地下水位回升对既有地铁盾构隧道结构的影响:以北京地铁10号线为例

高涛; 秦佳玉; 唐超; 王晓静; 周文静; 徐能雄

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506018

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (13) :5712-5721 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506018

交通运输

地下水位回升对既有地铁盾构隧道结构的影响:以北京地铁10号线为例

高涛 ¹^,² ,
秦佳玉 ³^,^* ,
唐超 ² ,
王晓静 ² ,
周文静 ³ ,
徐能雄 ³

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Impact of Rising Groundwater on Structural Behavior of Existing Metro Shield Tunnels: Beijing Metro Line 10

GAO Tao ¹^,² ,
QIN Jia-yu ³^,^* ,
TANG Chao ² ,
WANG Xiao-jing ² ,
ZHOU Wen-jing ³ ,
XU Neng-xiong ³

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摘要

地下水位的回升势必会影响地铁隧道结构的受力和变形,进而影响地铁隧道的安全运营。为了揭示地下水位回升对既有地铁盾构隧道结构的影响,以北京地铁10号线公主坟—西钓鱼台区段为例展开研究,该区段地层为巨厚卵石层且2019—2025年的地下水位由隧道底板以下回升至顶板以上。为了提高模拟精度,考虑了隧道开挖过程、接头螺栓对隧道结构刚度的削弱作用、地层-隧道的接触等因素的影响。模拟结果表明:随着地下水位的回升,2019年隧道沿线拱底的最大竖向位移为-34.3 mm,2025年隧道拱底的最大竖向位移为27.8 mm,表明隧道整体呈上浮趋势。同时,地下水上升使管片的弯矩和轴力发生了变化,导致管片水平方向呈收缩趋势,竖直方向呈回弹趋势,但隧道变形仍呈“横椭圆”形。结果揭示了水位回升引起的隧道“横椭圆”形回弹变形机制,并量化了2019—2025年隧道竖向位移与内力演化规律。除此之外,隧道的整体上浮和管片的变形可能会导致隧道出现错台、开裂等问题,需要进一步关注。

Abstract

The rise of groundwater levels is bound to affect the stress and deformation of metro tunnel structures, impacting their safe operation. To investigate the impact of rising groundwater levels on the structure of existing metro shield tunnels, the Gongzhufen-Xidiaoyutai section of Beijing metro line 10 was taken as a case study. The stratum in this section consists of a thick pebble layer, and the groundwater level from 2019 to 2025 has risen from below the tunnel invert to above the invert. To enhance simulation accuracy, factors such as the tunnel excavation process, the reduction in tunnel structural stiffness caused by segment joint bolts, and the tunnel-soil interaction were considered. The simulation results indicate that as the groundwater level rises, the maximum vertical displacement of the arch floor along the tunnel is -34.3 mm in 2019 and increases to 27.8 mm in 2025, signifying an overall uplift trend of the tunnel. Simultaneously, the bending moments and axial forces within the tunnel segments are altered by the rising groundwater, leading to a contraction trend in the horizontal direction and a rebound trend in the vertical direction. However, the overall tunnel deformation is still exhibited as a “horizontal oval” shape. Issues such as segment dislocation and cracking may be induced by this overall tunnel uplift combined with segment deformation, warranting further attention.

Graphical abstract

关键词

地下水位回升 / 地铁盾构隧道 / 巨厚卵石层 / 结构力学响应

Key words

rising groundwater levels / metro shield tunnels / thick gravel stratum / structural mechanical response

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高涛, 秦佳玉, 唐超, 王晓静, 周文静, 徐能雄. 地下水位回升对既有地铁盾构隧道结构的影响:以北京地铁10号线为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(13): 5712-5721 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506018

GAO Tao, QIN Jia-yu, TANG Chao, WANG Xiao-jing, ZHOU Wen-jing, XU Neng-xiong. Impact of Rising Groundwater on Structural Behavior of Existing Metro Shield Tunnels: Beijing Metro Line 10[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(13): 5712-5721 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506018

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随着地下水限制开采和生态补水工作的有序推进,自2015年至今,北京市平均地下水位已连续10年回升,累计回升达12.3 m,部分地区地下水位回升近17 m。由于北京地区超过一半的地铁隧道修建于生态补水之前,地下水位的回升会导致部分地铁隧道处于富水环境中,且部分区域的地下水位已高于地铁隧道的拱顶。地下水位的回升势必会影响土层和地铁隧道结构的受力和变形,进而影响地铁隧道的安全运营^[1-2]。

目前,地下水位变化对地铁隧道结构的影响已经引起了广泛研究,且多见于盾构隧道^[3]。以数值模拟方法为例,罗富荣等^[4]模拟了地下水位回升下穿越粉土地层的地铁盾构隧道在位移、变形、内力等方面的分布特征及规律。李锴^[5]利用FLAC^3D的渗流模块功能,阐明了地下水位回升下穿越粉质黏土层地铁盾构隧道的变形与受力情况。刘德华^[6]针对粉质黏土层地铁盾构隧道,结合损伤模型,模拟了不同水位下隧道结构的变形、受力以及损伤情况。Lu等^[7]利用非饱和土弹塑性本构模型描述了水位变动下黏土的应力-应变关系,阐明了穿越黏土层地铁隧道管片外表面的法向接触压力、径向变形以及弯矩的响应规律。傅鹏举^[8]重点分析了地下水位上升和循环列车振动作用下隧道结构及地层的动力响应特性,探明了地下水位上升对地层有效应力的影响规律。

为了揭示地下水位回升对既有地铁盾构隧道结构的影响,以北京地铁为例展开研究。受北京西北高-东南低的地势、历史开采强度以及生态补水导向的影响,北京的地下水位呈现西低东高的格局。根据勘察资料和地下水位监测数据,北京地铁隧道与地下水位的相对位置关系可分为3种模式。模式1:地下水位起初低于隧道拱底,逐渐上升到高于隧道拱底,最终上升到高于隧道拱顶;模式2:地下水位起初高于隧道拱底,逐渐上升到高于隧道拱顶;模式3:地下水位起初高于隧道拱顶,并逐渐上升。相对于模式2和模式3,模式1下的地铁隧道会经历“无水”到“富水”的变化过程,隧道所受的浮力、水压力均会发生明显变化,地铁隧道结构所受的威胁更大。目前,符合模式1的地铁隧道多分布在北京西北区域。同时,受永定河冲洪积扇的影响,该区域地铁隧道穿越的地层主要为巨厚卵石层。因此,本文研究选取北京地铁某穿越巨厚卵石层的盾构隧道区段,该区段地下水位符合模式1所述的情况。

为了准确模拟地下水位回升下地铁盾构隧道结构的受力与变形,有以下问题需要考虑:①需要考虑隧道开挖过程的影响^[9]。若模拟时忽略隧道的开挖过程,会影响土层的初始应力场以及管片本身的内力分布,影响模拟结果;②需要考虑接头螺栓对隧道整体结构刚度的削弱作用^[10-11]。通常情况下,地铁盾构隧道由多环管片组成,而每环管片又由3块标准块、2块邻接块以及1块封顶块组成,管片之间的接缝采用螺栓进行连接,接缝螺栓的存在会降低盾构管片的整体强度。同时,需要考虑隧道管片的配筋;③需要考虑地层-隧道之间的接触作用^[12]。实际情况下,由于地层和隧道的刚度存在较大差异,两者之间的变形是不协调的。若模拟时忽略地层-隧道之间的接触作用,会影响隧道的变形。目前,已有的研究中忽略了上述情况或者只考虑了部分情况,导致模拟结果出现偏差。

为实现精细化模拟,现采用FLAC^3D渗流模块,考虑隧道开挖过程、接头螺栓对隧道整体结构刚度的削弱作用、管片的配筋以及地层-隧道之间的接触作用等情况的影响,对模式1下穿越巨厚卵石层的地铁盾构隧道的受力与变形展开模拟研究。研究结果可为地下水位回升下北京地铁盾构隧道的安全防控提供支撑。

1 工程地质与水文地质概况

研究对象为北京地铁10号线公主坟至西钓鱼台盾构隧道区段,该区段位于北京城区西南部平原地区,地貌类型为第四纪冲洪积平原。受沉积历史作用,河流冲洪积扇顶部及上部以厚层砂土和卵、砾石地层为主。区段沿线表层一般为人工填土(Q_ml),上部第四系主要由全新统(Q₄)、上更新统(Q₃)冲洪积卵砾石、砂和少量黏性土组成。区间沿线无活动断裂构造,无滑坡、泥石流、岩溶、地裂缝等地质灾害和不良地质作用。其中,研究区段穿越的地层为巨厚卵石层。

研究区域内含水类型为潜水,含水层岩性为卵石⑦层、中粗砂⑦₁层和卵石⑨层,土层渗透性强,具有区域性统一的潜水面,局部受地下水开采或工程降水的影响,地下水位略有起伏变化。

由临近研究区段钻井水位监测数据得到图1所示地下水位与隧道埋深关系示意图,发现2019—2025年研究区段内的隧道由初始的无水环境转变为富水环境,且地下水位已高于隧道拱顶。

2 三维计算模型与计算参数

2.1 地层模型

根据勘察资料,研究区段的地层可概化为水平地层,层数为6,各地层的参数如表1所示。考虑边界效应的影响,选取隧道边界向左、右、下3个方向扩展至少五倍洞径范围进行建模。其中,隧道穿越的地层为卵石⑤层和卵石⑦层的交界处。该地层模型采用六面体网格进行剖分,单元数量为205 065,节点数量为161 030,如图2所示。模型边界条件采用位移边界条件,即模型底部固定,侧面法向位移为0,顶面为自由边界。不同地层的本构模型均采用摩尔-库仑模型。

2.2 隧道管片结构模型

研究区段内的隧道为双线盾构隧道,长度为180 m,埋深为10.5~17.1 m。盾构隧道管片外径为6 m,内径为5.4 m,厚度0.3 m,宽度为1.2 m,混凝土强度等级为C50。采用FLAC^3D内置的衬砌结构(Liner)单元模拟隧道管片,该结构单元除可以抵抗剪力、轴力和弯矩外,还能与实体Zone单元之间发生切向摩擦和法向拉压作用,可以模拟衬砌与地层之间的复杂相互作用,如切向的相对错动和法向的分开和接合等。开挖完成后隧道Linear结构模型如图3所示,共计150个管片。

为了提高模拟的计算效率,将隧道管片简化为一个整体进行模拟,忽略管片内部和管片之间的拼接为了考虑配筋对管片强度的影响,本文采用刚度等效方法对管片的强度进行调整。由陈仁东^[13]和陈丹^[14]的研究可知,北京地铁管片的配筋率约为1.7%,钢筋强度等级为HRB335,其弹性模量为200 GPa。基于材料力学中的应变协调与内力平衡原则,采用换算截面法进行计算,见式(1)。由式(1)计算可得,盾构管片的等效弹性模量为37.9 MPa。

(1)

${\mathit{E}}_{\mathit{e}\mathit{q}}={\mathit{E}}_{\mathit{c}}\left(1+\frac{{\mathit{E}}_{\mathit{s}}}{{\mathit{E}}_{\mathit{c}}}\mathit{\rho }\right)$

式(1)中:E_eq为等效混凝土弹性模量,MPa; E_c为折减后混凝土弹性模量,MPa;E_s为钢筋弹性模量,MPa;ρ为配筋率。

同时,考虑到管片内部和管片之间的接缝对隧道整体强度的折减作用,利用修正惯用法对隧道整体强度进行折减,折减系数取为0.6^[10]。最终折减后隧道管片的计算参数如表2所示。

为了考虑隧道与土层之间的接触作用,采用FLAC^3D内置的经验公式来描述Liner结构单元与土层实体单元间的接触面刚度,见式(2)。

(2)

${\mathit{k}}_{\mathit{n}}={\mathit{k}}_{\mathit{s}}=100\mathit{m}\mathit{a}\mathit{x}\left(\frac{\mathit{K}+\frac{4}{3}\mathit{G}}{\mathit{\Delta }{\mathit{z}}_{\mathit{m}\mathit{i}\mathit{n}}}\right)$

式(2)中:K和G分别为邻接单元的体积模量和剪切模量,Pa;Δz_min为邻接单元在法向方向上的最大长度,m。

假设土层与隧道管片之间无黏结作用,接触面黏聚力可设置为0,接触面法向抗拉强度和摩擦角取值见文献[12],如表3所示。

3 模拟流程与模拟方案

3.1 模拟流程

为了模拟地下水位回升对地铁盾构隧道结构的影响,本文的模拟过程可分为4个阶段,如图4所示。

阶段1:初始状态。首先,计算重力作用下模型的初始地应力场,各地层参数如表1所示。然后,关闭模型力学计算模式,以2008年地铁建设阶段的水位埋深(24 m)为初始水位高度,控制模型底部水压,打开流体计算模式,使模型内部达到渗流平衡,生成模型初始孔隙水压场。

阶段2:隧道开挖。初始应力场和孔隙水压场形成后,使模型节点位移、速度清零。根据管片的实际宽度,进行分段开挖,模拟盾构隧道真实开挖过程。由于开挖时的地下水位低于隧道拱底,可忽略隧道开挖过程中的渗流作用,仅打开力学计算模式。

阶段3:施加地表荷载。隧道开挖完成后,将计算模型的节点位移、速度再次清零。为考虑地表荷载的影响,在模型顶部施加等效的均布荷载以模拟地表的车辆荷载、人行荷载以及建筑物荷载。根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012),在模型地表施加45 kPa的平均压应力来表示地表荷载。

阶段4:地下水位回升模拟。根据地下水位的监测数据,模拟2019—2025年的地下水位的回升过程。由于隧道穿越的地层为卵石层,与黏性土层^[15]相比,砂卵石土等粗颗粒土体具有颗粒间黏聚力小、孔隙率大等特点,其持水能力弱,渗透性极强^[16-18]。因此,采用水土分算模式进行模拟。具体如下:首先,打开模型流体计算模式,关闭力学计算模式,改变模型内部孔隙水压大小,计算至渗流平衡;然后,关闭流体计算模式,打开力学计算模式,计算渗流平衡后模型的力学响应,如图5所示。

其中,渗流平衡的判断依据如下:根据水位自由面处网格单元的实时孔隙水压力变化差值作为渗流计算平衡的判别依据。在迭代计算过程中,为了保证计算效率,每迭代100步后获取该单元的孔隙水压力值。当相邻两次孔隙水压变化值小于0.1 Pa时,判断模型渗流计算达到平衡。

3.2 模拟方案

由图1可知,2019—2025年研究区段的地下水位持续上升,由隧道拱底下方逐渐回升至隧道拱顶上方。为模拟2019—2025年地下水位回升对地铁隧道管片的影响,设计了7种模拟工况,如表4所示。

4 模拟结果分析

4.1 隧道整体位移

2019年与2025年地铁隧道整体的竖向位移云图如图6所示。由图6可知,对于隧道拱顶,2019年与2025年的隧道最大竖向位移依次为-36.9 mm以及27 mm;对于隧道拱底,2019年与2025年的最大竖向位移依次为-34.3 mm以及27.8 mm。这表明随着地下水位升高,隧道整体出现了明显抬升。

进一步,提取了隧道中部管片拱底和拱顶的最大竖向位移,如图7所示。其中,该管片距离模型左边界44.1 m,埋深为11.1 m。可知,2021—2022年和2023—2024年该管片的上浮位移较大。

由图1可知,2021—2022年和2023—2024年地下水位回升的幅度较大。因此,隧道(管片)的上浮位移与地下水位回升的幅度呈正相关。

4.2 隧道管片变形

为了监测管片的变形,提取了从施工完成到地下水位上升过程中隧道中部管片水平与竖直向的变形,如图8所示。可知,施工完成后至今,管片的变形可分为3个阶段。

(1)阶段1:隧道施工完成至2021年。隧道施工完成后,在上覆荷载、地层抗力以及侧向土压力的共同作用下,管片呈“横椭圆”变形,即隧道水平向表现为拉伸,竖直向表现为压缩,其中水平向变形为1.81 mm,竖直向变形为-1.99 mm。直到2021年,管片的变形几乎没有变化,此时地下水位回升并未对管片的变形产生影响。

(2)阶段2:2021—2023年。在此期间,地下水位继续上升但仍在隧道拱底以下。随着地下水位逐渐接近隧道拱底,拱底上浮趋势增强,拱顶下沉风险加大,导致衬砌的弯矩和轴力发生了变化,从而导致隧道管片继续产生变形。

(3)阶段3:2023—2025年。在此期间,该管片水平向出现明显收缩,竖直向出现明显回弹。截止到2025年,该管片水平向变形为0.69 mm,竖直向变形为-0.95 mm,且变形速率较快。原因如下:2023—2025年,地下水位由隧道拱底回升至隧道拱腰,进一步回升至隧道拱顶以上。地下水位回升改变了隧道结构原有的受力分布,管片的侧向水压力明显增大,导致管片水平向变形总体表现为收缩趋势,竖直向呈回弹趋势。

4.3 隧道管片孔隙水压力

由图1可知,2024年前地下水位处于隧道拱以下,隧道几乎处于无水环境中,其孔隙水压力可暂不考虑。图9为2024年与2025年隧道管片外壁孔隙水压力分布云图。

由图9可知,隧道管片拱底外壁的孔隙水压力最大,隧道管片拱顶外壁的孔隙水压力最小,且随着地下水位的升高,管片所受的孔隙水压力值逐渐增大。

进一步,提取了计算模型中部隧道管片孔隙水压力的变化情况,如图10所示。可知,2019—2023年,隧道管片处于无水环境中,管片外壁不存在孔隙水压力的作用。随着2024年地下水位逐渐回升至隧道管片拱腰附近,管片拱底和拱腰外壁的孔隙水压力明显增大,拱顶处仍不受孔隙水压力影响,如图10(a)所示。随着地下水位继续回升,2025年地下水位已经超过隧道结构的拱顶,管片外壁四周的孔隙水压力同步增大,如图10(b)所示。与2023年相比,管片拱顶、拱底以及拱腰处的孔隙水压力依次增加了23.56、75.84、49.42 kPa。

4.4 隧道管片弯矩

隧道2019年以及2025年的弯矩云图如图11所示,其中正弯矩表现为管片内壁受拉。由模拟结果可知,隧道管片拱顶、拱底一直处于受拉状态,而拱腰一直处于受压状态。

进一步,提取了隧道中部管片弯矩的分布曲线,如图12所示。可知,随着地下水位的回升,管片弯矩变化较小。原因为:与隧道管片所受的上覆压力相比,水位上升后隧道管片的孔隙水压力相对较小,进而对管片内部弯矩分布的影响较小。

为了进一步观察隧道管片弯矩的变化,分析了2019—2025年隧道中部管片在拱顶、拱底与拱腰等不同位置处的弯矩变化情况,如图13所示。可知,当地下水位处于隧道拱底以下时,地下水位的回升对管片弯矩的影响相对有限;2023—2025年隧道弯矩变化较2019—2022年幅度较大,当地下水位继续回升至隧道拱腰附近时,隧道拱顶、拱底的正弯矩减小,而拱腰的负弯矩增大。随着水位继续回升至拱腰以上区域,管片不同位置(拱顶、拱腰、拱底)处的弯矩仍然保持着绝对值减小的变化趋势。

4.5 隧道管片轴力

由图14可知,2019—2023年管片的轴力变化较小,各部分受力均表现为压力,且管片拱顶、拱底处压力较小,而拱腰处压力较大。当2024年地下水位高于隧道拱底之后,管片拱底和拱腰处所受压力增大,导致管片的轴力增大。当2025年地下水位高于隧道拱顶后,管片整体的轴力继续增大,且管片的轴力分布变得更加均匀。

隧道中部管片拱顶、拱底和拱腰处的轴力随时间的变化曲线如图15所示。

由图15可知,管片不同位置处的轴力随地下水位回升均表现出增大的趋势。具体如下:2019年管片拱腰处的轴力为532 kN,至2023年轴力略微减小至530 kN,随后显著增大,2025年轴力增大至555 kN。管片拱底和拱顶处轴力绝对值演化规律与拱腰一致,于2025年达到最大值,分别为501 kN和458 kN。相比于2019年,2025年管片拱顶、拱底和拱腰轴力依次增大了48.9、76.3、23.2 kN。

5 结论

以北京地铁10号线公主坟至西钓鱼台盾构隧道区段为例,对2019—2025年地下水位回升对地铁盾构隧道的整体位移、管片变形、管片孔隙水压力、管片弯矩以及管片轴力的影响展开了模拟研究。得到的结论具体如下。

(1)随着地下水位的回升,2019年隧道沿线拱顶和拱底的最大竖向位移依次为-36.9 mm和-34.3 mm,2025年隧道拱顶和拱底的最大竖向位移为27 mm和27.8 mm,表明隧道整体呈现出向上的位移趋势。其中,2021—2022年和2023—2024年隧道的上浮位移较大,这与地下水位回升的幅度呈正相关。

(2)隧道施工完成后,在上覆荷载、侧向土压力以及地层抗力的作用下,管片呈“横椭圆”变形,即隧道水平向表现为拉伸,竖直向表现为压缩。随着地下水位接近隧道拱底,拱底上浮趋势增强,拱顶下沉风险加大,使管片的弯矩和轴力发生了变化,导致隧道管片继续产生变形。当地下水位由隧道拱底回升至隧道拱腰,继而回升至隧道拱顶以上时,地下水位回升改变了隧道结构的受力分布,管片的侧向水压力明显增大,导致管片水平向变形总体表现为收缩趋势,竖直向呈回弹趋势。

(3)随着地下水位的回升,隧道中部管片的拱顶、拱底一直处于受拉状态(正弯矩),而拱腰一直处于受压状态(负弯矩)。当地下水位回升至隧道拱腰附近时,隧道拱顶、拱底的正弯矩减小,拱腰的负弯矩增大。随着水位继续回升,管片不同位置处的弯矩保持着绝对值减小的变化趋势,但变化不大。

(4)随着地下水位的回升,隧道拱顶、拱底处轴力较小,拱腰处轴力较大。当地下水位高于隧道拱底之后,管片拱底和拱腰处的轴力均增大。地下水位高于隧道拱顶后,管片整体的轴力均增大且管片受力更加均匀。

综上可知,地下水位抬升会导致隧道出现整体上浮,隧道结构的弯矩和轴力也会变化,导致管片产生变形。隧道的上覆和管片的变形可能会导致隧道出现错台、开裂以及渗水等问题,需予以重视。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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