19912吴波，刘维宁，索晓明隧道降水施工地表沉降的渗流一应力耦合分析J岩石力学与工程学报，2006，25（增1）297929843MANUELM，LUISM，JOSEM，PREDICTIONANDANALYSISOFSUBSIDENCEINDUCEDBYSHIELDTUNNELINTHEMADRIDMETROEXTENSIONJCANADAGEOTECHJ，2002，39127312874李又云，刘保健，谢永利软土结构性对渗透及固结沉降的影响J岩石力学与工程学报，2006，25（增2）358735925陈健云，刘金云地震作用下输水隧道的流固耦合分析J岩土力学，2006，27（7）1077108