盾构过富水砂层流—固耦合数值模拟计算
摘 要:运用 FLAC3D 三维非线性有限差分程序，对盾构通过深圳地铁 2 号线富水砂层地段产生的地表沉降与孔压变化，进行了流—固耦合数值模拟计算;施工时对地表沉降进行了观测。计算结果与现场实测结果一致。
关键词: FLAC3D 富水砂层 流—固耦合数值模拟计算 沉降观测
1 工程简介
深圳地铁 2 号线工程西起南山区赤湾站，东止罗湖区新秀站，线路全长 35. 78 km，均为地下线。2 号线2205 标段盾构工程共有 2 个区间，分别是东角头站—水湾站和水湾站—海上世界站区间。地表既有建筑物主要集中在东角头站—水湾站区间，土质为富水砂层，本文运用 FLAC3D 有限差分程序进行本段沉降的数值模拟计算。
该段隧道上覆第四系地层:人工填土、洪冲圆砾、洪冲黏土，隧道侧墙岩土层为洪冲砾砂、砾(砂) 质黏土，隧道基底为砾(砂) 质黏土、全风化粗粒花岗岩。上覆软弱土层厚度为 10. 2 ～ 13. 0 m。
地下水以经常渗水、滴水为主，顶板砂层地段易涌水，局部钻孔和砾(砂) 质黏土见强 ～ 中等风化岩碎块，在 CK5 + 058. 9 里程附近出现微风化状风化球，且上部建筑物以天然地基为主。
2 FLAC3D 计算模型
建立如图 1 所示盾构过富水砂层流—固耦合计算模型，模型宽 × 长 × 高为 100 m × 90 m × 32 m。
地表沉降计算点、实测点与孔压计算点位置示意如图 2，其中 a1，a2，a3，h1，h2，h3 为地表沉降计算点，106，107，183，184 为地表沉降实测点，A，B，C，D，E，F，G，H 为孔压计算点。
土体的本构关系采用摩尔—库伦模型，注浆、管片等为各向同性弹性体。在富水砂层中模拟盾构开挖计算过程中所采用的有关计算参数如表 1。
3 流—固耦合数值计算结果
3. 1 沉降计算结果及分析
在给定模型的力学参数和边界条件下，求解场地初始应力和孔隙水压力。经过流—固耦合计算后，可得纵、横剖面竖向沉降分布云图，纵剖面地面沉降时程曲线及纵、横剖面孔隙水压力。计算结果分别见图3—图 10。从纵剖面图 3 看，开挖前后两端沉降较大，越靠近边界沉降越大。这个计算结果可能由于以下三个方面的原因:①快速开挖引起的较大的沉降;②边界效应;③两者共同作用的效果。
从隧道的横剖面(见图 4)看开挖沉降，自隧道拱顶开始到地表，沉降依次减小。拱顶最大 1. 5 cm 左右，隧道拱底及两侧土体有微量的隆起，但量值较小。
通过对盾构开挖引起地表纵、横剖面沉降的分析(见图 5、图 6)，可知盾构推进时，掌子面地表先隆起，隆起量约 1 cm。盾构通过后，由于盾尾空隙、地层土应力与孔隙水压力消散等共同作用，地表开始产生沉降，沉降量约 2 ～ 3 cm。在盾构管片安装后，地表沉降趋于稳定。通过横、纵剖面地表沉降计算值与实测值的对比，可知地表沉降变化趋势及量值的计算结果与实测结果较吻合。
3. 2 孔压计算结果及分析
通过对盾构隧道开挖纵剖面孔隙水压力的计算(见图 7)，可知隧道上方砂性土层孔隙水压力在盾构通过后消散较快，隧道下方黏土层的孔隙水压力还保留着开挖时的降压特征，孔隙水压力消散较慢。
通过对纵剖面各点孔隙水压力消散时程曲线(见图 8、图 9)分析，可知盾构推进时，掌子面孔隙水压力先上升，盾尾通过时，孔隙水压力消散，隧道管片安装后，孔隙水压力逐渐恢复且趋于稳定。并且靠隧道拱顶位置越近，孔隙水压力量值越大。
通过对盾构隧道开挖横剖面孔隙水压力的计算结果分析(见图 10)，可知盾构隧道开挖后，隧道周围孔隙水压力在纵向上呈现一条减压带，横断面上孔隙水压力消散情况基本相同。
4 结论
1) 盾构在富水砂层推进过程中，对于隧道轴线上任一横断面而言，盾构机在到达该横断面前，地表先隆起，盾构通过后地表产生沉降。
2) 离隧道纵断面中心线越远，盾构施工引起的地表沉降越小。
3) 在富水砂层中，盾构机掌子面正前方孔隙水压力先升高，盾尾通过后孔隙水压力消散，隧道管片安装后，孔隙水压力逐渐恢复。靠隧道拱顶位置越近，孔隙水压力量值越大且趋于稳定。隧道周围孔隙水压力在纵向上呈现一条减压带，横断面上孔隙水压力消散情况基本相同。
参 考 文 献
［1］彭文斌. FLAC3D 实用教程［M］. 北京:人民交通出版社，2009.
［2］陈育民，徐鼎平. FLAC/FLAC3D 基础与工程实例［M］. 北京:中国水利水电出版社，2009.
［3］邢心魁，史艳忠，宋战平. 土质隧道施工期围岩变形性状的分析研究［J］. 铁道建筑，2009(2):40-43.
［4］魏纲，刘加湾. 盾构法隧道统一土体移动模型参数取值研究［J］. 铁道建筑，2009(2):48-51.
［5］苏春晖，马建林，李曙光，等. 富水黄土围岩含水量变化对隧道稳定性的数值模拟分析［J］. 铁道建筑，2008(4):32-34.
京公网安备 11010202007575号