软土盾构隧道渗流引起的地层和隧道沉降
摘要：本文通过研究不同条件下孔隙水压分布规律以及隧道长期沉降作用机制最终发现，隧道与地层沉降的发生，很大程度上会受到土体与衬砌相对参透系数的影响。不同相对渗透系数会引起不同的渗流量，而这些均会对隧道周围孔压分布与沉降形成产生深远影响。地表与隧道沉降与渗流量呈正相关性，有鉴于此，在盾构隧道运营过程中，全面落实隧道渗漏水检测，及时查漏补缺至关重要。 关键词：支沟隧道；渗流；隧道沉降
渗漏水是软土盾构隧道常见病害，会引起沉降。受到隧道渗流的影响，地层周围土体孔压不断降低，有效应力逐渐升高，最终引起土体与隧道沉降的发生。隧道周围孔隙水压力分布对隧道与地层沉降有着重要联系，近年来，有研究人员发现，隧道衬砌在防水方面发挥着重要作用，而在过去，多数研究人员在对该课题进行研究时，往往忽略了隧道衬砌作用，因此所得结果缺乏科学性。本文就软土盾构隧道渗流引起的地层和隧道沉降进行研究，对隧道渗流对地表与隧道沉降的影响规律进行探讨，希望能够给业内同行带来一些启发。
一、软土盾构隧道渗流的方式与渗流处理
（一）隧道渗流的形式
从软土盾构隧道整体格局来看，当隧道直径明显小于隧道埋深时，隧道周围渗流场所承受的水位边界作用就越小，此时的渗流路径为轴对称形式。当盾构隧道埋深比较浅时，隧道周围渗流路径就会收到较大的水位线影响，此时，如果隧道周围土体以及衬砌渗透系数比较大，同时隧道周围地下水无法充分补给，则土体水中的水位会随着渗流的发生不断降低。如倘若隧道周围土体与衬砌渗透系数比较小，同时隧道所处地理位置存在丰富地下水，则地下水位基本不受渗流影响，始终处于不变状态。也就是说，针对地下水十分丰富的地区，在排除其他影响因
素的前提下，可假设水位线不会受到隧道渗流的影响。
（二）隧道渗流的等效处理
隧道管片结合处以及手孔等部位，均为软土盾构隧道常见渗透部位。隧道衬砌的局部渗透性，可通过有限渗透性的定义进行诠释。有限渗透特性在盾构隧道渗流分析中有着重要作用，举例来说，在工程实践过程中，人们无法直接获得盾构隧道衬砌的等效渗透系数，而是需要同测量渗透量或孔压进行计算。渗流速度与衬砌渗透系数关系式可表达为：
q 1=k1（p 2-p 1）/[γw r 2In （r 2/r1）] （1）
其中，q 1表示衬砌单位时间的渗流量；p 2与p 2分别表示衬砌内、外的孔隙压力；r 1和r 2分别表示衬砌内、外半径；k 2则代表的是衬砌渗透系数；y w 代表水的容重。
（三）衬砌等效渗透系数变化的诱因
盾构隧道衬砌的等效渗透系数并不是始终不变的，受到施工质量、地质条件、结构变形等多方面因素的影响，隧道不同区间内，衬砌邓小渗透系数会发生明显改变。此外，随着隧道运营时间的延长、季节变化、人为因素的影响，同一区间内的等效渗透系数同样会发生系列改变，进而出现明显差异。
二、渗流引起的地层与隧道沉降
按照有效应力的相关理论，假设土体变形为弹性变形，同时土体均值各向同性，针对平面应变问题，经广义胡克定律可得出以下公式：
εx =（1+v）[（1-v ）σ1
x -v σ1
y ]/E
εy =（1+v）[-vσ1
x +（1-v ）σ1
y ]/E
公式中，v 表示泊松比；E 表示土体弹性模量；σ1
x 、σ1
y 分别代表土体水平
与竖直方向的有效应力。σ1
x =K0σ1
y ，其中K 0表示静止侧压力系数，经上述公式
可得：
εy =（1-v-vK 0）（1+v）·（σx +σy ）/[（1+K0）E]
由上述公式可知，在渗流的影响下，有效应力产生变化，最终引起土体沉降11
的发生。由此可知，土体任一点的竖向应变：
1-v-vK 0（1+v）σ1
x +△σ1
y ）E εh =1+K0
假设外荷载为定值，土体任一点总应力不会受到渗流固结的影响，则σ=σ1+p为恒定值。其中σ1为有效应力，p 表示孔隙水压。隧道经长期渗流稳定后，
1有效应力的增加量将与孔隙水压力减小量一致，即△σ=-△p 。
对土体任意位置，由渗流引起的孔压变化量则为：
△p=ps （x ，y ）-p 0（x ，y ）
公式中，p s 表示该点静水压力；p s =-γwy 。当固结渗流中K 0始终处于恒定状态，H=0时，则：
（1-v-vk 0）（1+v）[p s (x , y ) -p 0]E εh =-
从而得知地表沉降为：
S=⎰h y 0(1-v -vK 0)(1+v ) h y （h R -H ）γεh dy =-·⎰0[I n αs E w I
其中，hy 表示地表沉降的影响深度。
当x=0，即可计算出地表最大沉降量；若取x=0，同时从隧道底部坐标开始积分，则可获得近似隧道的沉降量。
三、渗流量对孔压与沉降的影响
（一）工程案例
某地铁线路区间盾构隧道中心深埋h=16m，隧道外景为7.3m ，内径为6.6m ，管片厚度为0.46m 。隧道渗流计算采用上述公式，且假设H=0。为降低计算难度，取土的甲醛平均弹性模量为6.8MPa ，泊松比为0.3，隧道周围土体渗透系数为3x10m ·s 。
（二）渗流量的计算
结合《地下工程防水技术规程》，该隧道防水等级达到二级标准，隧道容许渗水量为0.2L ·m -2·d -1。不过，由于实际地铁隧道渗水容易受到多方面罂粟的-9-1
影响而产生变化，故本文将隧道渗流量q 分别设为0.01、0.05、0.10以及0.15L ·m -2·d -1并进行计算，分析隧道周围的孔压与地表沉降规律。根据上述公式，可计算出不同渗流量对应的隧道等效渗透系数与土体和隧道相对渗透系数详情如表1所示。
表1. 计算工况
由表1可知，相对渗透系数对隧道渗流量有着显著影响。
（三）孔压分布规律与分析
由表1不难发现，不同渗流量，衬砌等效渗透系数相差较大时，土体与衬砌相对渗透系数也会随之增加。通过孔压解析式计算可知，土体和衬砌的相对渗透系数是导致h R 发生变化的重要影响因素，土体孔压分布，主要取决于h R 。由此得知，土体和衬砌的相对渗透系数越低，隧道渗透流量越大，对隧道周围孔压的影响就会越大。
（四）渗流引起的沉降与分析
渗流量对隧道沉降有着显著影响，地表沉降量、隧道沉降量与渗流量呈正相关性。经公示可计算出隧道沉降，经对比得知，随着渗流量的改变，隧道沉降S 和地表沉降S 1的比值完全一致，均为0.85。考虑到地表沉降与隧道沉降计算的差异主要体现在积分区间的差异性，则表示S/S1比值仅和h 与R 有关。有鉴于此，因渗透引起的隧道沉降与地表沉降比值主要取决于隧道埋深与直径，不会受到土体其他物理力学特征的影响。
结束语
综上所述，土体和衬砌的相对渗透系数对隧道周围孔隙水压力分布、地层与隧道沉降有着重要影响。随着渗流量的升高，隧道周围孔隙水压力越低，地层与隧道沉降越严重。地表和隧道沉降很大程度上取决于渗流量，渗流量的升高会严重影响到隧道结构稳定性与使用安全性。
参考文献：
[1]刘印, 张冬梅, 黄宏伟. 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[J].岩土力学,2013,25（01）:290-298+304.
[2]刘印, 赵昌朋, 赖小玲. 浅埋隧道渗流量及孔压分布规律——以富水地区为例
[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2013,14（01）:23-29+43.
[3]刘维, 唐晓武,StravosSavidis. 富水地层中重叠隧道施工引起土体变形研究
[J].岩土工程学报,2013,26（06）:1055-1061.
[4]薛晓辉, 宿钟鸣, 孙志杰. 基于地层损失理论的盾构隧道沉降分析及控制措施研究[J].科学技术与工程,2013,32（07）:9569-9573.
[5]黄宏伟, 刘印, 张冬梅. 盾构隧道长期渗水对地表沉降及管片内力的影响[J].中国铁道科学,2012,15（06）:36-43.
软土盾构隧道渗流引起的地层和隧道沉降
摘要：本文通过研究不同条件下孔隙水压分布规律以及隧道长期沉降作用机制最终发现，隧道与地层沉降的发生，很大程度上会受到土体与衬砌相对参透系数的影响。不同相对渗透系数会引起不同的渗流量，而这些均会对隧道周围孔压分布与沉降形成产生深远影响。地表与隧道沉降与渗流量呈正相关性，有鉴于此，在盾构隧道运营过程中，全面落实隧道渗漏水检测，及时查漏补缺至关重要。 关键词：支沟隧道；渗流；隧道沉降
渗漏水是软土盾构隧道常见病害，会引起沉降。受到隧道渗流的影响，地层周围土体孔压不断降低，有效应力逐渐升高，最终引起土体与隧道沉降的发生。隧道周围孔隙水压力分布对隧道与地层沉降有着重要联系，近年来，有研究人员发现，隧道衬砌在防水方面发挥着重要作用，而在过去，多数研究人员在对该课题进行研究时，往往忽略了隧道衬砌作用，因此所得结果缺乏科学性。本文就软土盾构隧道渗流引起的地层和隧道沉降进行研究，对隧道渗流对地表与隧道沉降的影响规律进行探讨，希望能够给业内同行带来一些启发。
一、软土盾构隧道渗流的方式与渗流处理
（一）隧道渗流的形式
从软土盾构隧道整体格局来看，当隧道直径明显小于隧道埋深时，隧道周围渗流场所承受的水位边界作用就越小，此时的渗流路径为轴对称形式。当盾构隧道埋深比较浅时，隧道周围渗流路径就会收到较大的水位线影响，此时，如果隧道周围土体以及衬砌渗透系数比较大，同时隧道周围地下水无法充分补给，则土体水中的水位会随着渗流的发生不断降低。如倘若隧道周围土体与衬砌渗透系数比较小，同时隧道所处地理位置存在丰富地下水，则地下水位基本不受渗流影响，始终处于不变状态。也就是说，针对地下水十分丰富的地区，在排除其他影响因
素的前提下，可假设水位线不会受到隧道渗流的影响。
（二）隧道渗流的等效处理
隧道管片结合处以及手孔等部位，均为软土盾构隧道常见渗透部位。隧道衬砌的局部渗透性，可通过有限渗透性的定义进行诠释。有限渗透特性在盾构隧道渗流分析中有着重要作用，举例来说，在工程实践过程中，人们无法直接获得盾构隧道衬砌的等效渗透系数，而是需要同测量渗透量或孔压进行计算。渗流速度与衬砌渗透系数关系式可表达为：
q 1=k1（p 2-p 1）/[γw r 2In （r 2/r1）] （1）
其中，q 1表示衬砌单位时间的渗流量；p 2与p 2分别表示衬砌内、外的孔隙压力；r 1和r 2分别表示衬砌内、外半径；k 2则代表的是衬砌渗透系数；y w 代表水的容重。
（三）衬砌等效渗透系数变化的诱因
盾构隧道衬砌的等效渗透系数并不是始终不变的，受到施工质量、地质条件、结构变形等多方面因素的影响，隧道不同区间内，衬砌邓小渗透系数会发生明显改变。此外，随着隧道运营时间的延长、季节变化、人为因素的影响，同一区间内的等效渗透系数同样会发生系列改变，进而出现明显差异。
二、渗流引起的地层与隧道沉降
按照有效应力的相关理论，假设土体变形为弹性变形，同时土体均值各向同性，针对平面应变问题，经广义胡克定律可得出以下公式：
εx =（1+v）[（1-v ）σ1
x -v σ1
y ]/E
εy =（1+v）[-vσ1
x +（1-v ）σ1
y ]/E
公式中，v 表示泊松比；E 表示土体弹性模量；σ1
x 、σ1
y 分别代表土体水平
与竖直方向的有效应力。σ1
x =K0σ1
y ，其中K 0表示静止侧压力系数，经上述公式
可得：
εy =（1-v-vK 0）（1+v）·（σx +σy ）/[（1+K0）E]
由上述公式可知，在渗流的影响下，有效应力产生变化，最终引起土体沉降11
的发生。由此可知，土体任一点的竖向应变：
1-v-vK 0（1+v）σ1
x +△σ1
y ）E εh =1+K0
假设外荷载为定值，土体任一点总应力不会受到渗流固结的影响，则σ=σ1+p为恒定值。其中σ1为有效应力，p 表示孔隙水压。隧道经长期渗流稳定后，
1有效应力的增加量将与孔隙水压力减小量一致，即△σ=-△p 。
对土体任意位置，由渗流引起的孔压变化量则为：
△p=ps （x ，y ）-p 0（x ，y ）
公式中，p s 表示该点静水压力；p s =-γwy 。当固结渗流中K 0始终处于恒定状态，H=0时，则：
（1-v-vk 0）（1+v）[p s (x , y ) -p 0]E εh =-
从而得知地表沉降为：
S=⎰h y 0(1-v -vK 0)(1+v ) h y （h R -H ）γεh dy =-·⎰0[I n αs E w I
其中，hy 表示地表沉降的影响深度。
当x=0，即可计算出地表最大沉降量；若取x=0，同时从隧道底部坐标开始积分，则可获得近似隧道的沉降量。
三、渗流量对孔压与沉降的影响
（一）工程案例
某地铁线路区间盾构隧道中心深埋h=16m，隧道外景为7.3m ，内径为6.6m ，管片厚度为0.46m 。隧道渗流计算采用上述公式，且假设H=0。为降低计算难度，取土的甲醛平均弹性模量为6.8MPa ，泊松比为0.3，隧道周围土体渗透系数为3x10m ·s 。
（二）渗流量的计算
结合《地下工程防水技术规程》，该隧道防水等级达到二级标准，隧道容许渗水量为0.2L ·m -2·d -1。不过，由于实际地铁隧道渗水容易受到多方面罂粟的-9-1
影响而产生变化，故本文将隧道渗流量q 分别设为0.01、0.05、0.10以及0.15L ·m -2·d -1并进行计算，分析隧道周围的孔压与地表沉降规律。根据上述公式，可计算出不同渗流量对应的隧道等效渗透系数与土体和隧道相对渗透系数详情如表1所示。
表1. 计算工况
由表1可知，相对渗透系数对隧道渗流量有着显著影响。
（三）孔压分布规律与分析
由表1不难发现，不同渗流量，衬砌等效渗透系数相差较大时，土体与衬砌相对渗透系数也会随之增加。通过孔压解析式计算可知，土体和衬砌的相对渗透系数是导致h R 发生变化的重要影响因素，土体孔压分布，主要取决于h R 。由此得知，土体和衬砌的相对渗透系数越低，隧道渗透流量越大，对隧道周围孔压的影响就会越大。
（四）渗流引起的沉降与分析
渗流量对隧道沉降有着显著影响，地表沉降量、隧道沉降量与渗流量呈正相关性。经公示可计算出隧道沉降，经对比得知，随着渗流量的改变，隧道沉降S 和地表沉降S 1的比值完全一致，均为0.85。考虑到地表沉降与隧道沉降计算的差异主要体现在积分区间的差异性，则表示S/S1比值仅和h 与R 有关。有鉴于此，因渗透引起的隧道沉降与地表沉降比值主要取决于隧道埋深与直径，不会受到土体其他物理力学特征的影响。
结束语
综上所述，土体和衬砌的相对渗透系数对隧道周围孔隙水压力分布、地层与隧道沉降有着重要影响。随着渗流量的升高，隧道周围孔隙水压力越低，地层与隧道沉降越严重。地表和隧道沉降很大程度上取决于渗流量，渗流量的升高会严重影响到隧道结构稳定性与使用安全性。
参考文献：
[1]刘印, 张冬梅, 黄宏伟. 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[J].岩土力学,2013,25（01）:290-298+304.
[2]刘印, 赵昌朋, 赖小玲. 浅埋隧道渗流量及孔压分布规律——以富水地区为例
[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2013,14（01）:23-29+43.
[3]刘维, 唐晓武,StravosSavidis. 富水地层中重叠隧道施工引起土体变形研究
[J].岩土工程学报,2013,26（06）:1055-1061.
[4]薛晓辉, 宿钟鸣, 孙志杰. 基于地层损失理论的盾构隧道沉降分析及控制措施研究[J].科学技术与工程,2013,32（07）:9569-9573.
[5]黄宏伟, 刘印, 张冬梅. 盾构隧道长期渗水对地表沉降及管片内力的影响[J].中国铁道科学,2012,15（06）:36-43.