隧道相對(duì)周圍軟土滲透系數(shù)比對(duì)隧道沉降的影響

隧道相對(duì)周圍軟土滲透系數(shù)比對(duì)隧道沉降的影響

1隧道沉降中國(guó)沿海地區(qū)的軟土分布廣泛。上海、天津和廣州等一些大城市的住宅位于靠近該地區(qū)。近些年來(lái),這些城市都已經(jīng)修建了包括地下鐵道在內(nèi)的城市快速軌道交通(RTS),這無(wú)疑對(duì)緩解日益擁擠的城市交通和擴(kuò)大城市可利用空間具有重要意義。近年來(lái),軟土地鐵隧道在運(yùn)行過(guò)程中的沉降現(xiàn)象日益引起人們的重視。隧道不均勻沉降會(huì)使隧道產(chǎn)生彎曲變形,并導(dǎo)致隧道接縫張開,從而進(jìn)一步加劇滲漏,甚至漏泥。這樣地鐵的維護(hù)費(fèi)用將大為增加。從營(yíng)運(yùn)上來(lái)說(shuō),隧道沉降會(huì)影響軌道的平整、行車安全和乘坐的舒適性。以建于軟土地基里的上海地鐵l號(hào)線為例,自1995年4月正式建成投入運(yùn)營(yíng)以來(lái),已經(jīng)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的縱向沉降問(wèn)題,最大累計(jì)沉降量超過(guò)20cm,年度最大差異沉降量可達(dá)3cm。隧道沉降受多方面因素影響。初步的分析研究表明,已建軟土地鐵區(qū)間隧道的沉降影響因素主要包括以下幾個(gè)方面:(1)隧道下臥軟土層在長(zhǎng)期振動(dòng)荷載作用下軟化導(dǎo)致沉降;(2)隧道鄰近建筑施工活動(dòng)的影響;(3)隧道上方增加地面荷載;(4)隧道所處地層的水位變化;(5)隧道與工作井、車站連接處差異沉降;(6)區(qū)間隧道下臥土層水土流失造成破壞性縱向變形。文獻(xiàn)曾對(duì)上海軟土地鐵振陷進(jìn)行過(guò)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明,隧道振陷沉降量約為3mm。文獻(xiàn)監(jiān)測(cè)和分析了深基坑施工對(duì)鄰近地鐵隧道的影響,最大側(cè)移量約10mm,已超過(guò)隧道側(cè)移報(bào)警值。文獻(xiàn)計(jì)算并分析了隧道滲漏對(duì)地表沉降的影響。從上海地鐵隧道周圍目前的上述6個(gè)方面的工程和實(shí)際水文條件來(lái)看,許多地段隧道尚不具備產(chǎn)生目前的沉降的條件。本文擬主要從隧道滲漏角度分析并探究滲漏對(duì)隧道沉降的影響,然后探討蠕變對(duì)滲漏沉降的影響。2隧道滲漏對(duì)隧道沉降的影響對(duì)地鐵區(qū)間隧道的滲漏情況調(diào)查表明滲漏主要出現(xiàn)在環(huán)縫、螺孔、壓漿孔和管片碎裂處。通過(guò)實(shí)測(cè),可以給出平均化的單位平方米每晝夜?jié)B漏量。為了模擬滲漏量對(duì)區(qū)間隧道沉降的影響,將這些地方的集中滲漏均勻化為隧道的均勻滲漏或部分均勻滲漏,以此反映滲漏對(duì)隧道沉降的影響。隧道滲漏對(duì)地鐵沉降的影響,主要分為兩種情況。對(duì)地鐵建成后的沉降初期,沉降和差異沉降一般均較小,隧道在縱向的彎曲變形很小,因此橫斷面接縫開裂也很小。因此,環(huán)縫的滲漏從統(tǒng)計(jì)上來(lái)說(shuō)是比較均勻的。隨著隧道沉陷的發(fā)展,部分區(qū)段可能會(huì)出現(xiàn)不均勻沉陷,使得隧道出現(xiàn)縱向彎曲變形,從而使得橫斷面上側(cè)和下側(cè)接縫的開裂情況朝著不同方向發(fā)展。以隧道出現(xiàn)下凸變形為例,則會(huì)出現(xiàn)下側(cè)接縫變大,而上側(cè)接縫變小,進(jìn)而導(dǎo)致下側(cè)滲漏加大,而上側(cè)滲漏較小。反之,則上側(cè)滲漏加大,而下側(cè)滲漏較小。為此,在模擬滲漏對(duì)沉降影響時(shí),將隧道滲漏情況分為三種情況,一是隧道四周均勻滲漏;二是隧道上側(cè)保持低滲漏,而下側(cè)滲漏量較大;三是隧道下側(cè)保持低滲漏,而上側(cè)滲漏量較大。2.1土層厚度和土性土層的滲透系數(shù)及有關(guān)力學(xué)參數(shù)取自地鐵1號(hào)線工程地質(zhì)勘察報(bào)告的第Ⅱ工程地質(zhì)區(qū)。考慮到這些參數(shù)有比較大的變化范圍,開始的計(jì)算取有關(guān)力學(xué)參數(shù)的平均值,而滲透系數(shù)取低值。土層的厚度也取均值,見表1所示。土性的有關(guān)分層分布見圖1。襯砌混凝土標(biāo)號(hào)為C30,按彈性處理,楊氏模量為3.0×1010Pa;密度為2.4×103kg/m3;泊松比為0.24;孔隙度按有關(guān)文獻(xiàn),取0.1。預(yù)制混凝土管片多采用外加劑防水,其抗?jié)B標(biāo)號(hào)可達(dá)S12以上,滲透系數(shù)K<10-11cm/s。2.2初支襯砌厚度以邊界效應(yīng)的影響可忽略為前提選取合適的計(jì)算區(qū)域。區(qū)間隧道為雙孔盾構(gòu)隧道,圓形襯砌的內(nèi)徑5.5m,外徑6.2m,襯砌的厚度0.35m;兩孔之間的中心距取為13.0m。在水平向,擬將計(jì)算范圍取為自隧道軸線起算向兩側(cè)各延伸約3D(D為隧道外徑),總寬度為48.0m;豎向計(jì)算深度取為35.0m。網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謺r(shí)考慮在隧道附近適當(dāng)加密,如圖1所示。2.3滲透面為土層中一種深度力學(xué)邊界條件取:土層底部完全固定;土層兩側(cè)水平向約束,豎向自由;地面完全自由。側(cè)向水壓力邊界條件取:水壓自浸潤(rùn)面起向下線性增加,按式p=ρwgh計(jì)算(h為浸潤(rùn)面以下深度);滲透邊界條件取:土層底部不滲透;土層兩側(cè)滲透;地表以下1.5處的滲透邊界條件分為兩種情況,第一種是不設(shè)置該處為地下水浸潤(rùn)面,但保持飽和。這樣設(shè)置是考慮地下水位降低時(shí)沒(méi)有水補(bǔ)給的情況;第二種是設(shè)置該處為地下水浸潤(rùn)面,且保持飽和。這樣設(shè)置主要是考慮到上海地下水位從長(zhǎng)期來(lái)看基本不變或地下水位降低時(shí)有及時(shí)的地面降水補(bǔ)給情況。2.4民國(guó)初年(1)橫向壓力及初始值在土層平衡計(jì)算中(有限元計(jì)算Ⅰ),應(yīng)力初始值取土層自重(包括干土和水自重)產(chǎn)生的應(yīng)力,其中橫向壓力由側(cè)壓力系數(shù)(根據(jù)泊松比計(jì)算)計(jì)算;在開洞及安裝襯砌后平衡計(jì)算中(有限元計(jì)算Ⅱ),應(yīng)力初始值取土層平衡計(jì)算后所得應(yīng)力值;在四周或下半部滲漏情況下平衡計(jì)算中(有限元計(jì)算Ⅲ),應(yīng)力初始值取開洞及安裝襯砌平衡計(jì)算后的所得應(yīng)力值。(2)第一次重大轉(zhuǎn)移的條件每個(gè)有限元計(jì)算前均將位移和速度設(shè)置為0。(3)開洞及安裝襯砌前后孔壓值在土層平衡計(jì)算中(有限元計(jì)算Ⅰ),孔壓初始值取水自重產(chǎn)生的壓力,如圖6.3所示;在開洞及安裝襯砌后平衡計(jì)算中(有限元計(jì)算Ⅱ),孔壓初始值取土層平衡計(jì)算后所得孔壓值;在四周或下半部滲漏情況下平衡計(jì)算中(有限元計(jì)算Ⅲ),孔壓初始值取開洞及安裝襯砌平衡計(jì)算后的所得孔壓值。2.5地下水位根據(jù)地鐵1號(hào)線工程地質(zhì)勘察報(bào)告,并考慮到上海歷年地下水位變化情況,本計(jì)算地下水位取地表以下1.5m。2.6力學(xué)和滲漏耦合的控制方程上海地層水平分層情況較好,區(qū)間隧道在土層中的坡度一般小于2%。因此,在計(jì)算振陷或滲漏沉降時(shí),在隧道軸向較短距離內(nèi),可認(rèn)為在垂直軸向的不同截面內(nèi),應(yīng)力應(yīng)變情況基本相同,且沿軸向的應(yīng)變?yōu)榱?即簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。位移表示的平衡方程為:G?2ν+G1?2μ??y(?ν?y+?w?z)??p?y=0(1)G?2w+G1?2μ??y(?ν?y+?w?z)??p?z=0(2)G?2ν+G1-2μ??y(?ν?y+?w?z)-?p?y=0(1)G?2w+G1-2μ??y(?ν?y+?w?z)-?p?z=0(2)如果ky=kz=k,則變形協(xié)調(diào)條件為:??t(?ν?y+?w?z)?kγ?2p=0(3)??t(?ν?y+?w?z)-kγ?2p=0(3)式(3)和式(1)(2)是比奧的二維固結(jié)方程。這里有三個(gè)偏微分方程,正好有三個(gè)變量:v,w,p。數(shù)值求解方法見有關(guān)文獻(xiàn),而具體的滲漏沉降計(jì)算由FLAC程序完成。2.7下側(cè)滲漏系數(shù)較大外滲透系數(shù)kt/ks的計(jì)算計(jì)算工況分7種情況。工況1:隧道四周均勻滲漏,地面以下1.5m處不設(shè)定浸潤(rùn)面。隧道滲透系數(shù)kt相對(duì)于周圍軟土層④滲透系數(shù)ks(其值為5.07×10-10m/s)的比kt/ks為不同比值時(shí):1.0(完全排水)、0.30、0.10、0.030、0.010、0.0030,分別計(jì)算隧道沉降、地表沉降及孔壓分布。土層的有關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。工況2:相對(duì)于工況1,除將隧道上側(cè)保持低滲漏(比周圍軟土層④滲透系數(shù)ks小4個(gè)數(shù)量級(jí))而下側(cè)滲漏系數(shù)較大外(滲透系數(shù)比值kt/ks分別為:1.0、0.30、0.10、0.030、0.010、0.0030),其它條件相同。這樣做的目的是考察隧道斷面下側(cè)滲漏較大(隧道下凹沉陷段可能會(huì)出現(xiàn)此情況)時(shí)對(duì)滲漏沉降的影響。然后進(jìn)行與工況1同樣的計(jì)算。工況3:相對(duì)于工況1,除將地面以下1.5m處設(shè)定浸潤(rùn)面外,其它條件相同。這樣做的目的是考察恒定浸潤(rùn)面(有及時(shí)的地面降水補(bǔ)給情況)對(duì)滲漏沉降的影響。進(jìn)行與工況1同樣的計(jì)算。工況4:相對(duì)于工況2,除將地面以下1.5m處設(shè)定浸潤(rùn)面外,其它條件相同。進(jìn)行與工況2同樣的計(jì)算。工況5:相對(duì)于工況3,除將土體變形模量全部減小為原來(lái)的一半外,其它條件相同。這樣做的目的是考察周圍土體變形模量變小(考慮到同一土層性質(zhì)的差異)對(duì)滲漏沉降的影響。然后進(jìn)行與工況三同樣的計(jì)算。工況6:相對(duì)于工況4,除將土體楊氏模量全部減小為原來(lái)的一半外,其它條件相同。然后進(jìn)行與工況4同樣的計(jì)算。工況7:相對(duì)于工況1,除將隧道下側(cè)保持低滲漏(比周圍軟土層④滲透系數(shù)ks小4個(gè)數(shù)量級(jí))而上側(cè)滲漏系數(shù)較大外(滲透系數(shù)比值kt/ks分別為:1.0、0.30、0.10、0.030、0.010、0.0030),其它條件相同。這樣做的目的是考察隧道斷面上側(cè)滲漏較大(隧道上凸沉陷段可能會(huì)出現(xiàn)此情況。此外,隧道實(shí)際滲漏情況調(diào)查也表明,漏水點(diǎn)主要集中在環(huán)縫、封頂塊相連的“十字縫”等處,這種滲漏情況也比較接近本工況)時(shí)對(duì)滲漏沉降的影響。然后進(jìn)行與工況1同樣的計(jì)算。2.8土層平衡計(jì)算力學(xué)和滲流耦合計(jì)算過(guò)程分三步:(1)有限元計(jì)算Ⅰ:土層平衡計(jì)算;(2)有限元計(jì)算Ⅱ:開洞及安裝襯砌后平衡計(jì)算;(3)有限元計(jì)算Ⅲ:四周或下(上)半部滲漏情況下平衡計(jì)算。計(jì)算前均初始化位移和速度,并設(shè)置為0。2.9計(jì)算結(jié)果和分析2.9.1隧道滲透系數(shù)和地下水漏失量的關(guān)系圖2和圖3分別給出四周滲漏條件下的無(wú)浸潤(rùn)面和有浸潤(rùn)面情況下不同隧道滲透系數(shù)比(1.0、0.1和0.01)條件下的孔壓等值線分布圖;圖4為四周滲漏和下半周滲漏條件下隧道正上和正下方土層孔壓分布?？讐旱臏p小將導(dǎo)致土層的固結(jié)沉降。圖5和圖6分別為滲漏速度和滲漏量與隧道滲透系數(shù)比的關(guān)系。由圖2和圖3可見,隧道相對(duì)滲透系數(shù)比值越大,地下水降落漏斗分布范圍越大,隧道周圍孔壓降低越多;由圖4可進(jìn)一步看出,無(wú)論是四周均勻滲漏,還是下半周滲漏,隧道上方和下方土層中土層孔壓的減小隨相對(duì)滲透系數(shù)比值的增大而愈加明顯,減小的深度范圍主要在隧道以上及隧道以下約1.7D(D為隧道外徑)?？讐旱臏p小將導(dǎo)致土層的固結(jié)沉降。由圖5和圖6可見,就滲漏速度來(lái)說(shuō),下半周滲漏比四周滲漏快,設(shè)置浸潤(rùn)面比不設(shè)置浸潤(rùn)面快;就滲漏量來(lái)說(shuō),四周滲漏比下半周滲漏快,設(shè)置浸潤(rùn)面比不設(shè)置浸潤(rùn)面快。2.9.2沉降槽與隧道沉降比由于隧道周圍孔壓的降低,必然會(huì)導(dǎo)致隧道和地面沉降。圖7給出了四周滲漏、無(wú)浸潤(rùn)面情況下的隧道和土層沉降。圖8和圖9分別給出不同條件下隧道和土層的沉降與隧道滲透系數(shù)比的關(guān)系。由圖7可見,由于隧道的滲漏,導(dǎo)致地面沉降,并產(chǎn)生沉降槽。滲透系數(shù)比越大,沉降槽越明顯。由圖8和圖9可見,隧道滲漏導(dǎo)致的地面和隧道的沉降隨滲透系數(shù)比的增加而增加,在完全滲漏(隧道滲透系數(shù)比為1.0)的情況下,隧道最大沉降可達(dá)22cm(圖8),其對(duì)應(yīng)的滲流速度為0.15L/m2d(圖5),略大于軟土盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)容許滲流速度0.1L/m2d。滲透系數(shù)比越大,隧道周圍孔壓降低越多,沉降槽越明顯,隧道沉降也越大。表2分別給出在設(shè)置浸潤(rùn)面條件下所有土層變形模量降低一半時(shí)的隧道沉降比(土層模量降低一半時(shí)的隧道沉降/土層模量正常時(shí)的隧道沉降)和其正上方地面沉降比(土層模量降低一半時(shí)隧道的正上方地面沉降/土層模量正常時(shí)隧道的正上方地面的沉降)。由表2可見,將各土層模量降低一半時(shí),在滲透系數(shù)比分別為1.0—0.01情況下,沉降比基本為2,即隧道沉降和隧道正上方地面沉降均增加一倍;在滲透系數(shù)比為特小值0.003時(shí),沉降比介于1-1.5,這可能是由于滲漏沉降本身很小,計(jì)算的沉降相對(duì)誤差較大所致?？梢?隧道滲透系數(shù)比分別為1.0-0.01情況下,滲漏沉降與土層模量大致成反比關(guān)系。上述結(jié)論很重要。此結(jié)論可用于估算由于土層模量取值誤差所導(dǎo)致的滲漏沉降量,也可用于估算由于軟土材料蠕變和列車振動(dòng)軟化所導(dǎo)致的軟土地鐵沉陷。后面將詳細(xì)計(jì)算和討論土層蠕變對(duì)滲漏沉降的影響。2.9.3收斂時(shí)間根據(jù)計(jì)算的隧道和地面滲漏沉降隨地下水流動(dòng)時(shí)間變化,在土層滲透系數(shù)按表1取值時(shí),當(dāng)隧道滲透系數(shù)比在1.0-0.002的情況下,隧道沉降收斂時(shí)間范圍在4×109-8×109s,合1.3×102-2.6×102年。表1中土層滲透系數(shù)的取值是依據(jù)上海一號(hào)線工程地質(zhì)勘察資料,且取值為較小值。根據(jù)上海地鐵一號(hào)線的勘察資料,同一土層的滲透系數(shù)變化范圍很大,可相差2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。若將各土層滲透系數(shù)增大100倍,作同樣的計(jì)算,收斂時(shí)間范圍則在4×107-8×107s,合1.3-2.6年,和前面的收斂時(shí)間相比,小2個(gè)數(shù)量極?？梢?隧道滲漏沉降穩(wěn)定時(shí)間直接受周圍土體滲透系數(shù)影響。滲透系數(shù)相差2-3個(gè)數(shù)量級(jí),則滲漏沉降穩(wěn)定時(shí)間也可相差2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,計(jì)算還表明,隧道和地面的滲漏沉降的穩(wěn)定時(shí)間主要取決于土層滲透系數(shù),而與隧道滲透系數(shù)比的關(guān)系并不明顯。上述隧道滲漏導(dǎo)致的隧道沉降計(jì)算中,將周圍土層視為彈性,彈性模量是根據(jù)勘探資料中側(cè)限壓縮模量Es推算而來(lái),這為估算滲漏導(dǎo)致的沉降提供了一種簡(jiǎn)明的方法。但是,我們知道,壓縮模量Es是在排水條件下并側(cè)限壓縮24小時(shí)至穩(wěn)定的條件下(每小時(shí)變形量不超過(guò)0.005mm)的測(cè)量結(jié)果。若土試樣無(wú)蠕變,則Es為純排水條件下的側(cè)限壓縮模量;若存在蠕變,則Es為包含蠕變影響的排水條件下的側(cè)限壓縮模量。但這里的蠕變主要是短期蠕變。因?yàn)橐话闱闆r下,如前所述,試樣是在側(cè)限壓縮24小時(shí)至穩(wěn)定的條件下的測(cè)量結(jié)果,因此,長(zhǎng)期的蠕變影響無(wú)法在實(shí)驗(yàn)的這段時(shí)間里充分體現(xiàn)出來(lái)。若實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng),則長(zhǎng)期的蠕變影響會(huì)體現(xiàn)出來(lái),變形會(huì)進(jìn)一步加大,計(jì)算的壓縮模量Es會(huì)減小。因此,通常條件下測(cè)得的壓縮模量Es比考慮長(zhǎng)期蠕變影響的壓縮模量要大。考慮此因素,由此會(huì)導(dǎo)致上述計(jì)算的隧道滲漏沉降偏小。下面將根據(jù)上海軟土蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果,計(jì)算計(jì)及蠕變所導(dǎo)致的沉降。3土體有效應(yīng)力的增加根據(jù)軟土本構(gòu)模型研究,軟土具有明顯的蠕變性質(zhì)。因此,在隧道滲漏排水的工程中,隧道周圍土體中孔隙水應(yīng)力不斷減小,直至穩(wěn)定。在此過(guò)程中,周圍土體的有效應(yīng)力也隨之不斷增加,直至穩(wěn)定。土體的有效應(yīng)力在增加的過(guò)程中,不僅發(fā)生排水固結(jié)變形(主固結(jié)變形),而且土骨架也會(huì)產(chǎn)生蠕變變形(次固結(jié)變形)。排水固結(jié)變形和蠕變變形均與時(shí)間有關(guān),前者取決于土體的滲透系數(shù)和滲漏長(zhǎng)度,可用特征時(shí)間tfccf來(lái)衡量;后者可用蠕變特征時(shí)間η/E衡量。隧道開挖以后,滲漏要達(dá)到平衡需數(shù)年時(shí)間。期間,若土介質(zhì)產(chǎn)生蠕變,則進(jìn)一步增加滲漏沉降。具體滲漏沉降增加多少,需進(jìn)行滲漏和蠕變耦合計(jì)算。3.1理論結(jié)果及分析上海淤泥質(zhì)粘土的蠕變特性可用鮑埃丁流變模型(又稱線性B型,文獻(xiàn)稱之為三單元模型)描述,如圖8所示。孫鈞對(duì)上海表層褐黃色粉質(zhì)粘土、灰色淤泥質(zhì)粘土和褐暗綠色粉質(zhì)粘土的流變特性進(jìn)行了系統(tǒng)的室內(nèi)和理論研究。研究結(jié)果表明,采用鮑埃丁流變模型來(lái)模擬上海淤泥質(zhì)粘土在上述應(yīng)力水平下的變形時(shí)效性能夠得到非常滿意的結(jié)果。為此,本文將采用該文獻(xiàn)中對(duì)灰色淤泥質(zhì)粘土的單向蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果,見表3。按采用的鮑埃丁流變模型,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的微分方程見式(4)。σ˙+E1+Ekηk=E1ε˙+E1Ekηkε(4)σ˙+E1+Ekηk=E1ε˙+E1Ekηkε(4)3.2隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析在以下隧道滲漏沉降計(jì)算中,隧道周圍的第4層淤泥質(zhì)軟土蠕變變形采用鮑埃丁流變模型。按隧道所處深度的應(yīng)力,模型參數(shù)取為對(duì)應(yīng)于應(yīng)力為100kPa、控制一維壓縮試驗(yàn)條件下的對(duì)應(yīng)參數(shù)值,即E1s=1920kPa;Eks=1200kPa;ηks=708kPa·d。隧道埋深為7m,滲透系數(shù)比值kt/ks為0.10,不設(shè)置固定浸潤(rùn)面。其它計(jì)算條件與前節(jié)相似。蠕變和滲漏耦合計(jì)算由FLAC程序完成。表3給出了考慮蠕變時(shí)的隧道滲漏沉降相對(duì)于不考慮蠕變時(shí)的增加百分?jǐn)?shù)。由表3可見,考慮蠕變時(shí)的隧道滲漏沉降約增加12%-20%。4地下水位變化的影響上海市區(qū)的地下水位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)表明,近年來(lái)上海地下水位基本保持在地面以下1-1.5m。但局部地區(qū)地下水位可能會(huì)因施工等因素發(fā)生較大變化。如圖10所示,若地下水位由A處降到B處,A處和B處的高度差為h。假設(shè)在水位降低的過(guò)程中,土層的孔隙是相通的,且B處以下的孔壓隨水位下降而降低νwh(νw為水的重度)。則在水位降低的過(guò)程中,B處以下的土層所受的有效孔隙水應(yīng)力保持不變,因而B處以下的土層沒(méi)有壓縮變形。若隧道保持在地下水位以下,則地下水位的變化一般不影響地下水位以下的隧道沉降。但前提是地下水位降低是由于從隧道高度