西安地铁盾构施工中水分迁移规律数值模拟研究★

彭 敏 郭 洁 郅 彬 刘卫辉 徐媛媛,4

(1.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710054； 2.陕西省建筑设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710018； 3.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054； 4.陕西海嵘工程试验检测有限公司，陕西 西安 710077)

目前，盾构法已被广泛的应用于地铁隧道工程的施工，盾构施工是应力释放的过程，开挖前土体各点均处于初始应力平衡状态，开挖后盾构施工打破了初始应力平衡状态，迫使周围土体产生水分迁移，导致地面沉降及地层位移[1]。近些年，因地铁盾构施工诱发的地表变形及地面沉降问题时有发生，盾构施工导致的环境问题也愈加严重[2]。刘招伟[3],朱才辉[4],姜蓉[5],Xinggao Li[6],L. Ran[7],V. P. Samoilov[8]等国内外专家学者都对盾构施工引起的沉降、环境以及安全问题做了相关的研究。本文参照地层条件、施工环境等因素，通过理论分析和数值模拟对西安地铁盾构施工引起的水分迁移规律进行了研究，并对盾构施工过程中水分场变化进行了归类。

1 水分场变化对地层变形的影响

盾构开挖诱发地层变形的主要原因有以下几点：

1)因盾构掘进围岩应力获得一定释放，造成径向收缩；

2)因盾构开挖造成水分迁移，土体孔隙水压改变，致使有效应力增大，以致土体骨架压缩，造成整体沉降变形[9]；

3)盾构开挖扰动周围土体，迫使土体的承载能力下降，导致土体产生膨胀、挤密或是流动变形，实测数据显示，在盾构开挖期间，超孔隙水压的变化过程为三阶段：

a.盾构未及之时，因盾构推力影响，生成超孔隙水压；

b.盾构通过之时，因盾构挤压造成周围土体超孔隙水压增大，致使盾构影响范围之内，各点土体孔隙水压改变率达到峰值；

c.盾尾通过之后，因超孔隙水压消散，周围土体开始固结沉降[10]。

2 盾构施工引起水分迁移规律研究

2.1 模型建立

本文依据该施工段的工程概况，采用数值模拟建立盾构开挖的隧道模型，然后考虑盾构开挖不同推力下水分场变化的影响来研究西安地铁盾构施工中水分迁移规律。设定宽度为200 m，地铁隧道埋深为20 m，截面影响区域宜设定为3倍，这样既能满足求解精度要求，亦能满足计算需求。故最终模型尺寸设定为200 m×75 m(宽×深)的区域建立Midas/GTS计算模型，模型产生15 026个节点，14 700个单元，如图1所示。

2.2 计算参数

依据盾构隧道勘察报告，对土层作相应简化，划分土层及渗流参数见表1。

表1 数值模拟计算参数表

2.3 计算工况

数值模拟中盾构隧道渗流分五次进行，第一阶段渗流(稳态)不施加压力水头，第二阶段渗流(瞬态)施加压力水头(10 m)，第三阶段渗流(瞬态)施加压力水头(20 m)，第四阶段渗流(瞬态)施加压力水头(30 m)，第五阶段渗流(稳态)不施加压力水头。

2.4 边界条件

Midas/GTS水分场变化数值模拟计算中，以节点水头作为边界条件，模拟地下水位距地面15 m，模型两侧边界使用水位为60 m的稳定总水头边界条件，边界条件如图2所示。

2.5 计算结果分析

数值模拟中盾构隧道渗流分五次进行，第一阶段渗流(稳态)不施加压力水头，第二阶段渗流(瞬态)施加压力水头(10 m)，第三阶段渗流(瞬态)施加压力水头(20 m)，第四阶段渗流(瞬态)施加压力水头(30 m)，第五阶段渗流(稳态)不施加压力水头，渗流的时间步骤均为1 d,10 d,20 d,30 d,50 d，第一阶段渗流为未施加压力水头情况下的稳流，而第五阶段渗流为施加压力水头消散过后的稳定流，其他阶段均为非稳定流。

1)加压后总水头。

第一次加压总水头单元数据折线图如图3所示。各点坐标为：1(45,75)，2(46,75)，3(47,75)，4(48,75)，5(49,75)，6(50,75)，7(51,75)，8(52,75)，9(53,75)，10(54,75)，11(55,75)，12(50,55)，13(50,54)，14(50,53)，15(50,52)，16(50,51)，17(50,50)，18(50,49)。

由图3可得出如下结论：同一节点，伴随工后天数的增加，节点总水头趋减；不同节点距离盾构开挖面越远，工后节点总水头越低；开挖面处，工后节点总水头明显较大；工后节点总水头影响范围，隧道上方土体大于下方，并且节点总水头最大值出现在开挖面上部角点；工后30 d，节点总水头已基本消散完毕；节点总水头影响范围，以开挖面为中心，由近及远逐步扩散；节点总水头影响范围大致为110 m。

第二次加压总水头单元数据折线图如图4所示。

由图4可得出如下结论：同一节点，伴随工后天数的增加，节点总水头趋减；不同节点距离盾构开挖面越远，工后节点总水头越低；开挖面处，工后节点总水头明显较大；工后节点总水头影响范围，隧道上方土体大于下方，并且节点总水头最大值出现在开挖面上部角点；工后30 d，节点总水头已基本消散完毕；节点总水头影响范围，以开挖面为中心，由近及远逐步扩散；节点总水头影响范围大致为130 m。

2)加压后渗流速度。

第一次加压渗流速度单元数据折线图如图5所示。各点坐标：1(48.5,57.5)，2(48.5,56.5)，3(48.5,55.5)，4(49.5,57.5)，5(49.5,56.5)，6(49.5,55.5)，7(50.5,57.5)，8(50.5,56.5)，9(50.5,55.5)，10(50.5,54.5)，11(50.5,53.5)，12(50.5,52.5)，13(50.5,51.5)，14(50.5,50.5)，15(50.5,49.5)，16(48.5,48.5)，17(48.5,47.5)，18(48.5,46.5)。

由图5可得出如下结论：同一节点，伴随工后天数的增加，渗流速度趋减；不同节点距离盾构开挖面越远，渗流速度越低；开挖面处，工后渗流速度明显较大；工后渗流影响范围的渗流速度，隧道上方土体大于下方，并且渗流速度最大值出现在开挖面上部角点；工后30 d，对地下水位以上土体的渗流影响可忽略不计且渗流速度变化不明显；开挖面有回涌现象，因此需加强防水措施。

第二次加压渗流速度单元数据折线图如图6所示。

由图6可得出如下结论：同一节点，伴随工后天数的增加，渗流速度趋减；不同节点距离盾构开挖面越远，渗流速度越低；开挖面处，工后渗流速度明显较大；工后渗流影响范围的渗流速度，隧道上方土体大于下方，并且渗流速度最大值出现在开挖面上部角点；工后30 d，对地下水位以上土体的渗流影响可忽略不计且渗流速度变化不明显；开挖面有回涌现象，因此需加强防水措施。

3)加压后孔隙水压。

由图7可得出如下结论：同一节点，伴随工后天数的增加，节点孔隙水压趋减；不同节点距离盾构开挖面越远，工后孔隙水压越低；工后初始，开挖面处孔隙水压较大，随着时间推移，远端孔隙水压会比开挖面处孔隙水压大；随着时间推移，孔隙水压影响范围趋广；随着时间推移，开挖面处会出现负孔隙水压；孔隙水压影响范围呈漏斗状；工后孔隙水压影响范围，隧道上方土体大于下方，并且孔隙水压最大值出现在开挖面上部角点；工后30 d，孔隙水压变化趋缓；盾构推进可能使土体发生剪胀，产生负孔隙水压。

由图8可得出如下结论：同一节点，伴随工后天数的增加，节点孔隙水压趋减；不同节点距离盾构开挖面越远，工后孔隙水压越低；工后初始，开挖面处孔隙水压较大，随着时间推移，远端孔隙水压会比开挖面处孔隙水压大，孔隙水压影响范围趋广，开挖面处会出现负孔隙水压；孔隙水压影响范围呈漏斗状；工后孔隙水压影响范围，隧道上方土体大于下方，并且孔隙水压最大值出现在开挖面上部角点；工后30 d，孔隙水压变化趋缓；盾构推进可能使土体发生剪胀，产生负孔隙水压。

4)总水头变化。

总水头变化图如图9所示。各点坐标为：1(45,75)，2(46,75)，3(47,75)，4(48,75)，5(49,75)，6(50,75)，7(51,75)，8(52,75)，9(53,75)，10(54,75)，11(55,75)，12(50,55)，13(50,54)，14(50,53)，15(50,52)，16(50,51)，17(50,50)，18(50,49)。

由图9得出如下结论：同一节点，压力水头的变化对总水头影响不大；不同节点，距离开挖面越远，总水头越低；总水头最大值出现在开挖面上部角点。

5)渗流速度变化。

渗流速度变化图如图10所示。各点坐标：1(48.5,57.5),2(48.5,56.5),3(48.5,55.5),4(49.5,57.5),5(49.5,56.5),6(49.5,55.5),7(50.5,57.5),8(50.5,56.5),9(50.5,55.5),10(50.5,54.5),11(50.5,53.5),12(50.5,52.5),13(50.5,51.5),14(50.5,50.5),15(50.5,49.5),16(48.5,48.5),17(48.5,47.5),18(48.5,46.5)。

由图10得出如下结论：同一节点，压力水头的变化对渗流速度影响不大；不同节点，距离开挖面越远，渗流速度越低；渗流速度在开挖面上、下部角点明显较大，且最大值出现在上部角点。

3 结语

本文以西安地铁盾构施工为背景，参照地层条件、施工环境等因素，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，对西安地铁盾构施工引起的水分迁移规律进行了研究，并得出如下结论：

1)同一节点，伴随工后天数的增加，节点总水头、渗流速度、孔隙水压趋减；不同节点距离盾构开挖面越远，工后节点总水头、渗流速度、孔隙水压越低；开挖面处，工后节点总水头、渗流速度明显较大；节点总水头、渗流速度、孔隙水压最大值出现在开挖面上部角点。

2)工后节点总水头、渗流速度、孔隙水压影响范围，隧道上方土体大于下方；工后30 d，节点总水头已基本消散完毕，对地下水位以上土体的渗流影响可忽略不计且渗流速度变化不明显，孔隙水压变化趋缓；节点总水头、孔隙水压影响范围，随着时间推移，以开挖面为中心，由近及远逐步扩散；同一节点，压力水头的变化对总水头和渗流速度的影响不大。

3)工后初始，开挖面处孔隙水压较大，随着时间推移，远端孔隙水压会比开挖面处孔隙水压大，开挖面处会出现负孔隙水压；孔隙水压影响范围呈漏斗状。

4)开挖面有回涌现象，因此需加强防水措施；盾构推进可能使土体发生剪胀，产生负孔隙水压。

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