水位回升对地铁隧道影响的数值模拟研究

詹俊峰 汪 俊

(上海地矿工程勘察有限公司,上海 200065)

1 概述

随着城市的快速发展，城市基础设施建设越来越多，地下结构也越来越深，然而国内地下水位回升对地下结构的影响问题一直没有得到足够的重视。根据有关文献[1]～[3]，英、美、法、日及波斯湾等国家均出现由于地下水位回升引起工程灾害，如英国伯明翰市有的建筑物基础被淹没、利物浦不列颠铁路隧道抽出水量增大、伦敦附近地下水位年上升量约1.5 m、泰晤士河岸砂岩地基上的建筑物地下室充水现象十分普遍等。我国经济发展比西方发达国家晚了半个世纪，大量问题尚处于潜伏期，但这绝不意味着可以暂时不考虑或以后不会发生[4-7]。一旦水位回升，首先受到影响的就是地下结构或设施，如地下室、地铁车站、地铁隧道、综合管廊等，而作为中国特大型城市之一的上海，其地下结构或设施规模巨大，且尤为复杂[8,9]，故本文选取上海市地铁隧道结构作为研究对象，研究地下水位回升对其受力和变形的影响，以期为今后类似工程提供参考。

2 工程概况

本文以上海地铁4号线为背景，通过概化4号线区间隧道工程地质条件，为后续数值模拟研究提供工程背景。4号线沿线区间隧道埋深一般在14 m～21 m，隧道主要穿越第④层灰色淤泥质黏土以及第⑤1层灰色黏土为主。浅部土层中潜水埋深浅，一般离地面0.3 m～1.5 m，年平均地下水位离地面0.5 m～0.7 m；第②3层、③2层和⑤2层地下水具有微承压水特征；⑤1层和⑦2层的地下水为承压含水层，承压水水头离地面埋深5.0 m～18.0 m。主要有①杂填土、②粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤1黏土、⑤3粉质黏土、⑥粉质黏土和⑦2粉细砂。

3 模型构建

以地铁4号线地质条件为原型，假设圆形隧道直径6.0 m，拱顶埋深15 m，地下水初始水位在隧道底下3 m。考虑模型边界效应的影响，且开挖方向取2 m，近似二维平面问题进行计算，模型尺寸取为90 m×2 m×65 m，围岩采用实体(Solid)单元模拟，服从摩尔库仑准则；隧道结构采用衬砌(Liner)单元模拟，建立的隧道数值模型见图1。各土层的厚度与物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学性质指标

为了研究地下水位回升对地下结构的影响，设计地下水位位于隧道结构底、中部、顶部、顶部往上3 m，6 m，9 m和地表的位置分别进行计算，水位回升模拟工况步骤如表2所示。

表2 水位回升模拟步骤

4 模拟结果分析

根据上节的工况设计，进行水位回升的数值模拟，并分别从隧道竖向位移和内力进行分析，以研究水位回升对隧道结构和周边环境的影响。

4.1 竖向位移

水位回升过程中地下水水位标高与竖向位移关系曲线见图2，从图2中可以看出，随着地下水位的持续回升，隧道和地表总体上均产生向上的位移，且地表的位移量最大，其次是隧道顶部，隧道底部最小。这是因为在地下水回升过程中，地下水浮力的作用下，地面产生回弹变形以及隧道结构发生上浮变形所致。

由图2可以看出，当地下水位从隧道底部以下3 m回升至隧道底部时，地下水并未对隧道本身产生浮力，但使底部以下土层中孔隙水压力增加，引起土层的回弹变形，故隧道和土层均发生了向上的竖向位移，其中隧道本身的变形较小，拱底、拱顶和地表的位移量基本一致。

当地下水水位继续从隧道底部回升至隧道顶部时，地下水对隧道结构本身产生了浮力，同时也加大了土层中的孔隙水压力，导致更大的土层回弹变形，隧道整体表现为上浮，且向上的位移达到0.7 cm。由于隧道顶和底部的水压力不同，导致顶底部位移量也不一致。当地下水水位逐渐回升至隧道顶部以上至地表时，隧道和地层竖向位移继续增加，此时虽然隧道结构的浮力不变，但作用于隧道结构上的侧压力逐渐增加，隧道本身的变形增加，致使隧道本身发生变形。当升至地表时，顶部位移量约为2.2 cm，底部约为2.0 cm。

4.2 水平位移

水位回升过程中地下水水位标高与拱腰水平位移关系曲线见图3。

从图3中可以看出，当地下水位低于拱腰位置时，水平位移基本不变，但当水位逐渐高于拱腰时，随着地下水位的持续回升，隧道拱腰部位水平位移呈逐渐增大趋势，最大水平位移为0.91 mm，故总体位移并不大。

4.3 隧道结构内力

地下水位回升过程中，隧道结构不同位置处(隧道底和地表)最大弯矩变化云图见图4。从图4可知，隧道结构最大正弯矩发生在拱顶和拱底两侧，而两侧拱腰则为最大负弯矩。随着地下水位逐渐回升，由于有效应力减小，水压力逐渐增加，隧道结构拱顶、拱底最大正弯矩和两边拱腰最大负弯矩总体趋于减小。虽然隧道最大弯矩均逐渐减小，但随着水压力逐渐增大，隧道结构可能发生正负弯矩转换现象，对结构不利。此外，隧道结构最大法向应力随地下水水位回升逐渐增加。

5 结语

本文基于上海地铁4号线工程地质背景，采用数值模拟方法研究了地下水位回升对地铁隧道结构的影响。地下水水位回升引起土体有效应力减小，同时地下隧道结构浮力增加，致使隧道结构存在明显向上的竖向位移，即上浮现象。地下水位回升会造成隧道结构拱顶、拱底和地表不同程度向上的竖向位移，其中地表最大(2.23 cm)，拱顶次之，而拱底最小；隧道结构两侧拱腰位置的水平位移也逐渐增大，总体位移相对较小(最大为0.91 mm)；隧道结构法向应力不断增加，弯矩则逐渐减小。随着水压力不断增加，结构弯矩有方向转换的可能，对隧道结构可能不利。