地下水水位对地铁隧道的影响

刘文洲

（江西省建洪水利咨询有限公司，南昌 341000）

1 概述

当前中国的城市地铁已然成为轨道交通的新纪元，地铁拥有方便、快捷、稳定等优点，在城市的交通运输中，起到了非常重要的作用，“换乘时代”已走进人们的生活，并成为必不可少的交通工具。然而在地铁隧道的开挖建设工程中，常常会遇到很多的工程问题，其中地下水水位对隧道的开挖是重大影响之一，因地下水而导致地表沉降，道路坍塌等问题屡见不鲜，国内外诸多学者对此也进行了大量的研究，其中Baum[1]分析美国超过80%的地表沉降是由于地下水被过量开采而导致的，李善峰等人[2]，对华北平原地区的通过研究发现，华北地区应地下水的超采，导致该区域地表沉降增大，Hu[3]等人研究发现，天津地区最大沉降量达到3.1m。Gambolati[4]对单场条件下的地面沉降计算采用线性边界元方法进行计算分析，崔亚丽等[5]运用Modflow 有限元软件，对北京市地区的地下水与地面沉降祸合进行数值模拟，骆祖江等[6]对上海地区某深基坑的降水地面沉降进行了三维数值模拟，并且还进一步对江苏沿江地下水开采、地面沉降通过建筑三维模型进行数值模拟分析。然而，从目前的研究成果来看，现有研究依然还存在些许不足，虽对地下水的降落而诱发地表沉降有了较多的研究，但对不同水位变动下对隧道的影响研究较小，对采用有限元软件对双向隧道的研究也有待进一步研究。

为此，为进一步分析地下水诱发地表沉降及地下水水位变化情况，文章利用FLAC3D 有限元软件建立双线隧道模型，对地下水水位的变动对地铁隧道的开挖影响进行研究分析。

2 地下水诱发地表沉降机理

对于地下工程来说，地下水是影响地下工程安全的主要因素，如今大规模地铁隧道、高铁、输送管线等的建设，在建造的过程中都大量的抽取地下水，加上上部建筑群的影响，使地下水水位及沉降漏斗形态不断的进行演化，因工程性的降水，使图中的有效应力增大，导致水的渗透力增加，土中颗粒不断被冲出，使土体向负压力的方向移动，从而导致地表沉降。有些学者对地表沉降的成因提出具体的计算模型，并对其进行分析，地表沉降计算模型对比分析表，见表1 所示。在上表中的土水模型中，包括了渗流场模型(水流、水动力场)、渗流与应力场祸合模型(水土祸合)、应力场模型(土体变形)三种，其中渗流场模型又包括了二维流、准三维流及三维流三种模型；水土祸合模型又包括两步计算模型、部分耦合和完全耦合三种计算模型；而土体变形模型又包括非线弹性模型、比奥固结模型、流变固结模型、黏弹塑性模型、回归模型及半理论、弹塑性固结模型、半经验模型等。而对于生命旋回模型而言，主要是包括随机介质模型、神经网络模型及灰色模型等。学者们通过模型对地表沉降进行详细分分析，为后者提供相关的技术及理论支撑。

表1 地表沉降计算模型对比分析表

许烨霜等人[7]通过上述模型分析得出，地下构筑物对地下水及地面沉降的影响程度主要是与构筑物在含水层中的埋置深度及构筑物在含水层的挡水宽度有关，当地下构筑物的埋深越深，在抽水侧的水位降深和沉降量都将越大，而当构筑物对地下水流的阻挡宽度越大，地表的沉降也将受到更大的影响。

3 地下水位的变化模型

对于地下水的水位变化模式其实同样是与土体的变形有关，其中主要的模型包括五种类型，水位变化模型图，见图1。

图1 水位变化模型图

从图1 中可知，（a）图中的水位几乎等幅波动，水位变化图（a）左与土层变形曲线（a）右其水位保持在一定的范围内，并且其平均值保持不变，主要是由于土层在反复荷载的作用下，土层的有效应力也随之反复变化，并且这种变化相对较为缓慢，所以不会引起大的变形。

（b）图左中的水位在循环反复中总体上持续的下降，并且最低处低于该土层的历史上的最低水位，当水位上升时，土层仅有小量值的回弹，甚至没有。图（c）左与土层变形曲线（c）右其平均值几乎保持不变，水位有从较高值变化到较低值的趋势，但总体上保持在小范围内波动。图（d）中水位在循环中总体呈现下降的形式，但依旧高于该土层在历史上到达过的最低水位。图（e）中水位逐步的恢复，呈现上升的趋势，在采取禁止超采地下水及对土层进行回灌浆之后就将出现此种性状，因此为力不让地表产生沉降，因严禁对地下水进行大量抽水，必要时可采取回灌的措施。通过分析发现五种模型中，当地下水水位变化处于（b）图时，最为危险。

4 有限元软件模拟

随着计算机计算的发展，有限元软件得到很大的开发，并且采用有限元软件对各种工程模型进行模拟的结果也得到大家的认可，文章采用FLAC3D 软件对双线地铁隧道在水位变化的情况下进行模拟。

4.1 建立双线地铁隧道模型

4.1.1 模型假定

1）隧道区间内径直径为5.5m，外径为6.2m，采用三维八节点的实体单元来进行模拟。

2）隧道与土体及隧道之间的连接采用刚性连接，不设置接触面。

3）模型中地应力的平衡阶段采用摩尔库伦模型，其余的采用弹性模型进行计算。

4）土体的渗透参数系数设置为各向同性

5）土层均设置为均匀的分层。

6）模型中考虑流固祸合作用，土层全部设置为饱和土。

7）各个参数的设置，见表2。

表2 模型参数设置表

4.2 模拟计算结果

基于上述模型，对双线地铁隧道在水位变化的情况下进行模拟，本次模型一共在五种工况下进行分别对应与五种模式，其土体的变形结果，隧道纵向的土体竖向位移图，见图2。

图2 隧道纵向的土体竖向位移图

图2 表示沿着隧道纵向的土体竖向位移的等值线图，从图中可以发现，土体的变形基本上呈现出“锅底”型，工况1 的土体最大的变形-0.02%D（D 值为隧道的半径，“-”表示沉降）；工况2 的土体最大的变形-0.21%D；工况3 的土体最大的变形0.04%D；工况4 的土体最大的变形-0.06%D；工况5 的土体最大的变形0.197%D，并且发现在工况1下的土体变形未呈现对称分布，其主要是由于水位的变动较小且近等幅变动的原因，此外发现土体的最大变形处未出现在地面与隧道的位置处，而处于它们之间，对此还行进一步进行研究，探究其原因。

5 结论

文章基于前人的研究成果，通过分析地下水诱发地表沉降及地下水水位变化情况，利用有限元软件FLAC3D 建立双线隧道模型，对地下水水位的变动对地铁隧道的开挖影响进行研究分析，研究表明：纵剖面上的土体竖向变形基本呈“锅底”型，并且发现对地下水不可超采，若需要保护地表沉降，可采取对土层回灌技术。另外文章对在地下水位变化下仅对土体的竖向方向土体变形进行研究，相关的研究还有待进一步推进，限于笔者能力有限，不足之处还望同行提出批准，对于地铁隧道工程的研究也有待继续。