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

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34卷第1期 岩 土 力 学 Vol.34 No. 1 2013年1月 Rock and Soil Mechanics Jan. 2013

文章编号：1000－7598 (2013) 01－0290－10

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

刘 印1, 2，张冬梅1, 2，黄宏伟1, 2

（1. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092）

摘 要：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、地表和隧道沉降以及隧道的变形均有明显差异；接头位置越靠近隧道底部，渗水导致的孔压减小越显著，造成的地表及隧道沉降越显著。接头渗水不但会使隧道发生横向椭圆化变形，还会引起隧道左右两侧受力不平衡，从而造成隧道水平侧移。通过对比表明，采用接头渗水和传统的衬砌均质渗水得到的孔压分布、沉降及隧道变形规律均有显著不同；不考虑隧道局部渗水特点会对隧道结构长期性态的认识产生偏差。 关 键 词：盾构隧道；接头渗水；孔压；沉降；隧道变形

中图分类号：TU 471 文献标识码：A

Influence of long-term partial drainage of shield tunnel on tunnel

deformation and surface settlement

LIU Yin，ZHANG Dong-mei1, 2，HUANG Hong-wei1, 2

1, 2

（1. Key laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China）

Abstract: It is reported that the long-term seepage of shield tunnel often results in significant settlements of ground surface and tunnel. A calculation method which meets the stiffness requirements of shield tunnel is firstly proposed to simulate the partial drainage of tunnel. The distribution of pore water pressure of soils around the tunnel, ground surface and tunnel settlement as well as tunnel deformation are investigated by considering different joint leakages in the context of the same magnitude of water inflow at steady state. The results indicate that the pore water pressure distribution, the settlement and tunnel deformation change significantly with variation of location of joint leaking. The pore water pressure around the tunnel decreases obviously when the leaking joint close to the tunnel invert, which results in larger ground surface and tunnel settlement. The tunnel will not only squat with time due to joint leaking, but occur horizontal displacement induced by unbalance loads. The distribution of pore water pressure, ground surface and tunnel settlement and tunnel deformation are all significantly different from those obtained by equivalent uniform drainage analysis. Finally, it is shown that the calculation without considering the partial drainage can not properly model the long-term behavior of the shield tunnel.

Key words: shield tunnel; joint leaking; pore water pressure; settlement; tunnel deformation

1 引 言

软土盾构隧道一般由抗渗混凝土管片拼装而成，在长期使用过程中，容易发生大量渗水，进而导致隧道和地表发生较大的长期沉降，影响地铁的

正常运行，因此备受关注[1

－3]

。

盾构隧道在饱和土体中建成后，隧道内外存在较大的水头差，难免会发生渗漏水。渗水促使隧道周围土体的孔压减小、有效应力增大，进而引起地层沉降，并最终达到稳定状态[2]。关于盾构隧道渗

收稿日期：2012-06-25

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目(No. 2011CB013800)；上海市自然科学基金项目(No. 12ZR1433600)；国家自然科学基金项目(No. 51278379)。

第一作者简介：刘印，男，1982年生，博士研究生，主要从事软土盾构隧道长期性态方面的研究工作。E-mail: liu009yin@http://www.77cn.com.cn

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 291

水问题，很多学者做了大量工作，在隧道渗漏水的模拟中基本都采用等效渗透的方法，即把盾构隧道的衬砌等效成均质渗透体[4

－6]

能实现局部接头渗水的模型；然后，将该方法与实际工程相结合，在相同渗流量的前提下，对比分析了局部不同接头渗水对孔压分布、地表和隧道沉降以及隧道变形的影响。

。实际上，采用抗渗

混凝土的盾构隧道，渗水主要发生在管片接头、手孔、螺栓孔等局部地区[3]。Mair[2]指出，盾构隧道的渗水有其特定的路径，即发生在管片接头处，接头渗水会带来一定的问题，值得人们深入研究。Shin[5]认为，对于盾构隧道，渗水主要发生在管片接头、螺栓孔等处，但衬砌的局部渗漏难以模拟。Wongsaroj等[7]发现若将伦敦盾构隧道的衬砌看作均质渗透体，渗水稳定状态下衬砌周围的局部孔压分布与现场监测值会有较大差异，原因是隧道横断面下侧的管片接头较多，渗水较严重；为了与实际相吻合，不得不将衬砌水平轴上侧渗透系数设置得很小而下侧设置得很大。郑永来等[8]认为，上海盾构隧道横断面上侧和下侧的渗水情况不同，对衬砌上侧和下侧分别设置了不同的渗透系数，计算分析了渗流对沉降的影响。张冬梅[3]、包鹤立[9]等均阐述了盾构局部渗漏的重要性，但仍然采用的是衬砌等效渗透系数进行计算分析。吴怀娜等[10]计算了盾构隧道不同渗漏点渗水对沉降的影响，但其渗漏点只取在隧道顶部，通过改变渗漏点的个数改变渗漏总量，没有按管片接头的位置设置渗流路径，因此，难以真正反映盾构隧道接头渗水的特性，如图1所示。

剖面I

渗漏量Q 渗漏量Q地铁隧道下行线

地铁隧道上行线

2 盾构隧道渗漏水的特点

盾构隧道管片接头会受到诸多不确定因素的影响，其防水功能容易失效，从而发生接头渗水现象，如图2所示。根据上海地铁隧道不同区间的现场统计可知，接头是盾构隧道最主要的渗水路径，如 图3所示，在不同区间，接头渗水占总渗水点比例约为80%～90%。虽然接头在不同区间的渗水比例相差不大，但考虑到结构变形、施工质量、地质条件、周围环境、运营条件等各种不确定因素都会对接头防水造成影响，不同位置的接头渗水情况却相差很大。从图4可以看出，不同区间接头渗水部位分布相差很大。这就说明，盾构隧道不同区间、不同接头的渗水情况迥异，接头渗水产生的影响也不同，用衬砌等效渗透的思想难以真实地反映实际工程情况。

(a) 相邻管片接头 (b) 十字缝管片接头

图2 盾构隧道接头渗水

Fig.2 Joint leaking of shield tunnel

5.43% 接头渗水 螺栓孔渗水注浆孔渗水

土层

图1 地铁隧道及计算简图

Fig.1 Calculation sketch for metro tunnel

85.45%

(a) A区间 (b) B区间

对于盾构隧道的局部渗水问题，许多学者做了大量有意义的探索，但主要还是从衬砌等效渗透的角度出发。衬砌渗水的等效化处理对于研究地表的整体沉降具有一定的适用性[4]，但并未体现出盾构隧道接头渗水的特点，对于研究隧道周围的孔压分布、隧道变形等问题会产生一定偏差。

为了研究局部接头渗水对孔压、沉降及隧道变形的影响，首先，通过管片接头弱化和接头渗流路

图3 不同渗水形式统计

Fig.3 Statistics of different leaking patterns

9.14%

上部渗水 中部渗水 下部渗水

15.20%

(a) A区间 (b) B区间

径的设置，建立了一种既符合盾构隧道刚度要求又

图4 接头渗水位置统计

Fig.4 Statistics of joint leaking locations

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、

292 岩 土 力 学 2013年

3 盾构隧道局部渗水的计算方法

在考虑衬砌刚度要求的同时，实现局部接头渗水是模拟盾构隧道渗水的难点。为了实现接头渗流，需采用接头连续化建模。为满足盾构隧道的刚度有效率，需考虑接头弱化。为此，首先采用有限元软件ABAQUS建立符合横向刚度要求的管片模型，进而再建立盾构隧道局部渗水计算模型。 3.1 管片模型的建立方法及刚度验证

对管片接头的模拟，许多学者做了大量有益的探索，取得了许多重要成果，如弹簧模型[11图5(a)）、螺栓实体模型

[13－14]

－12]

模型分别加载，通过直径的变化比值可以求得横向刚度有效率，且与加载大小无关。在计算过程中，隧道管片的弹性模量保持不变，逐渐改变接头的弹性模量，以计算多种接头模量模量对应的横向刚度有效率。

（见

（见图5(b)）等，图5

中M、N和S分别表示弯矩、轴力和剪力；A、B、C和D表示4组弹簧，kn和ks分别表示弹的压缩刚度和剪切刚度[12]。但不同的模型用于不同的研究目的，弹簧模型和螺栓实体模型主要用于反映接头的力学性态，很难设置渗流路径和渗透系数，难以用于渗流计算。为此，本文采用衬砌连续化模型、接头弹性模量弱化的方法，并通过刚度有效率来确定是否满足衬砌刚度的要求[15]。

N

图6 上海盾构隧道拼装图

Fig.6 Lining cross-section of Shanghai subway tunnel

N

(a) 考虑接头的模型 (b) 均质模型

(a) 弹簧模型

图7 隧道管片模型

Fig.7 Model of a lining

管片

M

M

管片

(b) 螺栓实体模型

图5 管片接头模型 Fig.5 Models of joint

图8 管片荷载模型 图9 管片变形

Fig.8 Model with load Fig.9 Deformation of the lining

以上海地铁盾构隧道2号线为背景展开分析，

横向刚度有效率随接头弹性模量的变化情况如图10所示。黄宏伟等[17]通过模型试验得到上海地铁盾构隧道横向刚度有效率为0.67。经计算发现，当接头处弹性模量为0.5 GPa时，横向刚度有效率为0.67，满足要求。因此，管片接头弹性模量取 0.5 GPa。

3.2 接头渗水的实现

传统的衬砌等效渗流计算是将衬砌的渗透系数设置成某一常量。为了实现局部接头渗水，在局部接头处设置相应的渗流路径，接头宽度就是相应的渗流路径，如图7(a)所示。通过有限元软件将渗流

隧道采用通缝拼装形式，外直径为6.2 m，内直径为5.5 m，管片厚度为0.35 m，混凝土管片的弹性模量为34.5 GPa，泊松比为0.16，隧道衬砌由6块管片用螺栓拼装而成，如图6所示。为了实现接头弱化并满足衬砌刚度的要求，考虑接头的模型如图7(a)所示，其中接头宽度按照上海地铁盾构隧道的防水设计要求取6 mm[16]。

采用荷载-结构法[17]确定管片接头弹性模量的取值。如图8所示，隧道底部约束位移，在顶部施加荷载。根据结构力学理论，对图7(a)和图7(b)的

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 293

路径赋予渗流单元的属性并设置相应的渗透系数，且满足以下主要控制方程[18]。

1.00.9

0.8横向刚度有效率

0.70.60.50.40.30.20.1

1

2

3

4

5

6

接头弹性模量/GPa

wvx wvy wvz V

y z x （3）

wn V t

式中：n为多孔介质的孔隙度。

（4）孔隙水的渗流控制方程

将孔隙水的平衡方程代人连续方程，根据体积守恒可以推出考虑土体空间压缩时的渗流数学模型为

p

wv （4） t t

w式中： 为梯度算子； w为水的体积压缩系数；

k p w wn w

为水的重度； v为体应变。

图10 横向刚度有效率随接头弹性模量的变化

Fig.10 Effective rigidity ratios with different

joint moduli of elasticity

4 工程实例计算

4.1 整体模量的建立

上海地铁2号线人民公园站—石门路站区间隧道采用土压平衡式盾构施工，隧道中心埋深15 m，以此为工程背景进行分析。考虑到上海地区为软土富水区，假设土中水面与地表面相同。采用实体建模，有限元整体建模如图11所示，土体材料参数如表1所示[3]。假设管片拼装完成后，衬砌与土体始终保持接触状态且不会发生滑移，因此，衬砌与土体之间的接触面采用绑定约束。对土体划分网格时采用ABAQUS内部的渗流计算单元，其满足渗流与固结沉降的耦合分析要求[19]。

（1）孔隙水的运动方程

假定孔隙水渗流服从Darcy定律或Forchheimer定律。前者适用于较低的渗流速度，也可认为是Forchheimer定律的线性形式。盾构隧道渗水较小，符合Darcy定律：

qi= k p fxjgj （1）

式中：qi为渗透流量；p为孔压；k为渗透系数； f为流体密度；gj为重力的3个分量。 （2）孔隙水的平衡方程

vy p

wg 0（2） yky

vz p

wg wg 0 zkz

v p

wgx 0 xkx

式中：kx、ky、kz为土体不同方向的渗透系数；vx、vy、vz为不同方向的渗流速度；p为孔压。 （3）孔隙水的连续方程

根据渗流场中微元体的质量守恒可得渗流连续方程为

图11 整体模型网格图

Fig.11 Finite elements of whole model

表1 材料参数

Table 1 Material parameters

土体编号

2 3 4 ⑤-1 ⑤-2 ⑥ ⑦

名称 粉质黏土 淤泥质粉质黏土 淤泥质黏土

厚度 /m 2.4 1.6 4.0

重度 /(kN/m3)

18.7 18.0 17.0

弹性模量/MPa 8.6 6.5 6.5

泊松比 0.32 0.34 0.36

孔隙比 0.97 1.13 1.44

渗透系数

-/(109 m/s)

3.30 2.70 1.82

黏聚力 /kPa 13.0 7.0 10.0

内摩擦角/(°) 14.8 18.7 9.8

粉质黏土 12.0 18.3 10.6 0.33 1.01 3.00 10.0 15.9 夹薄纱层粉质黏土 10.0 18.3 10.6 0.29 0.98 2.50 10.0 19.1

粉质黏土 3.0 19.9 42.1 0.30 0.70 3.00 12.8 30.0 粉砂夹黏土层 20.1 56.1 0.30 0.64 2.00 26.3 6.0

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、

294 岩 土 力 学 2013年

4.2 接头局部渗透系数的设置

盾构隧道渗漏水的大小和分布情况十分复杂，隧道的渗透系数难以直接确定。国内外专家大多数都采用衬砌渗透系数假设或参数讨论的方法分析渗漏水的影响，如Mair[2]、Shin[5]、Wongsaroj[7]、张冬梅[3]、郑永来[8]等。由于本文研究的是接头局部渗水，接头渗水与接头变形、接头防水材料的性能、施工质量等各种因素有关，且不同接头渗水情况相差很大，因此，接头的渗透系数、渗漏量更是难以直接确定。

根据《地下工程防水技术规范》[20]，上海地铁防水等级为2级，隧道容许渗水量为0.1 L/(m d)。

2

2

根据ABAQUS的计算特点[18]，设置计算分析步如下：①设置初始地应力平衡；②对开挖区土体模量折减以达到应力释放的效果；③将开挖区的土体单元 “移除”并同时“添加”衬砌单元；④设置长期渗流固结，为保证渗流达到稳定状态，计算渗流时间为 10 000 d。

位移边界条件为：地表不受约束、模型底面约束竖向位移、模型侧边竖向位移自由、约束横向位移。渗水边界条件根据计算步的不同有所不同：在施工阶段，由于施工期较短且渗透系数较小，因此，可以看作不发生渗水，隧道渗流只发生在隧道建成后。根据初始静水压力的大小设置模型侧边的初始

因此，本文以0.1 L/(m d)作为稳定渗流状态下 孔压分布，模型底面不渗水，隧道衬砌内边界及地的控制标准，对比分析相同渗流量的前提下，均质表处的孔压设置为0。 渗水、局部不同接头渗水产生的影响。首先以 0.1 L/(m2 d)为标准，得到对应的渗透系数。稳定状态下渗流量与渗透系数的关系为

5 隧道长期局部渗水的影响分析

5.1 孔压分布

图12、13表明，渗流会导致隧道周围的孔压明

q kiA （5）

式中：A为渗流面积；i为水力坡降。由于水力坡降未知，且不同渗流情况下i不同。因此，渗透系数

显小于静水压力。图12为渗流10 000 d后不同渗流情况对应的孔压分布图。从中可以看出，不同渗流情况下隧道周围土体孔压分布相差很大。图13表明，局部接头发生渗水时，接头处的孔压变化非常显著，即接头处的孔压明显小于周围土体的孔压。当渗流量相同时，6处接头渗水对应的孔压分布与均质渗流时相差不大，只在接头处有所减小。当渗水只发生在1处接头时，接头附件的孔压急剧减小，并且导致整个隧道外围的孔压都明显减小，且接头越靠近拱底位置，隧道周围孔压减小越显著、影响范围越广，即接头3渗水对应的孔压整体小于接头1、2对应的孔压、影响范围最大。接头1、2、3渗水导致的接头孔压相对于静水压力分别减小了109、126、147 kPa。对比1处接头渗水与6处渗水可以看出，渗水量相同时，渗水点越集中，导致的

表2 工况设置

Table 2 Different simulation conditions

工况 1

渗水位置

渗透系数/(m/s) 渗水量/(L/(m d))

-

k难以直接通过渗流量确定，本文采用多次试算的方法确定渗透系数。对工况1，即均质等效渗水时，先假设整个衬砌的渗透系数为k0，通过试算得到k0对应的渗流量q0。根据q0与0.1 L/(m d)的大小，调整渗透系数的取值，再进行下一次计算。经过不断调整，直到稳定渗流量达到0.1 L/(m2 d)为止。对工况2-5，即接头渗水时，先设置模型接头处的渗水路径并假设接头的初始渗透系数，采用与工 况1类似的方法，最终得到对应的渗透系数。通过此方法，确定不同位置发生相同渗水量时，对应的渗透系数如表2所示。从中可以看出，发生相同渗流量时，渗水位置不同，对应的渗透系数不同。

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、

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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靠近拱顶，埋深最浅，渗流时孔压影响范围最小，固结沉降的影响深度也相对较小。接头2渗水时，地表及隧道沉降与均质渗水时相差不大。隧道均质渗水时若假设上下截面相差不大，接头2非常靠近隧道的水平直径，可以将均质渗水效果近似等效成隧道水平直径处渗水，因此，两种工况沉降量相差不大，但沉降分布有较大差别。接头3渗水时对应的沉降最显著，与对应的孔压分布相符。由于接头3的位置最深，在渗流量相同的前提下，接头3渗水导致的固结沉降区域较深，竖向沉降影响范围较大。因此，可以看出，渗水部位越低，尤其是单一接头渗水越严重，对隧道及地表沉降的危害越大。Lee等[21]对上海地铁2号线的此区间段进行了长期的监测，发现此区间的地表长期沉降量约为

6 mm，由此可见，渗漏水会增加隧道的横向变形。

表4 隧道直径变化量与侧移量

Table 4 Magnitudes of diametral distortion and

horizontal displacement of tunnel

工况

水平直径变化量

/mm

竖向直径变化量

/mm

隧道水平侧移量

/mm

0 0 0.91 5.46 3.51

1 5.02 -6.11 2 5.05 -6.08 3 4.54 -5.74 4 5.20 -6.41 5 5.06 -6.28

50 mm，明显大于均质渗水的结果，但小于接头3渗水时的沉降量，由此可知，采用衬砌均质渗水计算会低估渗水对沉降的影响。

不同工况下隧道沉降及地表最大沉降量的比值不同，如表3所示。郑永来等[8]通过设置不同的渗流条件，计算了不同情况下衬砌均质渗流时地表和隧道沉降。从其计算结果来看，隧道与地表沉降的比值在0.6～0.8之间，这与本文均质渗流时的结果

由图16及表4可以看出，接头渗水不仅导致隧道发生椭圆化变形，还会引起隧道水平侧移。对于均质渗水与6处接头渗水，由于渗水位置左右两侧对称，不会引起水平侧移。当有1处接头渗水时，隧道左右两侧的压力变化不同，引起两侧受力不均匀。Shin[22]认为，径向应力是导致隧道变形的主要

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 297

因素，隧道衬砌受到的径向总应力包括土的作用力和水的作用力，如图17所示。接头渗水引起土体有效应力增大，作用在衬砌径向的局部应力增大，如图18(a)所示。接头渗水同时造成了接头附近孔压急剧减小，如孔压图13所示，导致作用在衬砌上的水压力减小。因此，综合考虑衬砌外壁受到的径向总应力，如图18(b)所示。可见，衬砌受到的径向总应力在接头附近明显减小，这就导致隧道左右两侧受力不均匀，产生应力差 ，进而造成了隧道侧移。侧移量的大小与渗水接头的位置密切相关，接头2与隧道水平直径的夹角最小， 在水平方向上的分量相对显著，造成了5.46 mm的侧移；而接头1非常靠近拱顶，与隧道水平直径的夹角接近90°，

土 p

水

图17 衬砌承担的径向应力

Fig.17 Radial loads acting on tunnel lining

240220

径向土体应力/kPa

20018016014012010080

45

90

135 180225270 315360角度 /(°)

(a) 接头渗水时径向土体应力 在水平方向上的分量很小，对应的侧移量较小。王志良

[14]

对上海地铁西藏北路－中兴路的区间隧

道采用全站仪以全断面扫描方法进行观测，得到了隧道环片收敛监测值及隧道断面圆心位置坐标。通过分析发现，管片之间存在明显的渗漏水，椭圆中心发生了8.3 mm的侧移，从而验证了接头渗漏水导致隧道侧移的现象。

-

(a) 均质渗水与6处接头渗水时的隧道变形

-

渗水渗水渗水

360径向总应力/kPa

320

280240200160

4590

135180225 270315360角度 /(°)

(b) 接头渗水时径向总应力

图18 作用在衬砌的径向应力

Fig.18 Magnitudes of radial loads acting on tunnel lining

椭圆化变形和侧移会导致隧道结构受力过大，特别是对接头的危害较大。上海地铁隧道按照设计要求[16]，在荷载作用下衬砌结构的直径变形≤0.1%D(D为隧道外径)，即直径变形量应小于

6.2 mm。对比表4的计算结果可知，长期渗水对隧道变形的影响较大，应严格控制隧道渗水，对渗漏点应及时采取补漏措施。

(b) 1处接头渗水时的隧道变形

6 结 论

（1）提出了一种既符合盾构隧道横向刚度要求又能实现局部接头渗水的计算方法，并应用到实际

图16 隧道变形图 (单位：mm) Fig.16 Tunnel deformations (unit: mm)

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、

298 岩 土 力 学 2013年

工程中，证实了此方法能合理反映局部长期渗水对沉降及隧道变形造成的影响，且简单易行。

（2）隧道接头渗水会引起接头附近孔压明显降低。接头位置越深，孔压的减小越显著，影响范围越大。以本文计算工况为例，接头1、2、3单一渗水时，接头孔压相对于静水压力分别减小了109、

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下转第304页

126、147 kPa。

（3）不同位置的接头渗水导致的隧道及地表沉降相差较大。埋深最深的接头3渗水导致的孔压最小，引起的地表和隧道沉降最大，对隧道造成的危害最为显著，因此，隧道底部渗水更应该引起重视。

（4）局部渗漏水不但会导致隧道发生较大的椭圆化变形，还会引起隧道发生水平侧移。渗水位置与水平直径夹角越小，水平侧移量越显著。

（5）对比分析表明，采用接头局部渗水方法与采用衬砌等效渗水方法得到的孔压分布、隧道和地表沉降以及隧道变形规律存在显著不同。均质渗水不能揭示渗水引起的隧道侧移现象，也不能反映出局部渗水位置不同对地表及隧道沉降的影响不同，对隧道长期性态发展的认识带来一定的偏差，甚至会低估渗水对沉降的影响。

本文的计算模型是二维简化模型。盾构隧道发生局部渗漏水的地方复杂多样，包括环缝、纵缝、螺栓孔和注浆孔等，因此，实际局部渗漏水是复杂的三维问题，本文下一步的研究内容是建立更符合实际情况的三维盾构隧道局部渗漏水分析模型。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dwui.html