復雜地層超大直徑盾構(gòu)隧道掘進面穩(wěn)定性分析

□文/范永利 張樹建 喬金麗 任澤民

復雜地層超大直徑盾構(gòu)隧道掘進面穩(wěn)定性分析

□文/范永利 張樹建 喬金麗 任澤民

以世界第一超大直徑，具有穿越復合土層，高水壓作用等難點的上海長江隧道為工程背景，利用數(shù)值模擬對盾構(gòu)隧道掘進面的滲流效應進行了分析，探討了地下水滲流效應對掘進面穩(wěn)定的影響，分析了地下水作用下支護壓力與掘進面變形的關(guān)系。根據(jù)穩(wěn)定性理論的基本原理，確定了掘進面極限支護壓力。極限支護壓力的確定為設(shè)計和施工中掘進面最小支撐力的確定以及防止掘進面坍塌所需支護提供了依據(jù)。通過滲流作用效應的影響比較發(fā)現(xiàn)：滲流力構(gòu)成了總支護力的主要部分，地下水的存在對隧道開挖面穩(wěn)定產(chǎn)生很不利影響，是不可忽視的。

復雜地層；超大直徑；掘進面；穩(wěn)定性；盾構(gòu)；隧道

滲流作用下大直徑、穿越復合土層的盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性成為該領(lǐng)域復雜而又重要的課題。盾構(gòu)施工時地層變形的主要原因在于掌子面推進力的控制是否與其土壓力保持平衡，如推進力過大形成反向土壓力，地表隆起；若土壓力過小又會造成地表沉降過大，因此，開挖面穩(wěn)定對盾構(gòu)隧道施工過程具有十分重要的作用。開挖面支護壓力大小的控制應該保證不至于壓力過低發(fā)生開挖面坍塌，同時又不能壓力過大而發(fā)生隆起破壞，因此目前開挖面支護壓力研究中很大部分研究側(cè)重于開挖面極限支護壓力的確定。

對多層土盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性的滲流分析甚少。本文基于滲流理論，利用有限差分數(shù)值方法對盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性進行分析。探討了滲流作用效應時，孔隙水壓力的存在對盾構(gòu)隧道開挖面的塑性狀態(tài)、應力、位移及其大小的影響，并根據(jù)穩(wěn)定性理論的基本原理，把由于開挖面支護壓力的微小變化導致開挖面中心點水平位移突變時的支護壓力定為極限支護壓力并得到其值。

1　滲流分析原理

在求解孔隙水壓力的差分方程中引入應力分析的變形結(jié)果，將不同的時步交替分配給程序作滲流分析和應力分析，從而反映滲流關(guān)系。求得滲流場內(nèi)各點的孔隙壓力值后，再根據(jù)有效應力原理計算滲流域各單元的有效應力。在計算過程中，將巖體視作等效連續(xù)介質(zhì)，流體在介質(zhì)中的流動依據(jù)達西定律。

1.1運動方程

流體的運動用達西定律來描述，對于均質(zhì)、各向同性固體和常密度流體的情況，滲透介質(zhì)的達西定律為

式中：qi為滲流量；k為介質(zhì)的滲透系數(shù)；p為壓力；ρw為水密度；i為水頭梯度；xj為的距離梯度；gi為重量加速度的分量。

1.2連續(xù)性方程

飽和土體穩(wěn)定滲流基本方程為

式中：kx、ky、kz為x、y、z方向的滲透系數(shù)；h為某點的水頭。

1.3相容方程

應變率和速度梯度之間的關(guān)系為

2　復雜地層超大直徑盾構(gòu)隧道掘進面滲流分析

2.1工程概況

上海長江隧道工程為世界第一超大直徑的隧道，直徑為15m，具有穿越復合土層，高水壓作用等難點，是連接上海市區(qū)和崇明的高速公路通道，是我國沿海大通道的重要組成部分。長江隧橋工程總長25.5 km，采用隧道形式穿越長江南港后，連接浦東和長興島。文中根據(jù)實測資料選取了代表性斷面K2+373作為研究對象，該斷面位于長江水底。材料參數(shù)見表1。

表1　計算材料參數(shù)

2.2確定掘進面極限支護壓力的簡化

為描述掘進面支護壓力的大小，考慮到實際作用于掘進面的支護壓力為梯形荷載，取隧道掘進面中心點支護應力值來代表掘進面支護壓力大小，文中的掘進面支護壓力統(tǒng)一指掘進面中心點施加的支護壓力大小。對于掘進面支護壓力大小的表示，引入支護應力比的概念

式中：σs為掘進面中心點支護應力；σ0為隧道中心原始地層水平靜止土壓力。

2.3工程算例模型建立

考慮到地層條件的復雜及掘進面位置土層的不確性，對分析地層進行簡化，滲流分析模型見圖1，地下水位距離地表5 m。對于有地下水作用下，流體建模同力學建模并行完成。首先，執(zhí)行滲流分析，將各節(jié)點的孔隙水壓力和總水頭存儲起來；然后，通過總水頭值計算各個節(jié)點的水頭梯度值，將計算得到的滲透力作為節(jié)點力存儲起來；最后，將滲流分析得到的滲透力作為力邊界條件施加到應力分析中。確定極限支護壓力時，掘進面支護壓力先設(shè)為掘進面中心點側(cè)向靜止土壓力，然后以緩慢的速度逐漸減小，做出支護壓力比與掘進面中心點位移曲線，隨著支護比減小掘進面中心點水平位移逐漸減小，位移急劇增大時，這時的支護壓力為最小支護壓力。

圖1　滲流分析模型

計算模型見圖2，模型采用8結(jié)點的實體單元劃分網(wǎng)格，具有26035個結(jié)點，24000個單元。

圖2　網(wǎng)格及土層分布模型

3　掘進面滲流計算結(jié)果分析

在水頭差的作用下，流體可以透過土體孔隙而產(chǎn)生流動。當隧道在低于地下水位的地層中開挖時，地下水流入隧道掘進面，滲透力可能影響到隧道開挖支護與掘進面的穩(wěn)定。因此，計算作用在隧道掘進面的滲流場與應力場的耦合預測其穩(wěn)定性。

3.1掘進面極限支護壓力

考慮滲流作用時極限支護壓力比為0.785，極限支護壓力為235.35 kPa；不考慮滲流作用時極限支護壓力比為0.19，極限支護壓力為40.338kPa。滲流力占總極限支護力的82.86%，構(gòu)成了總支護力的主要部分，不容忽視。

3.2滲流對開挖面的影響

表2是在支護壓力比為0.785時的計算結(jié)果，可以看出，由于受流固耦合的影響程度不同，位移和應力的變化也有所不同，但其等值線的形狀有相似的規(guī)律性。位移增大的很多，最大水平位移增大了60.57%，最大豎直位移增大了40.02%；滲流對隧道周圍單元的應力分布狀態(tài)較為不利，單元的壓應力減小達到了19.86%，而拉應力增大達到了42.04%，應力變化相對位移變化不太大，但是開挖面處應力出現(xiàn)集中，對開挖面的應力分布較為不利，使得單元更容易達到剪切破壞，開挖面變得更不穩(wěn)定。

表2　有滲流和無滲流情況下的最大位移和應力

3.3孔隙水壓力對開挖面附近塑性區(qū)的影響

由圖3和圖4可以看出.支護壓力比都為0.785時有滲流作用時的隧道開挖面塑性區(qū)范圍很大，竟擴展達開挖面前方20 m左右，趨于坍塌，需要馬上支護；相反，無滲流作用時的隧道相對很穩(wěn)定，開挖面前進入的塑性區(qū)的區(qū)域很少。

圖3　有滲流作用下塑性區(qū)

圖4　無滲流作用下塑性區(qū)

4　結(jié)語

1）以上海長江隧道為工程背景，基于滲流理論，利用有限差分數(shù)值方法分析了滲流作用下支護壓力和開挖面變形以及應力的關(guān)系。有滲流和沒有滲流作用下的位移場、應力場的差別是很大的，但是具有共同的自身變化規(guī)律性。

2）利用穩(wěn)定性理論，確定開挖面支護壓力在進行微小變化時，開挖面中心點水平位移急劇增大，位移發(fā)生突變時的支護壓力為極限支護壓力，為工程上確定開挖面的支護壓力提供了依據(jù)。保證隧道開挖面穩(wěn)定的極限支護壓力等于作用于開挖面的有效支護壓力和滲透力的總和。

3）通過對孔隙水壓力的存在對盾構(gòu)隧道開挖面的塑性狀態(tài)、應力、位移及其大小影響的比較研究發(fā)現(xiàn)：滲流力構(gòu)成了總支護力的主要部分，滲流效應對隧道開挖面穩(wěn)定產(chǎn)生很不利影響，是不可忽視的。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.022

□張樹建/天津市公路工程總公司。

□喬金麗/河北工業(yè)大學土木工程學院。

□任澤民/河北工業(yè)大學校園規(guī)劃處。

□U455

□C

□1008-3197（2015）04-54-03

□2015-06-5

□范永利/男，1978年出生，工程師，天津君勝商品混凝土有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。