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(2)

对管片接头的模拟，许多学者做了大量有益的探索，取得了许多重要成果，如弹簧模型[11图5(a)）、螺栓实体模型

[13－14]

－12]

模型分别加载，通过直径的变化比值可以求得横向刚度有效率，且与加载大小无关。在计算过程中，隧道管片的弹性模量保持不变，逐渐改变接头的弹性模量，以计算多种接头模量模量对应的横向刚度有效率。

（见

（见图5(b)）等，图5

中M、N和S分别表示弯矩、轴力和剪力；A、B、C和D表示4组弹簧，kn和ks分别表示弹的压缩刚度和剪切刚度[12]。但不同的模型用于不同的研究目的，弹簧模型和螺栓实体模型主要用于反映接头的力学性态，很难设置渗流路径和渗透系数，难以用于渗流计算。为此，本文采用衬砌连续化模型、接头弹性模量弱化的方法，并通过刚度有效率来确定是否满足衬砌刚度的要求[15]。

N

图6 上海盾构隧道拼装图

Fig.6 Lining cross-section of Shanghai subway tunnel

N

(a) 考虑接头的模型 (b) 均质模型

(a) 弹簧模型

图7 隧道管片模型

Fig.7 Model of a lining

管片

M

M

管片

(b) 螺栓实体模型

图5 管片接头模型 Fig.5 Models of joint

图8 管片荷载模型 图9 管片变形

Fig.8 Model with load Fig.9 Deformation of the lining

以上海地铁盾构隧道2号线为背景展开分析，

横向刚度有效率随接头弹性模量的变化情况如图10所示。黄宏伟等[17]通过模型试验得到上海地铁盾构隧道横向刚度有效率为0.67。经计算发现，当接头处弹性模量为0.5 GPa时，横向刚度有效率为0.67，满足要求。因此，管片接头弹性模量取 0.5 GPa。

3.2 接头渗水的实现

传统的衬砌等效渗流计算是将衬砌的渗透系数设置成某一常量。为了实现局部接头渗水，在局部接头处设置相应的渗流路径，接头宽度就是相应的渗流路径，如图7(a)所示。通过有限元软件将渗流

隧道采用通缝拼装形式，外直径为6.2 m，内直径为5.5 m，管片厚度为0.35 m，混凝土管片的弹性模量为34.5 GPa，泊松比为0.16，隧道衬砌由6块管片用螺栓拼装而成，如图6所示。为了实现接头弱化并满足衬砌刚度的要求，考虑接头的模型如图7(a)所示，其中接头宽度按照上海地铁盾构隧道的防水设计要求取6 mm[16]。

采用荷载-结构法[17]确定管片接头弹性模量的取值。如图8所示，隧道底部约束位移，在顶部施加荷载。根据结构力学理论，对图7(a)和图7(b)的

研究表明,盾构隧道长期渗水会造成地表及隧道严重沉降。针对盾构隧道局部渗流难以模拟的现状,首先提出了一种既符合盾构隧道刚度要求又能实现局部接头渗水的计算方法;在稳定渗流状态对应的相同渗流量的前提下,对比分析了管片在不同接头渗水条件下隧道周围土体孔压分布、地表和隧道沉降以及隧道变形规律。分析结果表明,盾构隧道渗水接头的位置不同,孔压分布、

第1期 刘 印等：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 293

路径赋予渗流单元的属性并设置相应的渗透系数，且满足以下主要控制方程[18]。

1.00.9

0.8横向刚度有效率

0.70.60.50.40.30.20.1

1

2

3

4

5

6

接头弹性模量/GPa

wvx wvy wvz V

y z x （3）

wn V t

式中：n为多孔介质的孔隙度。

（4）孔隙水的渗流控制方程

将孔隙水的平衡方程代人连续方程，根据体积守恒可以推出考虑土体空间压缩时的渗流数学模型为

p

wv （4） t t

w式中： 为梯度算子； w为水的体积压缩系数；

k p w wn w

为水的重度； v为体应变。

图10 横向刚度有效率随接头弹性模量的变化

Fig.10 Effective rigidity ratios with different

joint moduli of elasticity

4 工程实例计算

4.1 整体模量的建立

上海地铁2号线人民公园站—石门路站区间隧道采用土压平衡式盾构施工，隧道中心埋深15 m，以此为工程背景进行分析。考虑到上海地区为软土富水区，假设土中水面与地表面相同。采用实体建模，有限元整体建模如图11所示，土体材料参数如表1所示[3]。假设管片拼装完成后，衬砌与土体始终保持接触状态且不会发生滑移，因此，衬砌与土体之间的接触面采用绑定约束。对土体划分网格时采用ABAQUS内部的渗流计算单元，其满足渗流与固结沉降的耦合分析要求[19]。

（1）孔隙水的运动方程

假定孔隙水渗流服从Darcy定律或Forchheimer定律。前者适用于较低的渗流速度，也可认为是Forchheimer定律的线性形式。盾构隧道渗水较小，符合Darcy定律：

qi= k p fxjgj （1）

式中：qi为渗透流量；p为孔压；k为渗透系数； f为流体密度；gj为重力的3个分量。 （2）孔隙水的平衡方程

vy p

wg 0（2） yky

vz p

wg wg 0 zkz

v p

wgx 0 xkx

式中：kx、ky、kz为土体不同方向的渗透系数；vx、vy、vz为不同方向的渗流速度；p为孔压。 （3）孔隙水的连续方程

根据渗流场中微元体的质量守恒可得渗流连续方程为

图11 整体模型网格图

Fig.11 Finite elements of whole model

表1 材料参数

Table 1 Material parameters

土体编号

2 3 4 ⑤-1 ⑤-2 ⑥ ⑦

名称 粉质黏土 淤泥质粉质黏土 淤泥质黏土

厚度 /m 2.4 1.6 4.0

重度 /(kN/m3)

18.7 18.0 17.0

弹性模量/MPa 8.6 6.5 6.5

泊松比 0.32 0.34 0.36

孔隙比 0.97 1.13 1.44

渗透系数

-/(109 m/s)

3.30 2.70 1.82

黏聚力 /kPa 13.0 7.0 10.0

内摩擦角/(°) 14.8 18.7 9.8

粉质黏土 12.0 18.3 10.6 0.33 1.01 3.00 10.0 15.9 夹薄纱层粉质黏土 10.0 18.3 10.6 0.29 0.98 2.50 10.0 19.1

粉质黏土 3.0 19.9 42.1 0.30 0.70 3.00 12.8 30.0 粉砂夹黏土层 20.1 56.1 0.30 0.64 2.00 26.3 6.0

研究表明,盾构隧道长期渗水会造成地表及隧道严重沉降。针对盾构隧道局部渗流难以模拟的现状,首先提出了一种既符合盾构隧道刚度要求又能实现局部接头渗水的计算方法;在稳定渗流状态对应的相同渗流量的前提下,对比分析了管片在不同接头渗水条件下隧道周围土体孔压分布、地表和隧道沉降以及隧道变形规律。分析结果表明,盾构隧道渗水接头的位置不同,孔压分布、

294 岩 土 力 学 2013年

4.2 接头局部渗透系数的设置

盾构隧道渗漏水的大小和分布情况十分复杂，隧道的渗透系数难以直接确定。国内外专家大多数都采用衬砌渗透系数假设或参数讨论的方法分析渗漏水的影响，如Mair[2]、Shin[5]、Wongsaroj[7]、张冬梅[3]、郑永来[8]等。由于本文研究的是接头局部渗水，接头渗水与接头变形、接头防水材料的性能、施工质量等各种因素有关，且不同接头渗水情况相差很大 …… 此处隐藏：2921字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……