隔水帷幕深度对苏州地铁隧道结构影响分析

曹志豪，代志萍，谷雪影

(上海同岩土木工程科技有限公司，上海 200092)

0 引言

在基坑施工时，采用地下连续墙等隔水帷幕方式并进行基坑降水能有效保障基坑及周边建筑结构稳定。然而，在地铁隧道周边进行基坑降水时若没有形成有效的隔水帷幕，将引起基坑变形失稳及周围地基土产生不均匀沉降而引发工程事故。目前，特别是在东南沿海等地下水位较浅的地区，在深基坑施工中，时常遇到基坑坑壁失稳等引起周边建筑结构变形过大，造成地铁隧道纵向发生不均匀沉降，使隧道管片产生挤压变形，导致盾构管片张开量过大而发生渗漏水现象，影响地铁隧道的结构稳定和正常运营［1］。

在基坑降水过程中，根据基坑周边有无隔水帷幕及隔水帷幕、基坑深度与含水层关系划分为4类模式［2］:1)落底式帷幕边渗流模式;2)潜水悬挂式帷幕边渗流模式;3)承压水悬挂式帷幕边渗流模式;4)基坑周边无隔水帷幕渗流模式。基坑隔水帷幕深入含水层的位置不同或降水深度不同，所形成的地下水渗流场形态就不同，进而引起基坑外的地下水头和孔隙水压力降低程度不同。基坑外隧道周边地层孔隙水压力降低会引起地铁隧道及周围土体发生沉降变形。因此，在对基坑降水设计时，设置适当的隔水帷幕深度可有效降低基坑降水对周边地铁隧道等的影响。

胡国新等［3］采用三维数值模拟方法分析基坑渗流对紧邻区间隧道的影响，其计算结果表明，基坑降水由于地下水渗流引起区间隧道的最大沉降为5.6 mm。根据管片环三维变形计算，管片环两侧腰部位外侧张开，且水平方向变形略大于垂直方向变形。李源等［4］根据隔水帷幕插入深度的不同，采用理论计算推导，分析坑内降水和坑外降水的差异。彭典华等［5］简要概括了隔水帷幕的类型，研究了隔水帷幕止水设计及帷幕局部漏水处理技术。王昆泰等［6］利用FLAC 3D有限差分软件模拟分析悬挂帷幕条件下基坑降水时坑外孔压的分布情况，并对比分析不同深度隔水帷幕是坑外孔压情况，表明增加隔水帷幕深度能减少坑外孔压的变化。

目前，研究关于基坑降水引起周边地层沉降的问题越来越多，但对基坑与地铁隧道间设置隔水帷幕，同时基坑采用降水施工时对邻近地铁隧道影响的数值模拟对比分析研究有限。本文以苏州地区的地质条件为背景，采用有限差分的数值计算方法，分析研究在不同的隔水帷幕深度时，进行基坑降水对地铁隧道结构的影响。

1 工程概况及参数选取

1.1 工程介绍

工程项目位于苏州星阳街，基坑工程靠近苏州地铁1号线。地铁隧道埋深为8.5 m，基坑工程与地铁隧道的水平间距为8.0 m。隔水帷幕采用地下连续墙止水，地下连续墙为 C30混凝土结构，容重为25 kN/m，隔水帷幕深度约为基坑深度的2倍。隧道衬砌外径为6.2 m，内径为5.5 m，管片厚度为0.35 m。盾构隧道管片混凝土强度等级为C50，抗渗等级≥S10。基坑施工时支撑均为φ609钢管支撑。

1.2 物理力学参数

数值模拟中土层的物理力学参数参照苏州地铁查勘及设计资料，并结合规范要求选取［7］。土体材料采用摩尔－库仑 (Mohr－Coulomb)弹塑性本构模型进行模拟，不同土层的物理力学参数见表1。由于基坑坑底加固时采用20%水泥掺量的三轴搅拌桩，模拟时按照提高土体强度进行等效考虑。盾构管片及地下连续墙采用弹性 (Elastic)本构单元模拟，其物理力学参数见表2。基坑开挖时横撑采用梁单元模拟，管片环向及纵向之间的螺栓连接也由梁单元模拟(忽略螺栓预紧力的作用)，并采用接触面模拟管片间的接触。

表1 土层物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of soil strata

表2 管片及地下连续墙物理力学参数表Table 2 Physical and mechanical parameters of segment and underground diaphragm wall

2 计算模型

2.1 模型建立

苏州星阳街既有地铁1号线附近开挖基坑时，考虑地下水渗流的影响，采用三维数值模拟方法［8－9］，研究基坑在采用降水方法开挖时，基坑降水、地下水渗流对隧道结构应力、变形以及管片张开量的影响。数值计算模型尺寸为82.9 m×55.2 m×6.0 m的有限差分网格模型。模型数据资料参考苏州中心广场项目设计资料，盾构隧道内径为5.5 m，外径为6.2 m。数值模型是建立五环管片模型进行模拟，盾构管片总长度为6 m。隧道与基坑位置关系及计算模型图如图1所示。

图1 计算模型Fig.1 Calculation model

地铁隧道管片采用错缝拼接方式，一环管片是由3块(A1T，A2T，A3T)A 型标准块、2 块(B1T，B2T)B 型邻接块、1块(KT)K型封顶块组成。隧道管片间的接触采用Interface接触面模拟，盾构隧道管片及接触面图见图2(a)。盾构管片之间的连接螺栓采用梁单元模拟，其连接效果见图2(b)。数值模拟中考虑地下水渗流影响，地下水位为地面以下1 m。

2.2 计算工况

分析中基坑降水深度为基底以下2 m，模型采用2种隔水帷幕深度分2种工况进行计算。工况1:靠近隧道侧基坑隔水帷幕与远离隧道侧隔水帷幕深度相同，隔水帷幕深度为基坑底以下16 m(见图3)。工况2:依据苏州中心B－3区基坑项目地铁隧道附近基坑设计资料，靠近隧道侧基坑隔水帷幕深度增加为基坑底以下33.6 m，远离隧道侧隔水帷幕长度不变，为基坑底下16 m(见图4)。

图2 盾构隧道管片接触面及其连接螺栓模型Fig.2 Model of interface and connection bolt of segments

图3 隧道与基坑位置关系(工况1)Fig.3 Location relationship between the tunnel and the foundation pit(Case 1)

图4 隧道与基坑位置关系(工况2)Fig.4 Location relationship between the tunnel and the foundation pit(Case 2)

3 基坑降水对盾构隧道影响分析

3.1 基坑降水后土体孔隙水压力分布

工况1和工况2土体孔隙水压力云图见图5。

图5 不同隔水帷幕深度土体孔隙水压力云图Fig.5 Contour of pore water pressure of soil mass under different water-insulating curtain depths

基坑降水施工对坑底孔隙水压力影响较大，利用隔水帷幕能有效地控制基坑安全施工，降低降水时对基坑底孔隙水压力的影响。基坑施工工况1时土体孔隙水压力最大值为544 kPa;工况2时土体孔隙水压力最大值为547 kPa。对比工况1和工况2可知，基坑降水施工时，隔水帷幕深度较小时，降水作业对隧道侧土中孔隙水压力大小影响较大;隧道侧隔水帷幕深度较大时，降水作业对隧道侧土中孔隙水压力的影响很小。增大地铁隧道侧隔水帷幕深度能有效降低降水施工对隧道围岩孔隙水压力分布的影响，稳定隧道周围土体变形。

3.2 隔水帷幕深度对隧道变形影响

图6为工况1和工况2时管片环的三维变形。由图6可知，在2种工况中由于基坑降水引起隧道周围土体变形，进而引起隧道发生位移变形，而由于工况1和工况2地墙隔水深度不同，隧道产生的变形量不同。工况1隧道的最大总位移值为13.76 mm，最大位移值发生在隧道距降水位置较远侧;工况2隧道的最大总位移值为11.08 mm，且最大位移值发生在隧道靠近基坑侧。由隧道的总位移可知，增加隔水帷幕的深度能有效减小隧道变形。

图7为不同隔水帷幕深度隧道的水平位移云图。

图6 不同隔水帷幕深度隧道的总位移云图Fig.6 Contour of total deformation of tunnel under different waterinsulating curtain depths

图7 不同隔水帷幕深度隧道的水平位移云图Fig.7 Contour of horizontal displacement of tunnel under different water-insulating curtain depths

在隧道整体产生向基坑开挖侧的水平位移方面，工况1和工况2均表现为隧道顶部水平位移最大，隧道底部水平位移最小。工况1时隧道顶部最大水平位移为2.32 mm(向基坑方向移动)，隧道底部最小水平位移为0.06 mm;工况2时隧道顶部最大水平位移为2.13 mm(向基坑方向移动)，隧道底部最小水平位移为0.57 mm。由此可见，加长隔水帷幕的深度，使得降水引起隧道顶部水平位移有所减小，引起隧道底部水平位移有所增加。

图8为不同隔水帷幕深度隧道的竖直位移云图。

图8 不同隔水帷幕深度隧道竖直位移云图Fig.8 Contour of vertical displacement of tunnel under different water-insulating curtain depths

在基坑降水作用下，工况1和工况2条件下隧道竖向都发生不同程度的沉降变形，靠近基坑侧隧道拱腰处竖向位移值较大，远离基坑侧隧道拱腰处竖向位移值较小。工况1靠近基坑侧隧道最大竖向变形为－13.69 mm(沉降变形)，远离基坑侧隧道最小竖向变形为－11.98 mm(沉降变形)，大于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》［10］关于隧道竖向位移预警值(10 mm)的规定;工况2靠近基坑侧隧道最大竖向变形为－10.98 mm(沉降变形)，远离基坑侧隧道最小竖向变形为－10.17 mm(沉降变形)，达到《城市轨道交通结构安全保护技术规范》［10］关于隧道竖向位移预警值(10 mm)的规定。随着隔水帷幕深度增加，降低了基坑降水施工对隧道周围土体及孔隙水压力的影响，有效地控制了隧道及其周围土体的沉降变形。隧道距离基坑越近，基坑降水引起隧道周围水位降低越多，导致土体中主应力增加越多，固结变形越严重，从而引起隧道的变形就越大。然而增加隔水帷幕长度会明显隔断基坑降水对隧道的影响。故增加隔水帷幕长度能更好地控制地铁隧道的变形。

3.3 隔水帷幕深度对隧道受力影响

3.3.1 地铁隧道管片环最大主应力

图9为不同隔水帷幕深度隧道最大主应力云图。

图9 不同隔水帷幕深度隧道最大主应力云图Fig.9 Contour of maximum principal stress of tunnel under different water-insulating curtain depths

盾构隧道管片与管片之间的环向接缝和纵向接缝处都由螺栓连接，为盾构管片受力的薄弱区域。特别是管片环之间的平面，全部采用螺栓连接，管片受力时易发生应力集中现象。在2种不同的计算工况中，增长基坑隔水帷幕降低了基坑降水对隧道侧孔隙水压力的影响。在工况1情况下，隧道最大主应力位于隧道靠近基坑侧，最大值为1.05 MPa(受拉);在工况2情况下，隧道最大主应力位于隧道靠近基坑侧，最大值为1.10 MPa(受拉)。由图9可知，基坑降水引起地铁隧道管片最大主应力数值较大的位置主要发生在管片接缝附近以及靠近基坑侧隧道拱腰位置，故基坑降水对基坑侧隧道管片接缝的应力影响较大，与实际情况吻合。

基坑降水时距离基坑越近时地下水位降低越多，工况1隔水帷幕深度相对工况2较浅，基坑降水时对隧道的影响要比工况2大。工况1隔水帷幕较短时引起隧道周围地下水位下降较大，隧道变形较大，隧道主应力会随水位降低而减小。故隧道最大主应力最大值在工况1时为1.05 MPa，在工况2时为1.10 MPa，最大应力均位于靠近基坑侧隧道管片接缝。

3.3.2 地铁隧道管片环最小主应力

2种工况下地铁管片最小主应力见图10。

图10 不同隔水帷幕深度隧道最小主应力云图Fig.10 Contour of minimum principal stress of tunnel under different water-insulating curtain depths

地铁隧道在基坑降水施工时最小主应力中数值较大区域主要集中在管片接头附近，最小主应力数值较小，以压应力为主。工况1时隧道最小主应力主要分布于靠近基坑侧的管片接缝处，最大值为－0.97 MPa(受压);工况2时隧道最小主应力主要分布于靠近基坑侧的管片接缝处，最大值为－0.90 MPa(受压)。隔水帷幕使隧道管片最小主应力增大，基坑降水开挖引起地铁隧道管片最小主应力数值较大位置位于靠近基坑侧的隧道管片B1T和A3T接缝处。这是由于基坑降水时距离基坑越近时地下水位降低越多，虽然降水引起土体总应力减小，但降水后土体有效应力随之增加，土体发生固结变形作用，导致隧道在基坑侧位置变形较大，从而引起工况1主压应力较工况2大。

4 结论与建议

本文主要通过数值模拟方法，考虑基坑降水时地下水的渗流问题，计算分析了在2种不同的基坑降水深度时盾构隧道及管片环的变形及张开错动量。主要计算分析结果如下。

1)增加隧道侧隔水帷幕深度，能够降低基坑降水施工对隧道周围土体及孔隙水压力的影响，隔水帷幕深度越大时对隧道周围孔隙水压力分布影响越小。

2)工况2(隧道侧基坑隔水帷幕50.2 m)比工况1(基坑隔水帷幕30.6 m)隔水帷幕长17.6 m，工况1中隧道的最大总位移值为13.7 mm，工况2中隧道的最大总位移值为11.1 mm，比工况1时减小约19.0%。

3)基坑降水时，隧道管片的最大主应力和最小主应力均小于混凝土抗拉、抗压强度设计值。当隔水帷幕深度较短时，基坑降水对隧道管片主应力影响较大，引起隧道管片主应力减小。增长隔水帷幕能够减少基坑降水施工对隧道受力影响。

计算中基坑降水模拟时采用一次将基坑内水位降低到基底以下2 m处，然后模拟地下水渗流10 d后水位情况，未详细模拟实际中一步步降水的过程。同时由于研究条件限制，分析中只对2种工况进行对比分析，未能详细分析隧道与基坑不同间距、隧道不同埋深、基坑不同开挖深度、不同隔水帷幕深度以及不同土层参数等条件变化时隧道的变形及受力情况。在以后的研究中，应对上述所有工况一一进行分析，得出基坑降水对隧道的影响规律。

［1］ 唐业清，李启民，崔江余.基坑工程事故分析与处理［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.(TANG Yeqing，LI Qimin，CUI Jiangyu.Analysis and treatment of excavation incident［M］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，1999.(in Chinese))

［2］ 吴林高，李国.基坑工程降水案例［M］.北京:人民交通出版社，2009.(WU Lin’gao，LI Guo.The cases of foundation pit precipitation［M］.Beijing:China Communications Press，2009.(in Chinese))

［3］ 胡国新，刘庭金，陈俊生，等.基坑三维渗流对紧邻区间隧道影响的数值分析［J］.铁道建筑，2007(7):42－44.(HU Guoxin，LIU Tingjin，CHEN Junsheng，et al.Numerical analysis about influence of 3-dimensional water leakage in foundation pit on adjacent running tunnel［J］.Railway Engineering，2007(7):42 －44.(in Chinese))

［4］ 李源，陈颖辉，金晓波，等.隔水帷幕的深度对基坑降水的影响［J］.内蒙古科技与经济，2008(18):132－133.(LI Yuan，CHEN Yinghui，JIN Xiaobo，et al.The depth of waterproof curtain impact on the foundation pit precipitation［J］.Inner Mongolia Science Technology ＆ Economy，2008(18):132－ 133.(in Chinese))

［5］ 彭典华，胡励耘.浅谈基坑隔水帷幕设计及帷幕漏水流砂处理技术［J］.广东土木与建筑，2009(11):6－8.(PENG Dianhua，HU Liyun.On the waterproof curtain designs and the treatment technologies to the curtain leakage and flowing sand ［J］. Guangdong Architecture Civil Engineering，2009(11):6－8.(in Chinese))

［6］ 王昆泰，胡立强，吕凯歌.悬挂式帷幕条件下基坑渗流特性的计算分析［J］.建筑科学，2010(1):81－84.(WANG Kuntai， HU Liqiang， LV Kaige. Analysis for seepage characteristic of deep foundation pit with hanging impervious purdah［J］.Building Science，2010(1):81 －84.(in Chinese))

［7］ JTG D 70—2004公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.(JTG D 70—2004 Code for design of road tunnel［S］.Beijing:China Communications Press，2004.(in Chinese))

［8］ Itasca Consulting Group Inc.FLAC 3D.User’s guide ［S］［s.l.］:［s.n.］，1997.

［9］ 陈玉民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2013.(CHEN Yumin，XU Dingping.FLAC/FLAC3D foundation and engineering examples［M］.Beijing:China Water ＆ Power Press，2013.(in Chinese))

［10］ CJJ/T 202—2013城市轨道交通隧道结构安全保护技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013.(CJJ/T 202—2013 Technical code for protection structures of urban rail transit［S］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2013.(in Chinese))