南京緯三路過(guò)江通道泥水盾構(gòu)帶壓開(kāi)艙開(kāi)挖面最小支護(hù)壓力確定

吳忠善，鐘小春，楊釗，楊擎

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境造成的影響與開(kāi)挖面穩(wěn)定程度密切相關(guān)。施工中，開(kāi)挖面的穩(wěn)定是通過(guò)壓力艙的支護(hù)應(yīng)力得以實(shí)現(xiàn)的，開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力過(guò)大將造成地表隆起破壞，而壓力過(guò)小，容易導(dǎo)致地表沉陷甚至坍塌。在城市隧道工程中，由于開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力不當(dāng)造成的開(kāi)挖面坍塌事故多次出現(xiàn)[1-2]。

為此，很多學(xué)者采用多種研究方法開(kāi)展這方面的研究。應(yīng)用離心模型試驗(yàn)，通過(guò)增大加速度的辦法，可以將試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力還原到實(shí)際地層中的應(yīng)力狀態(tài)，較好地還原了盾構(gòu)穩(wěn)定性狀態(tài)[3-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算可模擬盾構(gòu)隧道施工的復(fù)雜工程，從而為盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定問(wèn)題的研究提供便利，但其存在輸入數(shù)據(jù)及計(jì)算參數(shù)的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大這一不利因素（這也是目前數(shù)值分析應(yīng)用于巖土工程中存在的一個(gè)共同問(wèn)題），有學(xué)者建議通過(guò)下述方法在一定程度上克服這一缺陷[5-6]：利用模型試驗(yàn)?zāi)M簡(jiǎn)單的理想隧道開(kāi)挖→應(yīng)用數(shù)值模擬研究同樣的問(wèn)題從而對(duì)數(shù)值計(jì)算參數(shù)的確定進(jìn)行標(biāo)定→建立新的數(shù)值模型，模擬復(fù)雜的實(shí)際隧道開(kāi)挖過(guò)程。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)最大的泥水盾構(gòu)穿越長(zhǎng)江帶壓進(jìn)艙作業(yè)情況，如何確保開(kāi)挖面穩(wěn)定的情況下，盡可能降低開(kāi)挖面的支護(hù)壓力，確保進(jìn)艙維修人員安全，是一項(xiàng)關(guān)系到開(kāi)挖能否成功的關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)建立數(shù)值分析模型，開(kāi)展了高水壓條件下的三維計(jì)算分析，并將計(jì)算成果與實(shí)驗(yàn)總結(jié)的成果進(jìn)行了分析。

1 工程簡(jiǎn)介及開(kāi)艙位置地質(zhì)條件

南京緯三路過(guò)江通道工程位于南京長(zhǎng)江大橋與緯七路南京長(zhǎng)江隧道之間，下距長(zhǎng)江大橋約4.9 km，上距南京長(zhǎng)江隧道約4.7 km。該工程盾構(gòu)段隧道設(shè)計(jì)為雙管隧道，北起南京浦口區(qū)頂山轉(zhuǎn)盤(pán)西側(cè)，跨越規(guī)劃中的沙子河路、江北濱江大道，以隧道形式穿越長(zhǎng)江、江南濱江大道后，南管隧道與定淮門大街順接，長(zhǎng)5 530 m（盾構(gòu)段4 134.8 m），主要承擔(dān)緯三路與浦口之間的交通聯(lián)系；北管隧道與揚(yáng)子江大道順接，長(zhǎng)4 930 m（盾構(gòu)段3 537.8 m），主要承擔(dān)揚(yáng)子江大道與浦口間的交通聯(lián)系。

南京緯三路過(guò)江通道泥水盾構(gòu)掘進(jìn)至如圖1所示的地質(zhì)條件時(shí)，掘進(jìn)遇到困難，推力不斷增大、扭矩突破了裝配扭矩，被迫停機(jī)檢查。江水至盾構(gòu)隧道中心的水壓力為0.553 MPa，江面至江底的水深為27.34 m。上覆土主要為粉細(xì)砂、粗砂、卵石和強(qiáng)風(fēng)化砂巖，主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)的土層主要是粗砂、卵石和強(qiáng)風(fēng)化砂巖，屬于強(qiáng)滲透性地層，滲透系數(shù)在10-2cm/s數(shù)量級(jí)上。為了確保泥漿壓力能夠有效支護(hù)開(kāi)挖面砂土，需要在開(kāi)挖面上形成有效、致密的泥膜。

管片混凝土等級(jí)為C50，彈性模量3.45×104MPa，管片厚度0.6 m，環(huán)寬度2.0 m，環(huán)直徑14.4 m。

2 模型的建立

圖1 某次泥水盾構(gòu)停機(jī)開(kāi)艙位置地層和江面水位示意圖（單位：m）Fig.1 Theformation and theriver water level(m)of theopening position for onceslurry shield

表1 各層土物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical property of each soil layer

根據(jù)地質(zhì)條件及與盾構(gòu)隧道位置的相對(duì)關(guān)系，運(yùn)用巖土工程數(shù)值分析軟件Plaxis3D 2012建立如圖2所示的三維計(jì)算模型，模型采用15節(jié)點(diǎn)楔形體單元。模型可以考慮不同開(kāi)挖面支護(hù)壓力作用下開(kāi)挖面的穩(wěn)定情況及江底變形情況。

圖2 盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)壓力3D計(jì)算模型Fig.2 3D model of the support pressure of shield tunnel face

計(jì)算步驟：1）盾構(gòu)從邊界一次性掘進(jìn)15 m；2）在開(kāi)挖面上施加水平支護(hù)壓力，中心壓力為地層初始土水壓力，壓力變化幅度為12 kN/m（泥漿艙中泥漿比重為1.2~1.25）；3） 逐漸降低開(kāi)挖面的支護(hù)壓力，直到開(kāi)挖面產(chǎn)生塌方破壞，求得此時(shí)的土水壓力，即為開(kāi)挖面的極限支護(hù)壓力。

作用于開(kāi)挖面的支護(hù)壓力通常為梯形荷載，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，取隧道中心點(diǎn)支護(hù)壓力值來(lái)代表開(kāi)挖面支護(hù)壓力大小，為了比較支護(hù)壓力和靜止土壓力的關(guān)系，引入支護(hù)壓力比λ進(jìn)行衡量：

式中：σs為盾構(gòu)開(kāi)挖面中心處的支護(hù)壓力；σ0為隧道中心水平靜止土壓力。

梯度為λ·K0·γ，γ為土的重度。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 三維計(jì)算結(jié)果分析

在數(shù)值模擬過(guò)程中，可得到不同支護(hù)壓力下對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖面土體位移，根據(jù)支護(hù)壓力與開(kāi)挖面土體位移關(guān)系曲線，把支護(hù)壓力的微小變化而導(dǎo)致開(kāi)挖面周圍土體位移突變的壓力定義為極限支護(hù)壓力[7-9]。

圖3為支護(hù)壓力比和開(kāi)挖面土體最大位移的關(guān)系曲線。從圖中可以看出：當(dāng)支護(hù)壓力比λ＜0.86時(shí)，該曲線發(fā)生突變，出現(xiàn)拐點(diǎn)，計(jì)算模型受力從穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)急劇變化。當(dāng)支護(hù)壓力比λ＜0.858時(shí)，計(jì)算已經(jīng)不能收斂，即便得到收斂解也不符合實(shí)際情況，因此從圖中可以得出極限支護(hù)壓力比為0.86，于是得到極限支護(hù)壓力為560.7 kPa。

圖3 開(kāi)挖面中心點(diǎn)水平位移隨支護(hù)壓力比變化規(guī)律Fig.3 Center of excavation surface horizontal displacement along with the support pressure ratio change rule

泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面中心地層土水初始?jí)毫?51.8 kPa，極限支護(hù)壓力為560.7 kPa，其中包含水壓力553 kPa，土壓力7.7 kPa。從中可以看出主要為水壓力，考慮到泥水盾構(gòu)采用泥漿壓力支護(hù)，泥漿壓力轉(zhuǎn)換為土顆粒之間的有效應(yīng)力會(huì)有一定的損失，一般工程采用以下公式確定泥漿壓力，文獻(xiàn)[9]指出：開(kāi)挖面土倉(cāng)壓力通常按下式設(shè)定：泥漿艙壓力=地下水壓+土壓+預(yù)壓。土壓力是指掘削面上的水平向的作用土壓力。計(jì)算土壓力的豎向基準(zhǔn)荷載與土質(zhì)狀況和覆蓋層厚度有關(guān)，可以是全部覆蓋土層厚度對(duì)應(yīng)的豎直土壓力，也可以是松弛土壓。其中，地下水壓力按照靜水壓力進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于黏性土地層通常是把地下水壓力計(jì)在土壓力中，即按照水土壓力合算的總應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于透水性強(qiáng)的砂類土，需要按照有效應(yīng)力法計(jì)算主動(dòng)土壓力，并與靜水壓力之和即為需要設(shè)定的土倉(cāng)壓力。預(yù)壓通常設(shè)定為20 kPa，因此為了確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定，開(kāi)挖面中心點(diǎn)的泥漿壓力應(yīng)設(shè)定為580.7 kPa。

考慮一定的安全富余量，黃正榮[8]、喬金麗[9]將強(qiáng)度折減法引入盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的數(shù)值模擬，分析了不同支護(hù)壓力比與安全系數(shù)的關(guān)系，并提出實(shí)際施工中，開(kāi)挖面支護(hù)壓力至少應(yīng)取極限支護(hù)壓力的1.1倍。由此計(jì)算得出開(kāi)挖面支護(hù)壓力為616.8 kPa。

開(kāi)挖面壓力究竟設(shè)置多少較為合適，還需要結(jié)合開(kāi)挖面安全穩(wěn)定性分析確定。如圖4所示，當(dāng)開(kāi)挖面壓力為極限支護(hù)壓力再加上20 kPa時(shí)，安全系數(shù)從1.0增加到1.93，增加幅度可觀；當(dāng)開(kāi)挖面增加到極限支護(hù)壓力的1.1倍時(shí)，開(kāi)挖面安全穩(wěn)定性繼續(xù)提高到3.38；當(dāng)開(kāi)挖面支護(hù)壓力為初始地層支護(hù)壓力時(shí)，開(kāi)挖面安全穩(wěn)定性達(dá)到4.83。開(kāi)挖面穩(wěn)定系數(shù)與隧道中心點(diǎn)支護(hù)壓力呈線性比例增長(zhǎng)。

圖4 盾構(gòu)開(kāi)挖面安全穩(wěn)定性與支護(hù)壓力的關(guān)系Fig.4 Relation between the shield tunnel excavation face stability and the support pressure

為了確保工程安全，考慮泥漿壓力的波動(dòng)和泥漿壓力轉(zhuǎn)換為開(kāi)挖面土體的有效應(yīng)力的損耗，開(kāi)挖面中心點(diǎn)的支護(hù)壓力設(shè)定在600 kPa。

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果

程展林等[10]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了土拱效應(yīng)和孔隙水壓對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響，并提出中粗砂地層中極限泥漿支護(hù)壓力公式：

式中：φ′為地基土有效內(nèi)摩擦角；u為孔隙水壓力；σv為上覆土體豎向應(yīng)力；（0.6~0.7）反映砂土地基的拱效應(yīng)。

通過(guò)計(jì)算得到開(kāi)挖面中心點(diǎn)的支護(hù)壓力為595.0 kPa，與3.1節(jié)中經(jīng)計(jì)算后推薦的支護(hù)壓力基本上一致。

3.3 工程中壓力計(jì)算方法

采用主動(dòng)土壓力方法確定盾構(gòu)開(kāi)挖面極限支護(hù)土壓力，綜合考慮隧道上覆各種土層的影響，將主動(dòng)土壓力系數(shù)定為0.314。最終確定盾構(gòu)刀盤(pán)中心點(diǎn)土壓力為0.659 MPa，遠(yuǎn)大于理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式的情況。

分析以上的土壓力設(shè)定較大的原因，主要是采用計(jì)算模式存在問(wèn)題。按照擋土墻主動(dòng)土壓力模式確定開(kāi)挖面支護(hù)壓力，沒(méi)有考慮三維拱效應(yīng)對(duì)塌落土體的支撐作用，從而計(jì)算結(jié)果明顯偏大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知：

1）盾構(gòu)開(kāi)挖面支護(hù)壓力確定是盾構(gòu)施工中一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，涉及到地面沉降甚至可能引發(fā)開(kāi)挖面塌方。

2）在粉細(xì)砂和中粗砂、卵石地層中開(kāi)挖面支護(hù)壓力可采用極限支護(hù)壓力+預(yù)壓的辦法和極限支護(hù)壓力的1.1倍來(lái)確定，通?？梢匀烧叩钠骄祦?lái)確定。

3） 目前工程中采用的計(jì)算方法概念不夠明確，因?yàn)槎軜?gòu)開(kāi)挖面失穩(wěn)的問(wèn)題是一個(gè)三維問(wèn)題，采用土力學(xué)中擋墻主動(dòng)土壓力直接計(jì)算極限支護(hù)壓力僅考慮平面問(wèn)題，其結(jié)果偏于安全。

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