渗流对盾构隧道的影响研究现状

邢 帅，田忠喜，牟永鑫

（聊城大学，山东 聊城 252000）

目前城市规模不断扩大，对地下空间的开发和利用越来越多，其中城市地铁的修建最具代表性，盾构法是隧道掘进施工主要方式之一，地铁的发展在整个交通运输系统中举足轻重，但是随之产生的问题也有很多。隧道施工中，渗流是一个很普遍同时又很难避免、也是最常见的一种地质灾害。张绫纳等提出隧道渗流的处理措施：一是采用注浆施工，当裂隙较大而水压较小时，通常情况下使用水泥—水玻璃双液浆，当裂隙较小而水压较大时，可以采用水溶性聚氨酯；
二是以排为主，当地表水出现下渗的情况时，应及时引流排水，若地表水水压过大，就应将水排放到永久排水系统中去。隧道发生渗流时，开挖面的稳定性、隧道周围孔压、管片内力都会受到不同程度的影响，进而影响到隧道的安全、质量。

开挖面稳定性作为盾构隧道施工关键问题之一，对于日、德、英等盾构技术发展较早的国家，最早于20世纪60年代起已开展研究。目前盾构隧道技术和计算机正在不断发展，盾构施工开挖面稳定性的研究得到更多的关注。为了分析在渗流作用下开挖面的稳定性，传统模式下用锲形体模型进行均匀土层的稳定性分析，并且乔金丽运用这种模型研究渗流作用下多层土盾构隧道开挖面的稳定性，作用于开挖面有效支护压力和渗透力二者相加得到开挖面失稳的极限支护压力，且总支护压力主要是由渗透力构成的。Perazzelli在假设开挖面前方水头分布的条件下，认为在水头差较大，土体剪切强度较高的情况下，开挖面的破坏形式以受拉破坏为主。Buhan等基于理论分析编制了考虑渗流作用的饱和沙土地层中圆形隧道开挖面稳定性分析三维有限元程序。利用所建立的模型分析了隧道埋深、渗透系数各向异性的影响。认为渗透力可以将开挖面安全系数降低三倍，在开挖面稳定性中具有关键作用。

隧道埋深以及内摩擦角也会对开挖面稳定性产生影响，Vermeer等通过运用有限元方法分析砂性地层中开挖面的稳定状态，发现土拱效应发生明显改变是发生在地层材料的内摩擦角大于20时，此时支护压力也发生很大改变，从而开挖面的稳定性受到不同程度的影响。王浩然等在研究渗流影响的弹塑性有限元分析的基础上得出开挖面失稳破坏模式会受到土体内摩擦角、隧道埋深的影响。针对当前理论解析、数值模拟、模型试验等方法对流-固耦合效应考虑不足的问题，齐杰通过建立渗流作用下盾构隧道开挖面失稳破坏的离散元数值模拟，对比有、无渗流条件下的开挖面失稳特性，揭示渗流对开挖面的稳定性的作用机理，同时设计盾构隧道开挖面渗流破坏模型试验，揭示不同级配地层渗流-侵蚀联合作用下的失稳模式及机理。

在渗流作用下开挖面失稳破坏模式会受到内摩擦角、隧道直径、隧道埋深、地下水位高低等因素的影响。开挖面的极限支护压力随着埋深的不断变大也随之变大，破坏范围开始向上发展，慢慢地向开挖前方聚集，同时与之对应的土拱效应也会产生很大的变化，开挖面崩塌的风险逐渐增高。一般情况下，内摩擦角越来越大，开挖面的破坏变形会越来越小，并且最大变形位置也在逐渐上移，并且土体极限支护力也就越小，相应开挖面也就越来越稳定。土体极限支护力也会随着隧道直径的不断增大而变大，相应开挖面失稳的可能性不断增大。地下水位的高低决定了渗透力所占的比重，当水位升高，渗透力也会不断增大，开挖面的极限支护压力不断增大，对开挖面的稳定性有很大的影响。

隧道发生渗流时，隧道周围的孔压会发生变化。为研究孔压的分布规律，马龙祥采用数值计算的结果与数值模拟以及已有解析解进行对比，得到了隧道渗流条件下隧道周围孔压的分布规律。曹利强运用FLAC 3D软件模拟数值计算，得出地下水达到稳定渗流条件时，盾构进行砂土地层开挖时孔压的分布情况。刘印根据模型计算分析，运算得出了在渗流达到稳态时隧道附近土体孔压的计算公式、方法。同时依据实际工程，着重研究了土体与衬砌的相对渗透系数与孔压的分布，并且还分析了两者的关系。张冬梅根据复变函数的保角变换，基于衬砌的作用分析得出了渗流达到稳态时浅埋隧道附近土体中孔压的特点。Huang fuming把隧道附近的土进行了假设，假设其是均匀材质并且连续各向同性的饱和半无限平面，进而分析得出了隧道结构发生渗漏水时造成附近土体孔压分布的计算公式。

上述分析计算方法所得的结果都是先假设隧道衬砌为均值的渗透体，但是在实际的工程案例中盾构隧道发生渗漏水的位置主要集中在管片与管片相接处、手孔等等。因为在隧道局部渗漏水的边界条件上运用解析方法是非常困难的，所以要想研究以及得到隧道局部渗漏水对附近土体孔隙水压力影响的计算方程是存在相当大的难度的。因此，王志良通过分析复变函数的保角映射，并依据其原理将之前有圆孔的半无限平面转变成边界简单的圆环域，将数值法与解析法相结合，分析得出渗流达到稳态时浅埋隧道发生部分漏水造成附近土体孔隙水压力变化的半数值半解析解。

隧道开挖后，其周围的孔压也随之发生变化，随着埋深的增加，隧道开挖周围岩体及底部围岩的孔压均不断增加，但隧道开挖部分周围孔压的增幅小于隧道底部围岩孔压的增幅。隧道发生渗漏水时，隧道周围土体的孔压变化明显，隧道侧面发生渗水对隧道中间埋深内土的孔压影响有些大，并且渗水的区间变大土中的孔压降低地更快；
如果隧道顶端发生渗水，隧道周围土中的孔压改变量较大，并且渗水的区间对隧道顶端孔压产生的影响不大；
如果隧道侧面渗水，其附近土的孔压主要受地表与隧道渗水边界总水头差的影响，总水头差变大会对孔压产生更大的影响，同时它们二者之间是按等比例改变的。在衬砌作用下，土体与衬砌的相对渗透系数对衬砌上的水头起着关键性作用，也会改变隧道附近孔压的分布特点，如果衬砌的方式一样，那么土中由渗流改变的水头就会受隧道附近土的渗透系数的影响，渗透系数增大则减少的水头就变小，这个过程中孔压与静水压力就会非常相近。

隧道发生渗流会对管片内力产生影响，为分析其具体影响，黄宏伟通过类比上海地铁盾构隧道，建立了盾构隧道渗流模型，他通过采取不同渗流程度及水位边界为变量，得出了隧道在长时间受渗流作用时管片内力的变化特点。叶治基于渗流侵蚀实验以及建立三维隧道数值模拟研究渗流侵蚀对隧道管片结构变形的影响。季岩涛基于盾构隧道长期渗水分析研究了管片内力的影响。刘印以上海地铁盾构隧道为背景，基于有限元软件模拟盾构隧道局部渗水，在边界条件不同时，分析盾构隧道渗水对管片内力和隧道椭圆化变形的影响。叶治以武汉地铁7号线为背景，通过建立相关数值模型，基于水土流固耦合理论，研究了隧道渗水对管片内力与螺栓内力的影响。

渗流导致隧道的形状向椭圆化发展，所以管片轴力在隧道拱腰处呈变大趋势，在隧道拱顶和拱底处会逐渐变小。与轴力发生改变的趋势不一样，管片各部位的弯矩在渗流的作用下都不断地变大。隧道顶部轴力改变量最大，而隧道拱腰处弯矩改变量最大。

现在盾构隧道已经有多种开挖方式，并且逐步广泛地应用在我国地铁隧道建设中，但是在开挖过程中，因为存在地下水所以使得隧道的开挖异常困难。文章总结了渗流对盾构隧道产生的影响进行了概述：

（1）渗流作用下，很多因素都会对开挖面的极限支护力产生影响，进而使隧道开挖面的稳定性受到破坏。但是目前渗流作用下的开挖面失稳的发生机理、演化过程、影响因素及其控制理论并不健全，还没有成为一套完整的理论。需要在现有的基础上通过数值模拟建模，结合工程实验进一步研究。

（2）由于隧道渗流的影响，隧道周围的孔压出现明显的变化。隧道附近的孔压变化与渗流量有着很大的关联，土体与衬砌的相对渗透系数不断变小，隧道的渗流量就会不断增大，从而就会更容易改变隧道附近的孔压。

（3）当地下水位不发生变化，隧道形状趋于椭圆化和管片内力会在一段时间内并且很快能趋于稳定状态；
如果没有其他水源流入，地下水位不断下降，隧道形状向椭圆化变形的趋势及管片内力会不断地变化且改变量偏大，甚至会威胁到隧道安全。所以，渗流程度大且没有足够的其他水源流入时，较长时间的渗流会给隧道造成更为严重的破坏。