隧道相对周围软土渗透系数比对隧道沉降的影响

隧道相对周围软土渗透系数比对隧道沉降的影响

1隧道沉降中国沿海地区的软土分布广泛。上海、天津和广州等一些大城市的住宅位于靠近该地区。近些年来,这些城市都已经修建了包括地下铁道在内的城市快速轨道交通(RTS),这无疑对缓解日益拥挤的城市交通和扩大城市可利用空间具有重要意义。近年来,软土地铁隧道在运行过程中的沉降现象日益引起人们的重视。隧道不均匀沉降会使隧道产生弯曲变形,并导致隧道接缝张开,从而进一步加剧渗漏,甚至漏泥。这样地铁的维护费用将大为增加。从营运上来说,隧道沉降会影响轨道的平整、行车安全和乘坐的舒适性。以建于软土地基里的上海地铁l号线为例,自1995年4月正式建成投入运营以来,已经出现了较严重的纵向沉降问题,最大累计沉降量超过20cm,年度最大差异沉降量可达3cm。隧道沉降受多方面因素影响。初步的分析研究表明,已建软土地铁区间隧道的沉降影响因素主要包括以下几个方面:(1)隧道下卧软土层在长期振动荷载作用下软化导致沉降;(2)隧道邻近建筑施工活动的影响;(3)隧道上方增加地面荷载;(4)隧道所处地层的水位变化;(5)隧道与工作井、车站连接处差异沉降;(6)区间隧道下卧土层水土流失造成破坏性纵向变形。文献曾对上海软土地铁振陷进行过计算,计算结果表明,隧道振陷沉降量约为3mm。文献监测和分析了深基坑施工对邻近地铁隧道的影响,最大侧移量约10mm,已超过隧道侧移报警值。文献计算并分析了隧道渗漏对地表沉降的影响。从上海地铁隧道周围目前的上述6个方面的工程和实际水文条件来看,许多地段隧道尚不具备产生目前的沉降的条件。本文拟主要从隧道渗漏角度分析并探究渗漏对隧道沉降的影响,然后探讨蠕变对渗漏沉降的影响。2隧道渗漏对隧道沉降的影响对地铁区间隧道的渗漏情况调查表明渗漏主要出现在环缝、螺孔、压浆孔和管片碎裂处。通过实测,可以给出平均化的单位平方米每昼夜渗漏量。为了模拟渗漏量对区间隧道沉降的影响,将这些地方的集中渗漏均匀化为隧道的均匀渗漏或部分均匀渗漏,以此反映渗漏对隧道沉降的影响。隧道渗漏对地铁沉降的影响,主要分为两种情况。对地铁建成后的沉降初期,沉降和差异沉降一般均较小,隧道在纵向的弯曲变形很小,因此横断面接缝开裂也很小。因此,环缝的渗漏从统计上来说是比较均匀的。随着隧道沉陷的发展,部分区段可能会出现不均匀沉陷,使得隧道出现纵向弯曲变形,从而使得横断面上侧和下侧接缝的开裂情况朝着不同方向发展。以隧道出现下凸变形为例,则会出现下侧接缝变大,而上侧接缝变小,进而导致下侧渗漏加大,而上侧渗漏较小。反之,则上侧渗漏加大,而下侧渗漏较小。为此,在模拟渗漏对沉降影响时,将隧道渗漏情况分为三种情况,一是隧道四周均匀渗漏;二是隧道上侧保持低渗漏,而下侧渗漏量较大;三是隧道下侧保持低渗漏,而上侧渗漏量较大。2.1土层厚度和土性土层的渗透系数及有关力学参数取自地铁1号线工程地质勘察报告的第Ⅱ工程地质区。考虑到这些参数有比较大的变化范围,开始的计算取有关力学参数的平均值,而渗透系数取低值。土层的厚度也取均值,见表1所示。土性的有关分层分布见图1。衬砌混凝土标号为C30,按弹性处理,杨氏模量为3.0×1010Pa;密度为2.4×103kg/m3;泊松比为0.24;孔隙度按有关文献,取0.1。预制混凝土管片多采用外加剂防水,其抗渗标号可达S12以上,渗透系数K<10-11cm/s。2.2初支衬砌厚度以边界效应的影响可忽略为前提选取合适的计算区域。区间隧道为双孔盾构隧道,圆形衬砌的内径5.5m,外径6.2m,衬砌的厚度0.35m;两孔之间的中心距取为13.0m。在水平向,拟将计算范围取为自隧道轴线起算向两侧各延伸约3D(D为隧道外径),总宽度为48.0m;竖向计算深度取为35.0m。网格单元划分时考虑在隧道附近适当加密,如图1所示。2.3渗透面为土层中一种深度力学边界条件取:土层底部完全固定;土层两侧水平向约束,竖向自由;地面完全自由。侧向水压力边界条件取:水压自浸润面起向下线性增加,按式p=ρwgh计算(h为浸润面以下深度);渗透边界条件取:土层底部不渗透;土层两侧渗透;地表以下1.5处的渗透边界条件分为两种情况,第一种是不设置该处为地下水浸润面,但保持饱和。这样设置是考虑地下水位降低时没有水补给的情况;第二种是设置该处为地下水浸润面,且保持饱和。这样设置主要是考虑到上海地下水位从长期来看基本不变或地下水位降低时有及时的地面降水补给情况。2.4民国初年(1)横向压力及初始值在土层平衡计算中(有限元计算Ⅰ),应力初始值取土层自重(包括干土和水自重)产生的应力,其中横向压力由侧压力系数(根据泊松比计算)计算;在开洞及安装衬砌后平衡计算中(有限元计算Ⅱ),应力初始值取土层平衡计算后所得应力值;在四周或下半部渗漏情况下平衡计算中(有限元计算Ⅲ),应力初始值取开洞及安装衬砌平衡计算后的所得应力值。(2)第一次重大转移的条件每个有限元计算前均将位移和速度设置为0。(3)开洞及安装衬砌前后孔压值在土层平衡计算中(有限元计算Ⅰ),孔压初始值取水自重产生的压力,如图6.3所示;在开洞及安装衬砌后平衡计算中(有限元计算Ⅱ),孔压初始值取土层平衡计算后所得孔压值;在四周或下半部渗漏情况下平衡计算中(有限元计算Ⅲ),孔压初始值取开洞及安装衬砌平衡计算后的所得孔压值。2.5地下水位根据地铁1号线工程地质勘察报告,并考虑到上海历年地下水位变化情况,本计算地下水位取地表以下1.5m。2.6力学和渗漏耦合的控制方程上海地层水平分层情况较好,区间隧道在土层中的坡度一般小于2%。因此,在计算振陷或渗漏沉降时,在隧道轴向较短距离内,可认为在垂直轴向的不同截面内,应力应变情况基本相同,且沿轴向的应变为零,即简化为平面应变问题。位移表示的平衡方程为: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,则变形协调条件为:∂∂t(∂ν∂y+∂w∂z)−kγ∇2p=0(3)∂∂t(∂ν∂y+∂w∂z)-kγ∇2p=0(3)式(3)和式(1)(2)是比奥的二维固结方程。这里有三个偏微分方程,正好有三个变量:v,w,p。数值求解方法见有关文献,而具体的渗漏沉降计算由FLAC程序完成。2.7下侧渗漏系数较大外渗透系数kt/ks的计算计算工况分7种情况。工况1:隧道四周均匀渗漏,地面以下1.5m处不设定浸润面。隧道渗透系数kt相对于周围软土层④渗透系数ks(其值为5.07×10-10m/s)的比kt/ks为不同比值时:1.0(完全排水)、0.30、0.10、0.030、0.010、0.0030,分别计算隧道沉降、地表沉降及孔压分布。土层的有关物理力学参数见表1。工况2:相对于工况1,除将隧道上侧保持低渗漏(比周围软土层④渗透系数ks小4个数量级)而下侧渗漏系数较大外(渗透系数比值kt/ks分别为:1.0、0.30、0.10、0.030、0.010、0.0030),其它条件相同。这样做的目的是考察隧道断面下侧渗漏较大(隧道下凹沉陷段可能会出现此情况)时对渗漏沉降的影响。然后进行与工况1同样的计算。工况3:相对于工况1,除将地面以下1.5m处设定浸润面外,其它条件相同。这样做的目的是考察恒定浸润面(有及时的地面降水补给情况)对渗漏沉降的影响。进行与工况1同样的计算。工况4:相对于工况2,除将地面以下1.5m处设定浸润面外,其它条件相同。进行与工况2同样的计算。工况5:相对于工况3,除将土体变形模量全部减小为原来的一半外,其它条件相同。这样做的目的是考察周围土体变形模量变小(考虑到同一土层性质的差异)对渗漏沉降的影响。然后进行与工况三同样的计算。工况6:相对于工况4,除将土体杨氏模量全部减小为原来的一半外,其它条件相同。然后进行与工况4同样的计算。工况7:相对于工况1,除将隧道下侧保持低渗漏(比周围软土层④渗透系数ks小4个数量级)而上侧渗漏系数较大外(渗透系数比值kt/ks分别为:1.0、0.30、0.10、0.030、0.010、0.0030),其它条件相同。这样做的目的是考察隧道断面上侧渗漏较大(隧道上凸沉陷段可能会出现此情况。此外,隧道实际渗漏情况调查也表明,漏水点主要集中在环缝、封顶块相连的“十字缝”等处,这种渗漏情况也比较接近本工况)时对渗漏沉降的影响。然后进行与工况1同样的计算。2.8土层平衡计算力学和渗流耦合计算过程分三步:(1)有限元计算Ⅰ:土层平衡计算;(2)有限元计算Ⅱ:开洞及安装衬砌后平衡计算;(3)有限元计算Ⅲ:四周或下(上)半部渗漏情况下平衡计算。计算前均初始化位移和速度,并设置为0。2.9计算结果和分析2.9.1隧道渗透系数和地下水漏失量的关系图2和图3分别给出四周渗漏条件下的无浸润面和有浸润面情况下不同隧道渗透系数比(1.0、0.1和0.01)条件下的孔压等值线分布图;图4为四周渗漏和下半周渗漏条件下隧道正上和正下方土层孔压分布。孔压的减小将导致土层的固结沉降。图5和图6分别为渗漏速度和渗漏量与隧道渗透系数比的关系。由图2和图3可见,隧道相对渗透系数比值越大,地下水降落漏斗分布范围越大,隧道周围孔压降低越多;由图4可进一步看出,无论是四周均匀渗漏,还是下半周渗漏,隧道上方和下方土层中土层孔压的减小随相对渗透系数比值的增大而愈加明显,减小的深度范围主要在隧道以上及隧道以下约1.7D(D为隧道外径)。孔压的减小将导致土层的固结沉降。由图5和图6可见,就渗漏速度来说,下半周渗漏比四周渗漏快,设置浸润面比不设置浸润面快;就渗漏量来说,四周渗漏比下半周渗漏快,设置浸润面比不设置浸润面快。2.9.2沉降槽与隧道沉降比由于隧道周围孔压的降低,必然会导致隧道和地面沉降。图7给出了四周渗漏、无浸润面情况下的隧道和土层沉降。图8和图9分别给出不同条件下隧道和土层的沉降与隧道渗透系数比的关系。由图7可见,由于隧道的渗漏,导致地面沉降,并产生沉降槽。渗透系数比越大,沉降槽越明显。由图8和图9可见,隧道渗漏导致的地面和隧道的沉降随渗透系数比的增加而增加,在完全渗漏(隧道渗透系数比为1.0)的情况下,隧道最大沉降可达22cm(图8),其对应的渗流速度为0.15L/m2d(图5),略大于软土盾构隧道设计容许渗流速度0.1L/m2d。渗透系数比越大,隧道周围孔压降低越多,沉降槽越明显,隧道沉降也越大。表2分别给出在设置浸润面条件下所有土层变形模量降低一半时的隧道沉降比(土层模量降低一半时的隧道沉降/土层模量正常时的隧道沉降)和其正上方地面沉降比(土层模量降低一半时隧道的正上方地面沉降/土层模量正常时隧道的正上方地面的沉降)。由表2可见,将各土层模量降低一半时,在渗透系数比分别为1.0—0.01情况下,沉降比基本为2,即隧道沉降和隧道正上方地面沉降均增加一倍;在渗透系数比为特小值0.003时,沉降比介于1-1.5,这可能是由于渗漏沉降本身很小,计算的沉降相对误差较大所致。可见,隧道渗透系数比分别为1.0-0.01情况下,渗漏沉降与土层模量大致成反比关系。上述结论很重要。此结论可用于估算由于土层模量取值误差所导致的渗漏沉降量,也可用于估算由于软土材料蠕变和列车振动软化所导致的软土地铁沉陷。后面将详细计算和讨论土层蠕变对渗漏沉降的影响。2.9.3收敛时间根据计算的隧道和地面渗漏沉降随地下水流动时间变化,在土层渗透系数按表1取值时,当隧道渗透系数比在1.0-0.002的情况下,隧道沉降收敛时间范围在4×109-8×109s,合1.3×102-2.6×102年。表1中土层渗透系数的取值是依据上海一号线工程地质勘察资料,且取值为较小值。根据上海地铁一号线的勘察资料,同一土层的渗透系数变化范围很大,可相差2-3个数量级。若将各土层渗透系数增大100倍,作同样的计算,收敛时间范围则在4×107-8×107s,合1.3-2.6年,和前面的收敛时间相比,小2个数量极。可见,隧道渗漏沉降稳定时间直接受周围土体渗透系数影响。渗透系数相差2-3个数量级,则渗漏沉降稳定时间也可相差2-3个数量级。此外,计算还表明,隧道和地面的渗漏沉降的稳定时间主要取决于土层渗透系数,而与隧道渗透系数比的关系并不明显。上述隧道渗漏导致的隧道沉降计算中,将周围土层视为弹性,弹性模量是根据勘探资料中侧限压缩模量Es推算而来,这为估算渗漏导致的沉降提供了一种简明的方法。但是,我们知道,压缩模量Es是在排水条件下并侧限压缩24小时至稳定的条件下(每小时变形量不超过0.005mm)的测量结果。若土试样无蠕变,则Es为纯排水条件下的侧限压缩模量;若存在蠕变,则Es为包含蠕变影响的排水条件下的侧限压缩模量。但这里的蠕变主要是短期蠕变。因为一般情况下,如前所述,试样是在侧限压缩24小时至稳定的条件下的测量结果,因此,长期的蠕变影响无法在实验的这段时间里充分体现出来。若实验时间延长,则长期的蠕变影响会体现出来,变形会进一步加大,计算的压缩模量Es会减小。因此,通常条件下测得的压缩模量Es比考虑长期蠕变影响的压缩模量要大。考虑此因素,由此会导致上述计算的隧道渗漏沉降偏小。下面将根据上海软土蠕变试验结果,计算计及蠕变所导致的沉降。3土体有效应力的增加根据软土本构模型研究,软土具有明显的蠕变性质。因此,在隧道渗漏排水的工程中,隧道周围土体中孔隙水应力不断减小,直至稳定。在此过程中,周围土体的有效应力也随之不断增加,直至稳定。土体的有效应力在增加的过程中,不仅发生排水固结变形(主固结变形),而且土骨架也会产生蠕变变形(次固结变形)。排水固结变形和蠕变变形均与时间有关,前者取决于土体的渗透系数和渗漏长度,可用特征时间tfccf来衡量;后者可用蠕变特征时间η/E衡量。隧道开挖以后,渗漏要达到平衡需数年时间。期间,若土介质产生蠕变,则进一步增加渗漏沉降。具体渗漏沉降增加多少,需进行渗漏和蠕变耦合计算。3.1理论结果及分析上海淤泥质粘土的蠕变特性可用鲍埃丁流变模型(又称线性B型,文献称之为三单元模型)描述,如图8所示。孙钧对上海表层褐黄色粉质粘土、灰色淤泥质粘土和褐暗绿色粉质粘土的流变特性进行了系统的室内和理论研究。研究结果表明,采用鲍埃丁流变模型来模拟上海淤泥质粘土在上述应力水平下的变形时效性能够得到非常满意的结果。为此,本文将采用该文献中对灰色淤泥质粘土的单向蠕变试验结果,见表3。按采用的鲍埃丁流变模型,应力-应变关系的微分方程见式(4)。σ˙+E1+Ekηk=E1ε˙+E1Ekηkε(4)σ˙+E1+Ekηk=E1ε˙+E1Ekηkε(4)3.2隧道监测数据分析在以下隧道渗漏沉降计算中,隧道周围的第4层淤泥质软土蠕变变形采用鲍埃丁流变模型。按隧道所处深度的应力,模型参数取为对应于应力为100kPa、控制一维压缩试验条件下的对应参数值,即E1s=1920kPa;Eks=1200kPa;ηks=708kPa·d。隧道埋深为7m,渗透系数比值kt/ks为0.10,不设置固定浸润面。其它计算条件与前节相似。蠕变和渗漏耦合计算由FLAC程序完成。表3给出了考虑蠕变时的隧道渗漏沉降相对于不考虑蠕变时的增加百分数。由表3可见,考虑蠕变时的隧道渗漏沉降约增加12%-20%。4地下水位变化的影响上海市区的地下水位长期监测表明,近年来上海地下水位基本保持在地面以下1-1.5m。但局部地区地下水位可能会因施工等因素发生较大变化。如图10所示,若地下水位由A处降到B处,A处和B处的高度差为h。假设在水位降低的过程中,土层的孔隙是相通的,且B处以下的孔压随水位下降而降低νwh(νw为水的重度)。则在水位降低的过程中,B处以下的土层所受的有效孔隙水应力保持不变,因而B处以下的土层没有压缩变形。若隧道保持在地下水位以下,则地下水位的变化一般不影响地下水位以下的隧道沉降。但前提是地下水位降低是由于从隧道高度