软土盾构隧道局部渗漏引起的沉降计算与分析

张柏林

（南京地下铁道有限责任公司，210024，南京／／教授级高级工程师）

0 引言

地铁盾构隧道渗漏水会使得隧道周边土体孔隙水压力降低，有效应力增加，进而使土体压密产生沉降，而局部的渗漏会导致结构的不均匀沉降，使隧道产生弯曲，导致隧道接缝张开，从而进一步加剧隧道的渗漏和沉降。若隧道的渗漏水问题得不到有效地控制，必然会影响结构的耐久性和设备的正常使用，危及行车安全。

国内外学者已对隧道的渗漏问题进行了大量的研究。文献［1］采用弹塑性理论首次引入了隧道衬砌有限渗透性的概念来模拟英国Grilnsby隧道11年来不断发展的地表长期沉降。文献［2］在Perzyna的流变理论和修正剑桥模型的理论框架下构建弹黏塑性时效性本构模型，耦合Biot固结理论针对隧道不同有限渗透性的条件下对隧道地表的长期沉降发展进行了研究。文献［3］、［4］应用力学和渗漏耦合的方法，从隧道渗漏角度，计算并分析了隧道相对周围软土不同渗透系数比条件下的隧道沉降，分析了渗漏沉降稳定时间。文献［5］通过增加渗漏点的个数并改变区间隧道的总渗漏量，讨论管片渗漏对地铁隧道长期沉降的影响规律。文献［6］建立了隧道周围孔隙水压力、地层及隧道长期沉降解析计算方法，探讨了隧道不同渗流量对孔压及地层和隧道长期沉降的影响规律。上述文献均是在相对渗透性概念基础之上来研究地铁结构渗漏和沉降的关系。事实上，衬砌的渗透性并不是指隧道衬砌混凝土的渗透特性，而是指隧道衬砌在管片拼缝、裂缝、注浆孔、螺栓孔等位置处的局部渗流。文献［7］通过管片接头弱化和接头渗流路径的设置，建立了一种既能符合盾构隧道刚度要求又能实现局部接头渗水的模型。

本文基于有限元模拟，通过对隧道衬砌局部渗漏的模拟，研究局部渗漏对地铁隧道长期沉降的影响大小及影响规律。既可为地铁隧道的沉降控制提供依据，也可为盾构隧道的防水提供参考。

1 有限元模型

采用ADINA 有限元分析软件建立平面应变计算模型，模型横向宽120 m，根据隧道断面埋深的不同，模型在深度方向尺寸可变。考虑到南京地区历年地下水位变化情况，取地下水位为地表以下1.0m。计算模型如图1所示。

数值模拟中边界条件包括两类：一类为位移边界条件，另一类为与孔隙水压力有关的渗流边界条件。具体描述为：土层底部位移完全约束；土体两侧水平向位移限制为零，竖向自由；地表完全自由。地表处以及隧道边界可以渗水；模型底部和两侧设置透水边界，即认为隧道周边的地下水可以对渗漏进行补给。

图1 计算模型示意图

2 计算方法与步骤

以南京地铁2号线某区间隧道为例阐明衬砌局部渗漏下地铁隧道沉降的计算方法。首先利用ADINA软件中的渗流场计算得到不同渗漏位置（拱顶、拱腰和拱底）渗流达到稳定时的静水位分布情况；再将渗漏前和渗流达到稳定时相应的静水位的变化量从渗流场中导出，将其代入ADINA软件中的结构场进行变形计算。假定隧道衬砌和地基土体协同变形，则隧道的沉降值即为隧道下部土体的变形量。

计算所选隧道断面模型总宽120 m，深度45 m，隧道埋深18.2 m。当隧道拱顶发生渗漏时，初始潜水位到渗漏点位的土层分布和静水压力如图2所示。各土层的物理力学指标统计见表1。

本文主要采用调整参数进行试算的方法得到沉降时程曲线，具体处理方法如下：

（1）在A点处的衬砌内表面施加抽水孔压，大小为理论三角形分布的函数：

式中：

p——渗漏点位的空孔隙水压力；

α——折减系数，α＜1；

AB——渗漏位置理论水头压力。

（2）调整渗漏位置的抽水孔压进行多次试算，当最终沉降符合渗流场中计算的沉降结果时，认为参数调试完毕，即可获得相关计算结果。图3为拱顶渗漏时的沉降时程曲线。

表1 某区间土层的物理力学指标

3 隧道渗漏沉降的影响因素及规律

为了分析不同渗漏点位置、下卧土层及埋深对隧道长期沉降的影响，采用变化单一影响因素的方法对渗漏引起的沉降大小及规律进行了模拟。在分析渗漏点位置对长期沉降的影响规律时，假定隧道埋深为2D（D为隧道外径），土层分别为单一的淤泥质粉质黏土、粉土及粉砂3种土层时，拱顶、拱腰、拱底位置渗漏对隧道长期沉降的影响见图4。从图4中可以看出，渗漏引起的沉降幅值与渗漏点位有关，拱底渗漏引起的沉降最大，拱腰次之，拱底最小。

在分析下卧土层对隧道渗漏沉降的影响时，假定隧道埋深分别为1D，隧道基底以上为淤泥质粉质黏土，下卧土层分别为淤泥质粉质黏土、粉土、粉砂时，拱顶、拱腰、拱底渗漏对隧道结构长期沉降的影响见图5。从图5中可以看出，拱腰和拱底渗漏引起的沉降幅值与下卧土层的性质密切相关，淤泥质土层中渗漏引起的沉降较大，粉土次之，粉砂最小，但拱顶渗漏时三者沉降相差不大。

图2 压缩土层和水压力分布情况

图3 拱顶渗漏沉降时程曲线

图4 沉降量与渗漏点位置关系曲线图

图5 沉降量与下卧土层性质关系

同样地，在分析埋深对隧道渗漏沉降的影响规律时，考虑隧道位于单一的淤泥质粉质黏土中，假定隧道埋深分别为1D、2D、3D（D为隧道外径），拱顶、拱腰、拱底渗漏对隧道长期沉降的影响见图6。从图6中可以看出，渗漏引起的沉降幅值与隧道埋深有关，随着隧道埋深的加大，渗漏沉降量减小。

图6 沉降量与埋深关系曲线图

4 结论

（1）隧道渗漏对结构长期沉降影响的大小需要从渗漏位置、下卧土层的土性及隧道埋深等角度综合考虑。

（2）隧道局部渗漏引起的沉降与渗漏点位置有关，同一断面拱底渗漏引起的沉降最大，拱腰次之，拱底最小。

（3）隧道局部渗漏引起的沉降幅值与下卧土层的性质有关，淤泥质土层中渗漏引起的沉降较大，粉土次之，粉砂最小。

（4）隧道局部渗漏引起的沉降幅值与隧道埋深有关，随着隧道埋深的加大，渗漏沉降量减小。

［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］张冬梅.软黏土时效特性分析及隧道长期沉降的预测［D］.上海：同济大学土木工程学院，2003.

［3］包鹤立.衬砌局部渗漏条件下软土盾构隧道的长期性态研究［D］.上海：同济大学土木工程学院，2008.

［4］郑永来，李美利，王明洋，等.软土隧道渗漏对隧道及地面沉降影响研究［J］.岩土工程学报，2005，27（2）：243.

［5］吴怀娜，胡蒙达，许烨霜，等.管片局部渗漏对地铁隧道长期沉降的影响规律［J］.地下空间与工程学报，2009，5（增2）：1609.

［6］张冬梅，刘印，黄宏伟.软土盾构隧道渗流引起的地层和隧道沉降［J］.同济大学学报：自然科学版，2013，41（8）：1185.

［7］刘印，张东梅，黄宏伟.盾构隧道局部长期渗水对隧道变形及地表沉降的影响分析［J］.岩土力学，2013，34（1）：290.

［8］王建.地铁盾构隧道结构设计的工况及设计参数研究［J］.城市轨道交通研究，2013（1）：70.