富水软土地层地铁隧道开挖地层固结沉降数值模拟

总第１０３期铜业工程２０１０第１期
裹２地层和水平旋喷桩材料的渗流参数‘１Ｊ２州】
Ｔａｂ．２Ｓｅｅｐａｇｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｒａｔａａｎｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｒｏｔａｒｙ—ｓｐｒａｙｅｄｐｉｌｅｓ
２．３模型尺寸及规模
模型尺寸：宽×厚×高＝Ｘ×ＹＸＺ＝１００×５０×４０ｍ，隧道断面形状为马蹄形，宽６．３ｍ、高６．６ｍ，左、右线隧道间距１４．６ｍ，左、右线隧道分别距模型左、右边界３６．４ｍ，隧道拱顶距地表１５．２ｍ，隧髓底板距模型底板边界１８．２ｍ。

水平旋喷桩加固圈厚度２ｍ、预加固长度６～１６ｍ，降水井距左、右线隧道边界为５ｍ、间距１０ｍ、深２６ｍ。

模型由４５１５０个实体单元组成（图３（ａ）），初期支护采用壳单元模拟，壳单元的参数如表３所示。

左、右线隧道采用短台阶开挖，台阶长度４ｍ（图３（ｂ））。

图３三维数值模型
Ｆｉｇ．３３Ｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ
表３壳单元（初期支护）力学参数ｍ’１３】
Ｔａｂ．３Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｈｅｌｌｅｌｅｍｅｎｔｓ
３流固耦合数值模拟原理
ＦＬＡＣ３Ｄ为模拟岩土内渗流状态提供了有效的・８・分析工具，该软件在应用三维快速拉格朗日方法模拟岩土的流固耦合机理时，将岩土体视作多孔介质，流体在孔隙介质中的流动依据Ｄａｒｃｙ定律，同时满足Ｂｉｏｔ方程。

下面介绍有限差分法进行流固耦合计算时的几个基本方程¨９１。

３．１流体运动方程
用Ｄａｒｃｙ定律来描述流体的运动，对于均质、各向同性的固体和流体，密度是常数的情况下，运动方程为：
ｊ
ｑｆ＝一Ｊ｜｝‘ｓ２（３—２ｓ）詈（ｐ—ｐｉｘ．『ｇｊ）（１）
ｖｉ
式中，吼为ｉ方向的流速，ｍ／ｓ；Ｉ｜｝，为渗流系数，ｍ／（Ｐａ・５）；ｓ为孔隙材料的饱和度；ｐ为流体孑Ｌ隙压力，Ｐ口；所为流体比重，ｋｇ／ｍ３辑为流体的高度差，ｍ；ｇ，为重力加速度，ｍ／ｓ２。

３．２平衡方程
势能平衡方程形式为：
誓＋ｐｇｊ＂＝ｐ誓（２）
育＋ｐｉ（ｚ’
式中，盯。

为孔隙材料的总应力，即饱和土层的总应力，尸口沪为孑Ｌ隙材料的比重，Ｐ＝（１一ｎ）ｐ。

＋ｎｓｐ。

，ｋｇ／ｍ３，其中Ｐ，，Ｐｆ分别为固体材料的干比重和流体的比重；眈为孔隙材料的速度，ｍ／ｓ。

３．３本构方程
固体体积应变的改变将引起流体孔隙压力的变化，反过来，孔隙压力的改变也会导致体积应变的变化。

‘（１）孔隙流的本构方程为：
＇ｎ１
亩△ｐ＋詈△ｓ２÷△ｆ—ａＡ８＋／／ＡＴ（３）
式中，肘为Ｂｉｏ￡模量，Ⅳ／∥；ｎ为孔隙材料的孔隙率；ｓ为孔隙材料的饱和度；ｆ为单位体积孔隙材料的流体体积变化率；ｏｒ为ＢｉＤｔ系数；口为不排水热量系数，ｌ／℃，用来考虑流体和渗流介质的热力效应；８为孔隙材料的应变；Ｔ为温度，℃。

（２）孔隙介质本构方程的增量形式为：
ＡｃｔＦ＋ａ△∞＃２Ｈ（盯＃，Ａｅ＃）
（４）
总第１０３期铜业工程２０１０第１期
图４３种工法孔隙水压力剖面图
Ｆｉｇ．４Ｃｏｎｔｏｕｒｓｅｃｔｉｏｎｏｆｐｏｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓ
图５３种工法的地表沉降曲面
Ｆｉｇ．５Ｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ
ｆｏｒｔｌＩｅｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓ
图７和图８分别为降水法和非降水法时的实测地表沉降历时曲线。

比较图６和图７、图８可以发现：（１）实际工程中采用降水法的地表沉降量比数值模拟结果大得多（图６与图７比较）。

经分析后发现，在实际工程中，采用降水法时从降水井排出的地下水和从隧道内涌人的地下水都含有大量泥砂，地下水和泥砂的流失引起的地层固结沉降和地层损失沉降的双重效应，使地表沉降量远远大于数值模拟结果。

（２）采用非降水法施工的实际工程测量结果与数值模拟结果基本吻合（图６与图８比较）。

采用非降水法施工后，在实际工程中地表沉降得到有效・１０・地控制，观察渗漏到隧道内的地下水是清澈的，涌水量明显减小，表明地下水渗漏到隧道内的过程中并没有携带泥砂。

因此，采用非降水法后的地表沉降得到了有效控制。

综上所述，非降水法是富水软土地层隧道施工时控制地表沉降最有效的施工方法。

早期深圳地铁１号线曾经采用过降水法施工，地表沉降达到一２２０ｍｍ以上，有些地段甚至达到一４５０ｍｍ（图７），地处深圳市中心的深南大道地铁１号线对地表沉降有严格要求，沉降量不得大于一３０ｍｍ，由于地表沉降无法得到有效地控制，工程被迫停工。

经上述研究后，在实际工程中采纳了在困难地段采用非降水
法施工的技术方案，取得了成功。

漆泰岳，等：富水软土地层地铁隧道开挖地层固结沉降数值模拟２０１０第１期
蓦世螭篓
横向×距离／ｍ
（ｂ）动态降水法
横向Ｘ距；高／ｒｎ（ｄ）地表沉降槽由线
图６３种工法地表移动和沉降槽曲线
（在Ｙ＝１４ｍ处的剖面）
Ｆｉｇ．６Ｃｕｒｖｅｓｏｆｓｔｒａｔａｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｇｒｏｏｖｅ（ｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｉｎＹ２１４ｍ）
日期／月一目
董
錾
蒌
＊
图７降水法实测地表沉降历时曲线
Ｆｉｇ．７ＣｕｒｖｅｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅＶｓ．ｔｉｍｅｉｎｆｉｅｌｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｆｏｒｄｅｗａｔｅｄｎｇｍｅｔｈｏｄ
测点缡号
ｌ＃黯鲫４＃辩酣７＃８＃９＃＿蔷差象
飞＼／／／
＼彩
＋６．１３十６．２８－－＊－７．１９叶＿８．２８—＋９．１７卅
图８非降水法实测地表沉降槽历时曲线
Ｆｉｇ．８Ｓｕｂｓｉｄｅ—ｇｒｏｏｖｅ
ＣｕｒｖｅｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖＢ．ｔｉｍｅ
ｉｎｆｉｅｌｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｆｏｒｎｏｎ—ｄｅｗａｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ
６不同工法的地层固结沉降差异
在模拟地层固结沉降时，不同的工法都选取了相同的模型参数，但在模拟计算时，分２种情况模拟分析，第１种情况是不考虑流固耦合效应（即只考虑施工力学效应），第２种情况是既考虑流固耦合又考虑施工力学双重效应的组合作用，将两种情况的模拟结果相减，得到不同工法各自的固结沉降量。

图９是３种工法的地层固结沉降曲面。

图１０是在Ｙ＝１４ｍ处的横向断面的地层固结沉降曲线。

从图９和图１０可以看出，３种工法的固结沉降曲面与地表沉降曲面的形状大致相似，固结沉降量与地表沉降量的差别不尽相同。

３种工法的最大固结沉降分别为：非降水８ｒａｍ、动态降水３０ｍｍ和降水９２ｍｍ，各自占对应的地表沉降的比率大致为：非降水２７％、动态降水５０％和降水７９％。

不同工法控制地下水流失和对地层扰动程度是完全不同的，地下水流失越多和对地层的扰动越大，地层固结沉降量也越大，否则，反之。

非降水法的固结沉降量占整个地表沉降量的比率最小，控制地下水流失的效果最好，对地层的扰动也最小。

圈９３种工法地层固结沉降曲面
Ｆｉｇ．９Ｓｕｂｓｉｄｅ—ｇｒｏｏｖｅｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｓｔｒａｔａ
ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓ。