富水软土地层地铁隧道开挖地层固结沉降数值模拟

漆泰岳,谭代明,高 波

(西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

富水软土地层地铁隧道开挖地层固结沉降数值模拟

漆泰岳,谭代明,高 波

(西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

为了对富水软土地层地铁隧道开挖引起的地层固结进行定量研究,考虑流固耦合效应和施工力学效应的综合作用,应用FLAC3D对降水、动态降水和非降水3种工法进行数值模拟的对比研究,分别得到了地表沉降和地层固结沉降曲面。研究结果表明,3种工法引起的地表沉降量分别为:非降水法29mm、动态降水法60mm和降水法116mm,它们的比值大致为1∶2∶4,地层固结沉降量占各自的整个地表沉降量的比率分别为:非降水法27%;动态降水法50%;降水法79%。显然,非降水法是在富水软土地层地铁隧道施工中控制地层固结沉降最有效的方法。计算结果与现场实测资料进行比较,两者十分接近。研究成果已成功地应用于深圳地铁工程中。

地铁隧道;地表沉降;地层损失;地层固结沉降;流固耦合

1 引言

地铁隧道开挖必然会引起地表沉降,地表沉降主要由地层损失沉降和地层固结沉降两部分组成。在富水软土地层中,地铁隧道开挖会引起地下水流失,破坏原有的水土压力平衡,引起地层重新固结,使地层发生整体沉降。研究表明:在富水软土地层中,隧道开挖引起的地层固结沉降占整个地表沉降的比重较大,地层固结沉降是一个不容忽视的问题[1,2]。

流固耦合问题一直是学术界和岩土工程界关注的热点问题[4-10],针对在富水软土地层中地铁隧道施工引起的地表沉降问题,同时要考虑流固耦合效应和施工力学效应的综合作用[2,7,8,11],才能获得比较符合实际的数值分析结论。本文应用FLAC3D对降水、动态降水和非降水3种工法引起的地表沉降进行对比研究,分别得到了3种工法的地表沉降和地层固结沉降曲面和曲线,并且与现场实测曲线进行对比,进而提出非降水法是控制富水软土地层地表沉降最有效的方法。

所谓降水法就是在隧道未开挖之前,首先在隧道两侧布置降水井开始抽水,将地下水水位下降到隧道底板标高以下,在隧道掌子面形成“无水”施工环境,以使掌子面揭露出的地层稳定,改善工作环境,确保施工安全。

动态降水法就是在隧道掌子面进行超前预加固的同时,在隧道掌子面处进行局部降水,在隧道掌子面局部形成“无水”施工环境,随着掌子面推进降水点也随之移动,使地下水位只在掌子面处有所下降,随后地下水水位又迅速恢复到原来的位置,以减小由于降水引起的地表沉降和对地层的扰动。

非降水法就是在开挖隧道之前,采用水平旋喷桩对隧道掌子面前方和周边进行加固(图1),形成隔水帷幕圈,再开挖隧道。非降水法所形成的超前加固圈既阻止了地下水从隧道掌子面新揭露的地层向隧道内的渗漏,又对掌子面前方和周边地层进行了改性加固,提高了隧道掌子面和周边地层的力学和抗渗指标。

图1 水平旋喷桩布置图Fig.1 The drawing of horizontal rotary-sprayed piles

2 数值模型

2.1 工程地质和水文条件

本文以深圳大剧院～科技馆区间隧道工程为例,研究富水地层地铁隧道开挖引起的地表沉降问题。深圳地铁1号线的工程地质水文条件的特点是:富水软弱地层、地下水位高(地下水水位在-2m的位置,地表标高为0m)、工程地质条件差、地表沉降控制要求高、时有较厚的承压水砂层侵入隧道。地层柱状和区间隧道布置如图2所示。图2所示是3m厚的承压水砂层侵入隧道的地段,也是本工程隧道施工最危险的地段。

图2 地层柱状和隧道布置图Fig.2 Lay plot of strata and tunnels

2.2 模型参数

假定地层为应变软化材料,水平旋喷桩加固圈为摩尔-库仑材料,如表1所示。地层和水平旋喷桩加固圈的渗流参数如表2所示。

表1 围岩和水平旋喷桩加固圈材料力学参数[1,17,18]Tab.1 Material properties of strata and horizontal rotary-sprayed piles

表2 地层和水平旋喷桩材料的渗流参数[1,12-16]Tab.2 Seepage properties of strata and horizontal rotary-sprayed piles

2.3 模型尺寸及规模

模型尺寸:宽×厚×高=X×Y×Z=100×50× 40m,隧道断面形状为马蹄形,宽6.3m、高6.6m,左、右线隧道间距14.6m,左、右线隧道分别距模型左、右边界36.4m,隧道拱顶距地表15.2m,隧道底板距模型底板边界18.2m。水平旋喷桩加固圈厚度2m、预加固长度6～16m,降水井距左、右线隧道边界为5m、间距10m、深26m。模型由45150个实体单元组成(图3(a)),初期支护采用壳单元模拟,壳单元的参数如表3所示。左、右线隧道采用短台阶开挖,台阶长度4m(图3(b))。

图3 三维数值模型Fig.3 3D numericalmodel

表3 壳单元(初期支护)力学参数[17,18]Tab.3 Properties of shell elements

3 流固耦合数值模拟原理

FLAC3D为模拟岩土内渗流状态提供了有效的分析工具,该软件在应用三维快速拉格朗日方法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。下面介绍有限差分法进行流固耦合计算时的几个基本方程[19]。

3.1 流体运动方程

用Darcy定律来描述流体的运动,对于均质、各向同性的固体和流体,密度是常数的情况下,运动方程为:

式中,qi为i方向的流速,m/s;ki为渗流系数, m/(Pa·s);s为孔隙材料的饱和度;p为流体孔隙压力,Pa;ρf为流体比重,kg/m3;xj为流体的高度差, m;gj为重力加速度,m/s2。

3.2 平衡方程

势能平衡方程形式为:

式中,σij为孔隙材料的总应力,即饱和土层的总应力,Pa;ρ为孔隙材料的比重,ρ=(1-n)ρs+ nsρw,kg/m3,其中ρs、ρf分别为固体材料的干比重和流体的比重;vi为孔隙材料的速度,m/s。

3.3 本构方程

固体体积应变的改变将引起流体孔隙压力的变化,反过来,孔隙压力的改变也会导致体积应变的变化。

式中,M为B iot模量,N/m2;n为孔隙材料的孔隙率;s为孔隙材料的饱和度;ζ为单位体积孔隙材料的流体体积变化率;α为B iot系数;β为不排水热量系数,1/℃,用来考虑流体和渗流介质的热力效应;ε为孔隙材料的应变;T为温度,℃。

(2)孔隙介质本构方程的增量形式为:

式中,δij为Kronecker常量(当i=j时,取1;否则为0)。

3.4 相容方程

应变速率和速度梯度之间的关系如下:

式中,νi,j为孔隙材料的速度。

3.5 边界条件

在FALC3D中有4种渗透边界条件:(1)给定孔隙水压力;(2)给定边界上外法线方向的流速分量; (3)透水边界;(4)不透水边界。在FLAC3D中默认的边界条件为不透水边界。

在初始化条件时,根据实际的工程条件,对模型边界作了以下定义:(1)模型边界为透水边界;(2)根据地下水的水位标高,在模型边界给定三角形梯度分布的孔隙水压力;(3)在隧道掌子面和没有施做喷射混凝土层的初期支护段的边界面上,给孔隙水压力赋值为0;(4)在模拟降水施工法和动态降水施工法时,给在降水井降水位置的孔隙水压力赋值为0;(5)对模型边界进行位移约束。

4 左、右线隧道超前距离

模拟结果表明,当左、右线隧道齐头同步掘进时(即超前距为0m时),左、右线隧道施工应力相互叠加,彼此影响最大,是最不利的;当右线隧道超前左线隧道16m以上,施工应力叠加影响已经不是十分明显。因此,确定右线隧道超前左线隧道16m开挖掘进。在实际工程中采纳了此研究成果。

5 地下水位的变化与地表沉降的差异

根据上节的研究成果,采取了右线隧道超前左线16m的开挖掘进方式,右线上台阶在y=34m,左线上台阶在y=18m,台阶长度4m。

图4是降水、动态降水和非降水工法的孔隙水压力分布图。图5和图6分别是3种工法的地表沉降曲面和地表沉降槽曲线。从图4～图6可知:

(1)3种工法孔隙水水压0MPa位置的差别较大(图4)。降水法在隧道周边已将水位降到隧道底板标高以下,整体水位下降到-8～-26m;动态降水法在隧道掌子面底板位置孔隙水压力达到0MPa,整体水位下降到-6～-8m;非降水法整体水位大致下降到-6m的位置;在3种工法中,降水法使地下水水位下降的幅度最大,非降水法则最小,影响范围也最小。

(2)3种工法的地表沉降曲面差别较大,发生最大地表沉降变形量的位置也不尽相同(图5)。降水法的地表沉降曲面较对称,沉降变形也最大,发生最大地表沉降变形量最大的位置在x=54.4762m, y=14m,此处的沉降量达到-116.5mm;动态降水法的地表沉降曲面则与其在隧道掌子面局部降水有关,表现出在隧道掌子面处的沉降变形最大,发生最大地表沉降量的位置在x=40.468m,y=6m,此处的沉降量为-60.625mm,此处恰恰在左线掌子面后方8m的位置,其绝对值大约是降水法的1/2;非降水法的地表沉降曲面也是较为对称的,该工法控制地下水流失的作用十分明显,地表沉降变形最小,发生最大沉降量的位置在x=54.766m,y=6m,此处的沉降量为-29mm,大约是降水法的1/3;非降水、动态降水和降水法的地表沉降量的最大值的比值大致为1∶2∶4。

(3)3种工法地表沉降槽形状相差较大(图6)。降水法地表沉降槽与经典的沉降槽正态曲线较为吻合,但其它2种工法则与经典沉降槽正态曲线不完全一致,说明施工工法可以改变沉降槽的形状。在y=14m的横向断面上(图6),3种工法的最大绝对沉降量、最大相对沉降量和沉降槽宽度分别为:降水法是116mm、76mm和80m;动态降水法是56mm、15mm和70m;非降水法是28mm、11mm和45m。横向X方向的位移量分别为:降水法±18mm;动态降水法±7mm;非降水法±3mm。在X方向发生最大水平位移的位置3种工法也不相同,降水法大致在距离左、右线隧道中心线外侧的水平距离为20m处;动态降水法大致距离左线隧道中心线外侧20m处,而距离右线隧道中心线外侧14m处;非降水法大致距离左线隧道中心线外侧20m处,距离右线隧道中心线外侧22m处。在X方向发生最大水平位移的位置是地表受到拉伸破坏的区域,而在隧道两侧拉伸破坏区域之间的中间区域是地表受到挤压破坏的区域,在拉伸破坏区域内对地面建筑物和地下构筑物(如:管道等)最有可能造成不利影响的区域。3种工法在Y方向的位移量都变化不大,降水法大致没有变化,动态降水和非降水法有一定的波动,但波动幅度并不大。

图4 3种工法孔隙水压力剖面图Fig.4 Contour section of pore pressure for the three methods

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

图7和图8分别为降水法和非降水法时的实测地表沉降历时曲线。比较图6和图7、图8可以发现:

(1)实际工程中采用降水法的地表沉降量比数值模拟结果大得多(图6与图7比较)。经分析后发现,在实际工程中,采用降水法时从降水井排出的地下水和从隧道内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层固结沉降和地层损失沉降的双重效应,使地表沉降量远远大于数值模拟结果。

(2)采用非降水法施工的实际工程测量结果与数值模拟结果基本吻合(图6与图8比较)。采用非降水法施工后,在实际工程中地表沉降得到有效地控制,观察渗漏到隧道内的地下水是清澈的,涌水量明显减小,表明地下水渗漏到隧道内的过程中并没有携带泥砂。因此,采用非降水法后的地表沉降得到了有效控制。

综上所述,非降水法是富水软土地层隧道施工时控制地表沉降最有效的施工方法。早期深圳地铁1号线曾经采用过降水法施工,地表沉降达到-220mm以上,有些地段甚至达到-450mm(图7),地处深圳市中心的深南大道地铁1号线对地表沉降有严格要求,沉降量不得大于-30mm,由于地表沉降无法得到有效地控制,工程被迫停工。经上述研究后,在实际工程中采纳了在困难地段采用非降水法施工的技术方案,取得了成功。

图6 3种工法地表移动和沉降槽曲线(在y=14m处的剖面)Fig.6 Curves of strata movement and ground surface subsidence groove(the section in y=14m)

图7 降水法实测地表沉降历时曲线Fig.7 Curves of ground surface subsidence vs.time in field observation for dewateringmethod

图8 非降水法实测地表沉降槽历时曲线Fig.8 Subside-groove Curves of ground surface vs.time in field observation for non-dewateringmethod

6 不同工法的地层固结沉降差异

在模拟地层固结沉降时,不同的工法都选取了相同的模型参数,但在模拟计算时,分2种情况模拟分析,第1种情况是不考虑流固耦合效应(即只考虑施工力学效应),第2种情况是既考虑流固耦合又考虑施工力学双重效应的组合作用,将两种情况的模拟结果相减,得到不同工法各自的固结沉降量。

图9是3种工法的地层固结沉降曲面。图10是在y=14m处的横向断面的地层固结沉降曲线。

从图9和图10可以看出,3种工法的固结沉降曲面与地表沉降曲面的形状大致相似,固结沉降量与地表沉降量的差别不尽相同。3种工法的最大固结沉降分别为:非降水8mm、动态降水30mm和降水92mm,各自占对应的地表沉降的比率大致为:非降水27%、动态降水50%和降水79%。不同工法控制地下水流失和对地层扰动程度是完全不同的,地下水流失越多和对地层的扰动越大,地层固结沉降量也越大,否则,反之。非降水法的固结沉降量占整个地表沉降量的比率最小,控制地下水流失的效果最好,对地层的扰动也最小。

图9 3种工法地层固结沉降曲面Fig.9 Subside-groove surfaces of strata consolidation in the three methods

图10 地层固结沉降曲线(y=14m横断面)Fig.10 Curves of strata consolidation subsidence in y=14m cross-sectional plane

7 结论

(1)地铁隧道开挖引起的地层固结沉降是不容忽视的问题,应用数值模拟研究此问题时,应当考虑流固耦合效应和施工效应的组合作用,既可得到施工引起的地层损失而产生的地层沉降量,又可得到由于地下水流失和地层被隧道施工扰动而引起的地层重新固结沉降量,这两者之和才是地层的整体沉降量。这样才能有目的的指导现场施工,是以控制地层损失为主还是以控制固结沉降为主,决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、动态降水和降水法的地表沉降分别为: 29mm、60mm和116mm,它们的比率大致为1∶2∶4,地层固结沉降量分别占各自地表沉降量的比率大致为27%、50%和79%。地层失水越多所引起的地层固结沉降量越大,非降水法是控制地层固结沉降变形最有效的方法,且在实际工程中取得了成功。

REFERENCES

[1] 漆泰岳,高波,马亮.富水软土地层地铁开挖地表沉降离心模型试验[J].西南交通大学学报,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] 吴波,刘维宁,索晓明.隧道降水施工地表沉降的渗流-应力耦合分析[J].岩石力学与工程学报,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,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):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] 朱万成,康玉梅,杨天鸿,李占海,刘继山.基于数字图像的岩石非均匀性表征技术在流固耦合分析中的应用岩[J].土工程学报,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] 王志华,席仁强,陈国兴.考虑流固耦合的桥梁桩基地震反应研究现状.南京工业大学学报(自然科学版),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,郭勇义,吴世跃,聂百胜.考虑吸附膨胀应力影响的煤层瓦斯流-固耦合渗流数学模型及数值模拟[J].岩石力学与工程学报,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,陈健云,李静.渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固藕合分析[J].防灾减灾工程学报,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,王宇会,阳志元.隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟岩土力学[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,冯夏庭,张东晓.岩体流-固耦合的Taylor展开随机有限元模拟[J].岩石力学与工程学报,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] 张广明,刘合,张劲,彪仿俊,吴恒安,王秀喜.油井水力压裂流-固耦合非线性有限元数值模拟[J].石油学报,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] 张蓓.浅埋暗挖隧道施工引起地表沉降的控制措施研究[J].岩土工程技术,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] 吴波,刘维宁,高波,等.地铁分岔隧道施工性态的三维数值模拟与分析[J].岩石力学与工程学报,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] 吴波,高波,骆建军.地铁区间隧道水平旋喷预加固效果数值模拟[J].西南交通大学学报,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,重庆市人,博士,博士生导师,从事地下工程与隧道工程方面的研究。