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(3)

2

孔压分布差异越显著。

由于水力坡降i= p，其中，l为渗流路径，Δp

2

均质等效渗水 3.00×1011 0.1

-

为对应的孔压差。若求隧道外壁接头处的i，l取衬砌的厚度，Δp取隧道衬砌内外壁的孔压差。由于衬砌内壁孔压为0，Δp即为衬砌外壁接头处孔压。接头1和接头3渗水导致的衬砌外壁接头处的孔压分别为8、25 kPa，如图13(b)所示。由此可知，接头

2 6处接头全渗水 1.60×108 0.1 3 4 5

接头1渗水 9.00×107 0.1

-

接头2渗水 8.00×107 0.1

-

接头3渗水 3.00×107 0.1

-

4.3 计算分析步及边界条件的设置

本文主要考虑地铁运营期隧道渗流产生的影响，因此，对隧道复杂的施工过程进行简化处理。

3处的水力坡降约为接头1的3倍。根据式（5）可知，在q相同的情况下，接头1对应的渗透系数应该是接头3的3倍，这与表2中接头渗透系数的取值相吻合。

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 295

2.048×105 1.927×105 1.806×105 1.685×105 1.564×105 1.443×105 1.322×105 1.685×105 1.079×105 9.584×104 8.374×104 7.163×104

4

5.952×10

(a) 均质渗水

180

160孔压/kPa

140120100

45

90

80

135180 225270 315360角度 /(°)

2.060×105 1.937×105 1.814×105 1.690×105 1.567×105 1.444×105 1.321×105 1.197×105 1.074×105 9.510×104 8.277×104 7.044×104

4 5.812×10

(b) 6处接头全渗水

(a) 均质渗水与6处接头渗水时的孔压

180

160

140120100806040200

孔压/kPa

45

90

2.102×105 1.936×105 1.769×105 1.603×105 1.437×105 1.270×105 1.104×105 9.376×104 7.712×104 6.049×104 4.382×104 2.722×104

4 1.058×10

(c) 接头1渗水

135180225270315360角度 /(°)

(b) 1处接头渗水时的孔压

图13 隧道衬砌外壁孔压大小

Fig.13 Magnitudes of pore water pressure

acting on tunnel lining

5.2 地表沉降及隧道沉降

渗水发生时，隧道周围土体有效应力增大，土体产生沉降，直到达到稳定状态。图14、15反映了地表最大沉降和隧道沉降随渗流时间的变化过程。从中可以看出，经过长期渗流，地表和隧道沉降的变化规律相同，几乎同时达到稳定状态。但每种工况对应的沉降量却相差较大。

渗流导致沉降的本质原因是孔压减小、土体有效应力增加，因此，孔压的变化量与沉降量密切相关。均质渗水与6处接头渗水时的孔压分布非常相近，因此，两种工况下的地表最大沉降和隧道沉降亦相差较小。吴怀娜等[10]按上海地铁0.1 L/(m2 d)的渗漏量计算得出长期稳定后地表沉降为40 mm，本文接头1渗水对应的沉降量为36.98 mm。两者的计算方法不同，首先本文模拟了隧道开挖、渗流至稳定状态，且稳定后的渗流量为0.10 L/(m2 d)，而吴怀娜[10]直接建立了隧道与土体的模型且设置隧道渗流量为0.1 L/(m2 d)；其次，两者渗漏计算模型也不同。

2.052×105

1.905×105

5

1.758×105 1.611×105 1.464×105 1.317×105 1.170×105 1.023×104 8.764×104 7.294×104 5.825×104 4.355×104

2.885×10

(d) 接头2渗水

5.879×10

1.976×105

1.861×105 1.745×105 1.629×105 1.514×105 1.398×105 1.282×105 1.167×105 1.051×105 9.351×104 8.194×104 7.037×104

4

(e) 接头3渗水

图12 隧道周围土体孔压分布云图 (单位：Pa) Fig.12 Nephograms of pore water pressure distributions

of different cases (unit: Pa)

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、

296 岩 土 力 学 2013年

0 -10 地表最大沉降/mm

-20 -30 -40 -50 -60 -70

0 2 4 6

时间/(10 d)

3

0.65相近。对比工况3～5可知，接头渗水位置不同，隧道与地表最大沉降的比值相差较大。当靠近拱底的接头渗水时，渗流导致的固结沉降区域主要集中在隧道下方，对隧道沉降的影响非常显著，因此，接头位置越深，沉降比值越大；而靠近拱顶的接头渗水时，固结沉降主要影响隧道上方的土体沉降，对隧道的影响相对较小，导致沉降比值偏小。不同

810

接头渗水引起土体的固结区不同，对隧道附近的构

图14 地表沉降随渗水时间的变化

Fig.14 Variations of surface settlement with time

筑物影响不同，如上部接头渗水会对隧道上穿的管线、隧道有重要影响，而下部接头渗水对下穿的管线、隧道影响更显著。

-10

隧道沉降/mm

-20-30-40-50

2

4

6 8 10

时间/(103 d)

表3 隧道及地表最大沉降对比

Table 3 Comparison between tunnel and maximum

surface settlements

工况 1 2 3 4

隧道沉降量 /mm -26.37 -24.53 -17.79 -25.20 -42.37

地表最大沉降量

/mm

-40.83 -39.19 -36.98 -43.35 -59.87

沉降比值 0.65 0.63 0.48 0.58 0.71

5

图15 隧道沉降随渗水时间的变化

Fig.15 Variations of tunnel settlement with time

5.3 隧道变形及水平侧移

伴随着土体沉降，隧道也会产生椭圆化的变 形[4]。由于隧道衬砌的刚度较大，渗水位置的不同给椭圆化变形带来的差距很小。从表4可以看出，不同工况下，水平直径增加量约为5 mm，竖向直径减小量约为6 mm。Wongsaroj等[7]在衬砌均质渗水的条件下计算得出，伦敦St James's Park地铁盾构隧道经过长期渗流后，隧道的水平直径增加了约

接头1渗水时，地表及隧道的沉降最小。由于接头1靠近 …… 此处隐藏：2896字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……