盾构过富水砂层流—固耦合数值模拟计算

2011-05-08张远荣肖文海尤庆忠

铁道建筑 2011年4期

张远荣，肖文海，尤庆忠

(1.中国铁道科学研究院深圳研究设计院，广东深圳 518034;2.厦深铁路广东有限公司，广东深圳 518301)

1 工程简介

深圳地铁2号线工程西起南山区赤湾站，东止罗湖区新秀站，线路全长35.78 km，均为地下线。2号线2205标段盾构工程共有2个区间，分别是东角头站—水湾站和水湾站—海上世界站区间。地表既有建筑物主要集中在东角头站—水湾站区间，土质为富水砂层，本文运用FLAC3D有限差分程序进行本段沉降的数值模拟计算。

该段隧道上覆第四系地层:人工填土、洪冲圆砾、洪冲黏土，隧道侧墙岩土层为洪冲砾砂、砾(砂)质黏土，隧道基底为砾(砂)质黏土、全风化粗粒花岗岩。上覆软弱土层厚度为10.2～13.0 m。

地下水以经常渗水、滴水为主，顶板砂层地段易涌水，局部钻孔和砾(砂)质黏土见强～中等风化岩碎块，在CK5+058.9里程附近出现微风化状风化球，且上部建筑物以天然地基为主。

2 FLAC3D计算模型

建立如图1所示盾构过富水砂层流—固耦合计算模型，模型宽×长×高为100 m×90 m×32 m。

地表沉降计算点、实测点与孔压计算点位置示意如图 2，其中 a1，a2，a3，h1，h2，h3 为地表沉降计算点，106，107，183，184 为地表沉降实测点，A，B，C，D，E，F，G，H为孔压计算点。

土体的本构关系采用摩尔—库伦模型，注浆、管片等为各向同性弹性体。在富水砂层中模拟盾构开挖计算过程中所采用的有关计算参数如表1。

图1 盾构过富水砂层流—固耦合计算模型(单位:m)

图2 地表沉降计算点、实测点与孔压计算点位置示意

3 流—固耦合数值计算结果

3.1 沉降计算结果及分析

在给定模型的力学参数和边界条件下，求解场地初始应力和孔隙水压力。经过流—固耦合计算后，可得纵、横剖面竖向沉降分布云图，纵剖面地面沉降时程曲线及纵、横剖面孔隙水压力。计算结果分别见图3—图10。从纵剖面图3看，开挖前后两端沉降较大，越靠近边界沉降越大。这个计算结果可能由于以下三个方面的原因:①快速开挖引起的较大的沉降;②边界效应;③两者共同作用的效果。

表1 模型场地土层和开挖相关模拟单元的力学参数

图3 X=0处纵剖面竖向沉降分布云图

从隧道的横剖面(见图4)看开挖沉降，自隧道拱顶开始到地表，沉降依次减小。拱顶最大1.5 cm左右，隧道拱底及两侧土体有微量的隆起，但量值较小。

通过对盾构开挖引起地表纵、横剖面沉降的分析(见图5、图6)，可知盾构推进时，掌子面地表先隆起，隆起量约1 cm。盾构通过后，由于盾尾空隙、地层土应力与孔隙水压力消散等共同作用，地表开始产生沉降，沉降量约2～3 cm。在盾构管片安装后，地表沉降趋于稳定。通过横、纵剖面地表沉降计算值与实测值的对比，可知地表沉降变化趋势及量值的计算结果与实测结果较吻合。