地下水对隧道受力变形影响的计算分析

摘要：以FLAC3D软件为研究工具，考虑地下水的影响，对隧道开挖过程中由于地下水位的变化，而造成的影响隧道受力变形趋势进行了计算分析。结果表明：随着地下水位的降低，支护结构的受力和变形都有所增加。因此，在结构计算的过程中，要对历年的地下水位有一定的了解。这样有利于合理地确定支护荷载。在地下水位较高的情况下，水的浮力影响不可忽视。

关键词：FLAC3D；地下水：受力变形 1 前言

地下水在城市地下工程设计与施工中起着至关重要的作用，因为对粘性上，当含水量较大时，稳定性较差，而对于粉细砂层，当其为潮湿状态时，具有较好的自稳能力，但当含水量增大的情况下，极易出现流沙等严重失稳现象[1]。因此，对普通的暗挖法施工的隧道而言，无水施工相当重要。而对盾构法施工的隧道，虽然施工时不受地下水的影响，或影响相当小，但不同的水位会带给盾构隧道结构不同的荷载分布[2]。使支护结构的作用机理更加复杂化。在本节，结合北京地区历年的地下水位条件，模拟出不同的水位状态下隧

道的受力变形情况，探讨在地下水作用条件下盾构隧道支护结构的作用机理。为后面的设计提供依据。

2 模型范围的确定及边界条件的选取

根据地质资料显示，五号线的地质情况比较复杂，为此选取有代表性的点K8＋618为计算点。此处地层共分五层，从上到下依次为：杂填土、粉质素填土、砾质粉土、粉质粘土、粉细砂、中砂。因所分析的区域基本上属于对称区域[3]，故在分析计算时为了简化模型只取对称区域的一半进行分析。上边界取至地表，下边界和右边界都取隧道洞径（6m）的3倍进行计算，长度取12m。全部计算区域共划分为3564节点，3040单元。计算时固定左右边界，前后边界及下边界，上边界取为自由边界。其计算地质模型及单元网格划分如图1所示。

3 计算参数的选取

根据计算点的地质资料，及管片的物理力学性质，选取计算参数如表1、表2所示：

此外根据地质资料对所选计算点土层的平均渗透系数取为10-2cm/s，剪胀角取为10°。地下水位取为地面以下2

米。

4 数据分析

为了有效地观察不同位置处由于地下水位变化所产生的影响，在模型中取出具有代表性的几个点作为监测点进行分析，这几个点坐标分别为：拱顶结构（0，6，2.85）、边墙结构（2.85，6，0）、拱顶围岩（0，6，3.15）、底板围岩（0，6，-3.15）、底板结构（0，6，-2.85）。计算结果如下:

从图2可以看出，随着地下水位的下降，拱顶支护结构和底板支护结构都有一定程度的下移，且下移量随地下水位的下降而增加；拱顶围岩竖直位移随地下水位的下降而增加；底部围岩呈上拱趋势，随地下水位的下降其上拱的竖直位移也有所增加。

图3反映了作用在支护结构上的水压力随地下水位变化而变化的曲线。随地下水位的下降，作用在支护结构上的水压力呈下降趋势。但作用在底部的水压力始终大于作用于顶部的水压力。其差值基本保持在为60Kpa左右。作用在边墙上的水压力虽大顶部水压力，但与底部水压力的相对大小则是变化的。

图4反映了支护压力随地下水位的变化情况，随着地下

水位的下降，作用在支护结构上的支护压力呈上升趋势。相对而言，在大部分范围内作用在拱顶的支护压力大于作用在底部的支护压力，但相差数值不是很大。最大时也仅20Kpa左右。

图5至图10反映了随着地下水位的下降，隧道围岩塑性区变化的情况。很明显，随着地下水位下降，塑性区的范围逐渐扩大。 5 结语

地下水位的变化对支护结构的受力和变形的影响很大。随着地下水位的降低，支护结构的受力和变形都有所增加。因此，在结构计算的过程中，要对历年的地下水位有一定的了解。这样有利于合理地确定支护荷载。在地下水位较高的情况下，水的浮力影响不可忽视。

参考文献

[1]钱家欢.土工原理与计算（第三版），南京：中国水利水电出版社，2003.

[2]朱合华.盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究[Ｊ].岩土工程学报，1999，22(2):190～194.

[3]唐辉明.工程地质数值模拟的理论与方法，武汉：中国

地质大学出版社，1999.