上硬下軟地層盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)力分析

趙明華　毛韜　牛浩懿　劉猛

摘要：極限支護(hù)力是保證盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù).但目前鮮有學(xué)者研究上硬下軟地層中盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)力的現(xiàn)狀.本文基于極限平衡法和筒倉理論，假設(shè)破壞面為折線，建立了適用于該地層的盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)力計算模型，并得到其計算公式；進(jìn)而對該地層模型進(jìn)行數(shù)值模擬.結(jié)果表明，與不考慮地層分層的傳統(tǒng)方法相比較，本文方法與數(shù)值計算結(jié)果更為吻合，證明了當(dāng)開挖面橫跨上硬下軟地層時考慮分層的必要性.在此基礎(chǔ)上，對埋深、上下土層厚度及土體強度指標(biāo)等參數(shù)對極限支護(hù)力的影響進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：當(dāng)上下地層土質(zhì)不同時，考慮分層與否所得的極限支護(hù)力差異較大.因此，上硬下軟地層不能等同于均質(zhì)土層，在工程實踐中需予以考慮.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；上硬下軟地層；極限支護(hù)力；筒倉理論；極限平衡；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Limit support pressure is a key parameter to keep the stability of the excavation face in shield tunnel excavation， but there has been little research on the limit supporting force of tunnel excavation face for shield machine in upperhard lowersoft ground. Based on the limit equilibrium method， silo theory and hypothesis of sliding surface being a broken line， the limit supporting force calculation model and formula of excavation face for shield tunnel in upperhard lowersoft ground were established. To check the rationality of the model and the necessity of considering layers， comparative numerical analyses were conducted. The agreement between the two methods is very good. The effect of buried depth， thickness of upper and lower soil layer， cohesion and internal friction angle on limit support force was analyzed. It shows that the results are different when considering layered or not when the layer is uneven. Therefore， it cannot be equated with homogeneous soil， which should be considered in engineering practice.

Key words： shield tunnel； upperhard lowersoft ground； limit support force； silo theory； the limit equilibrium； numerical simulation

隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，盾構(gòu)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[1]，同時也成為巖土工程界研究的熱點；而極限支護(hù)力作為保證盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)，關(guān)于其理論計算方法的研究得到了學(xué)術(shù)界的持續(xù)關(guān)注[2-13].

目前，對極限支護(hù)力的計算方法主要有極限平衡法[2-11]和極限分析法[12-13].

其中極限平衡法，由于其概念明確，計算便捷，易推廣，受到工程技術(shù)人員的青睞.目前，應(yīng)用最為廣泛的是基于筒倉理論[2]的楔形體模型，假設(shè)合理，較之后者計算簡易，更為工程技術(shù)人員所認(rèn)可.筒倉理論[2]認(rèn)為隧道開挖時前方土體由下方滑動體及上方土柱體共同組成.Horn[3]基于筒倉理論[2]提出了三維楔形體計算模型的概念.Jaucsccz[4]在Horn[3]的基礎(chǔ)上，假設(shè)地層均勻，分析了上覆土的松動效應(yīng)對極限支護(hù)力的影響.秦建設(shè)[5]結(jié)合前人[2-4]成果得到適用于均質(zhì)土層的極限支護(hù)力表達(dá)式.日本Fujita[6]基于楔形體模型提出二維對數(shù)螺旋線模型，避免了三維楔形體模型復(fù)雜的計算.喬金麗[7]給出考慮滲流影響的支護(hù)力表達(dá)式.雷明鋒[8]引入線路坡度，得到了不同坡度下極限支護(hù)力的大小.陳仁朋[9]將三維楔形體模型應(yīng)用于開挖面發(fā)生破壞時地表可能發(fā)生隆起的情況，拓展了筒倉理論的應(yīng)用范圍.上述研究均針對均質(zhì)土層，而實際工程中時常穿越上下層土質(zhì)各異的復(fù)雜地層，劉棟[10]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到了上軟下硬地層中的開挖面主要在上層土體發(fā)生破壞的結(jié)論，并提出了適用于復(fù)合地層的計算模型，但未給出具體計算表達(dá)式.陳強[11]根據(jù)其數(shù)值結(jié)論，建立了適用于該地層條件的局部楔形體模型，假定開挖面僅在上層土質(zhì)較差土體發(fā)生破壞，即滑動破裂面僅跨越上層土質(zhì)相對較差土體；既而得到相應(yīng)計算公式，并分析了上層土體對支護(hù)力的影響.而對于盾構(gòu)隧道跨越上硬下軟地層開挖面極限支護(hù)力鮮有針對性研究，傳統(tǒng)楔形體模型對此采用滑動面為直線的單滑體，僅以上下層土體強度指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)等效計算，該法是否合理值得商榷.

本文在前人基礎(chǔ)上，考慮地層的成層不均性，提出適用于上硬下軟地層條件下的模型并得到極限支護(hù)力公式，將其與數(shù)值結(jié)果相對比，驗證該方法的合理性；并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較.最后進(jìn)行參數(shù)分析，得到有益結(jié)論，以期進(jìn)一步完善盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)力計算理論.

1建立理論模型

1.1基本假設(shè)

不同于文獻(xiàn)[11]所假設(shè)的當(dāng)隧道經(jīng)過上軟下硬地層時，開挖面僅在上層軟土發(fā)生局部破壞，滑動面僅跨越上層，其滑動形態(tài)為直線，現(xiàn)將傳統(tǒng)的適用于均質(zhì)土層的楔形體模型進(jìn)行改進(jìn)，基于極限平衡法，建立本文的計算模型，結(jié)合前人研究成果，為適應(yīng)開挖面土層上硬下軟的情況，本文假設(shè)開挖面發(fā)生整體破壞，滑動面跨越隧道穿越的上下兩個地層；并對傳統(tǒng)的筒倉模型進(jìn)行改進(jìn)，取開挖面土體的滑動面為折線，滑體分為上下兩個楔形體[10]，滑動面與水平面所成夾角的大小與土體的內(nèi)摩擦角有關(guān)，符合q=45o+φ/2[5].

根據(jù)筒倉理論[2]并結(jié)合上述分析，計算模型如圖1所示，abhg為隧道開挖面，klmn為地表，abhgijef為隧道開挖面失穩(wěn)時的下滑土體，bfjh，aeig和abfjie為滑動面，klmnghji為下滑土體abhgijef所帶動的上部下沉土體，θ1與θ2分別為下、上土層的破壞角，D1和D2分別下、上土層的厚度.

結(jié)合傳統(tǒng)筒倉理論[2]基本假定，改進(jìn)后模型的基本假定如下：

1） 各層土體是各向同性的，滑裂面上的土體符合摩爾庫侖準(zhǔn)則；

2） 矩形abhg的面積等于盾構(gòu)開挖面的面積；

3） 楔形體頂面及傾斜滑動面應(yīng)力均勻分布；

4） 不考慮楔形塊內(nèi)部的應(yīng)力分布.

2數(shù)值模擬

2.1基本假設(shè)

本文基于ADINA數(shù)值計算軟件進(jìn)行盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性數(shù)值模擬，結(jié)合前人研究成果[16-20]，為提高運算效率，在進(jìn)行有限元分析計算時，作如下假定：

1） 同一地層土體為各向同性材料，符合摩爾庫侖強度準(zhǔn)則；

2） 不考慮地下水的作用.

2.2計算模型

以文獻(xiàn)[16]所述盾構(gòu)施工時常穿越上硬下軟地層為工程背景.據(jù)此建立計算模型，如圖5所示，土層從上往下依次為雜填土、淤泥質(zhì)土、中密狀殘積層和洪積層軟土層4個土層，隧道跨越不同土層.材料計算參數(shù)如表1所示.

2.3數(shù)值計算結(jié)果

根據(jù)上述情況，本文所建模型共由24 185個節(jié)點組成，分為22 100個單元，其中土體單元為22 000個，采用三維八節(jié)點模擬.為觀察開挖面穩(wěn)定狀態(tài)的演化過程，在開挖面施加與原始地應(yīng)力大小相同的支護(hù)力，逐漸減小支護(hù)壓力，同時記錄開挖面前方土體的水平位移變化.

圖6則分別為支護(hù)應(yīng)力比λ為0.80和0.15時開挖面水平位移圖.結(jié)合圖6，圖7可知，開挖面支護(hù)力的大小影響隧道周圍土體的變形，當(dāng)支護(hù)力小于原始靜止土壓力時，開挖面前方土體將向盾構(gòu)壓力倉內(nèi)移動，隨著支護(hù)應(yīng)力的減少，開挖面中心點的位移逐漸增大，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力比為0.15時，測點水平位移急劇增大，開挖面支護(hù)力為37.37 kPa，根據(jù)前人研究成果[20]，將該支護(hù)力定義為極限支護(hù)力.

3模型驗證

為證明對開挖面分層的必要性，同時驗證由本文模型的正確性與合理性，現(xiàn)將各方法所得到的極限支護(hù)力進(jìn)行比較，其中，當(dāng)D1=D，D2=0，且土體強度指標(biāo)采用上下層加權(quán)平均值時，則退化為不考慮分層的方法；比較結(jié)果如表2所示.

通過表2可知，數(shù)值模擬與本文方法所得結(jié)果較傳統(tǒng)方法更為吻合，表明該方法的正確性與本文假設(shè)滑體分為上下兩個楔形體的合理性，同時說明了當(dāng)開挖面遭遇上硬下軟的復(fù)合地層時，考慮破壞面的分層是有必要的.

由文獻(xiàn)[11]參考方法可知，所得結(jié)果與數(shù)值模擬以及本文推薦方法差異較大，且通過觀察數(shù)值模擬云圖結(jié)果，可知開挖面橫跨上下兩個土層，而不僅僅在上土層發(fā)生破壞，由此說明了應(yīng)用該法在分析此種工況時的不恰當(dāng)性.

4參數(shù)分析

為進(jìn)一步分析埋深、開挖面土層厚度以及土體強度指標(biāo)對極限支護(hù)力的影響，以上述工程參數(shù)為基礎(chǔ)，作如下參數(shù)分析.

4.1黏聚力c

由圖8可知，黏聚力一定時，極限支護(hù)力隨埋深增加而增大，但增長速率逐漸減緩；當(dāng)埋深增長到一定程度時，極限支護(hù)力將不再增長.

由圖9可知，當(dāng)上下土層內(nèi)摩擦角相等時，若黏聚力比值不大，兩種方法所得結(jié)果接近；隨著比值增大，曲線出現(xiàn)分離；此時不考慮分層算法較本文考慮分層的方法結(jié)果偏大.

由圖10可知，在厚度比一定時，支護(hù)力隨黏聚力呈近似線性增長；隨著黏聚力比增大而出現(xiàn)非線性增長.

4.3對比分析

將圖13，圖15與圖9，圖11分別進(jìn)行對比，可知支護(hù)力對內(nèi)摩擦角的敏感程度較黏聚力要大，筆者認(rèn)為，這是由復(fù)合地層中楔形體滑動面的破壞機理所決定的.黏聚力對考慮分層與否所造成的差異，體現(xiàn)在不考慮分層算法以土體加權(quán)平均值來簡單考慮地層的成層性，而內(nèi)摩擦角則還將影響到滑動面行程.不考慮分層算法所得結(jié)果偏大，主要原因是其采用的直線滑裂面模型在滑動行程上短于考慮分層算法所采用的折線滑裂面模型，從而低估了開挖面的強度.

5結(jié)語

1） 本文基于筒倉理論和極限平衡法，提出適用于上硬下軟地層的計算模型并得到極限支護(hù)力表達(dá)式.本文方法計算結(jié)果與數(shù)值結(jié)果相對吻合，說明以適用于上軟下硬地層的局部楔形體模型與適用于均質(zhì)土層的直線滑動面楔形體模型來分析上硬下軟地層中的開挖面極限支護(hù)力并不合適，同時也表明了本文假定的整體破壞模型和滑體分為上下兩個楔形體的合理性.

2） 極限支護(hù)力隨埋深增大而增大，但增大到一定程度時將不再增長.而地層情況較均勻，土體強度參數(shù)差異不大時，考慮分層與否所得結(jié)果較為吻合；但在上下地層土體強度指標(biāo)相差較大時，其結(jié)果差異較大.

3） 本文方法所假設(shè)模型尚未考慮地下滲流和線路坡度對支護(hù)力的影響，因此，對盾構(gòu)開挖面極限支護(hù)力的研究有待進(jìn)一步探討.

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)寶樹.地下工程[M].北京：高等教育出版社，2006：185-187.

GUAN Baoshu. The underground engineering[M]. Beijing： Higher Education Press， 2006：185-187. （In Chinese）

[2]JANSSEN H A. Versuche fiber getreidedruck in silozellen[J]. Zcitschrift des Vereins Dcutscher Ingenieure， 1895，39（35）： 1045-1049.

[3]HORN M. Horizontal earth pressure on perpendicular tunnel face[C]//Proceedings of the Hungarian National Conference of the FoundationEngineer Industry， Hungarian： Budapest， 1961：7-16.

[4]JANCSECZ S， STEINER W. Face support for a largemixshield in heterogeneous ground conditions[C]//Proceedings of Tunnelling 94. London， Chapman and Hall， 1994：531-549.

[5]秦建設(shè).盾構(gòu)施工開挖面變形與破壞機理研究[D].南京：河海大學(xué)土木工程學(xué)院，2005：85-86.

QIN Jianshe. Study on deformation and failure mechanism and the face shield excavation[D]. Nanjing： Civil Engineering College， Hohai University，2005：85-86. （In Chinese）

[6]FUJITA K Kusakabe. Underground construction in soft ground[M]. Rotterdam：Balkema A A， 1995：337-343.

[7]喬金麗，張義同，高健.考慮滲流的多層土盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)， 2010，31（5） ：1497-1502.

QIAO Jinli， ZHANG Yitong， GAO Jian. Tability analysis of shield tunnel face in multilayer soil with seepage[J]. Rock and Soil Mechanics， 2010，31（5）：1497-1502. （In Chinese）

[8]雷明鋒，彭立敏，施成華，等.迎坡條件下盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)力計算與分析[J].巖土工程學(xué)報，2010，32（3） ：488-492.

LEI Mingfeng， PENG Limin， SHI Chenghua， et al. Calculation and analysis of limit support force of shield tunnel excavation face under facingslope conditions[J]. Eotechnical Engineering， 2010，32（3）：488-492. （In Chinese）

[9]陳仁朋，齊立志，湯旅軍，等.砂土地層盾構(gòu)隧道開挖面被動破壞極限支護(hù)力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（1）：2877-2882.

CHEN Renpeng， QI Lizhi， TANG Lvjun，et al. Sand formation of shield tunnel excavation face passive failure limit supporting force [J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013，32（1）： 2877-2882. （In Chinese）

[10]劉棟.復(fù)合地層中土壓盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性研究[D].武漢：華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，2009：29-51.

LIU Dong. Study on stability of tunnel excavation face for EBP shield machine in composite ground[D]. Wuhan： Civil Engineering and Mechanics College， Huazhong University of Science and Technology，2009：29-51. （In Chinese）

[11]陳強.上軟下硬地層中盾構(gòu)隧道開挖面支護(hù)壓力研究[D].武漢：華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，2010：16-18.

CHEN Qiang. Study on support pressure at excavation face of shield tunneling in composite ground with soft and underlying hard strata[D]. Wuhan： Civil Engineering and Mechanics College， Huazhong University of Science and Technology，2010：16-18.（In Chinese）

[12]楊峰，陽軍生，張學(xué)民，等.黏土不排水條件下淺埋隧道穩(wěn)定性上限有限元分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（2）：3952-3959.

YANG Feng， YANG Junsheng， ZHANG Xuemin， et al. Finite element analysis of upper bound solution of shallowburied tunnel stability in undrained clay[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2010，29（2）：3952-3959. （In Chinese）

[13]呂璽琳，王浩然.軟土盾構(gòu)隧道開挖面支護(hù)壓力極限上限解[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（2） ：65-69.

LV Xilin， WANG Haoran. Upper bound solution of the limit support pressure during shield tunneling in soft clay[J]. Civil and Environmental Engineering， 2011，33（2）：65-69. （In Chinese）

[14]TERZAGHI K. Theoretical soil mechanics[M]. New York： John Wiley and Sons，1943： 66-76.

[15]SCHMIDT B.Discussion on ‘Earth pressure at rest related to stress history[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1996，3（4）：239-242.

[16]權(quán)永華.上硬下軟地層盾構(gòu)施工[J].城市建設(shè)理論研究， 2011，1（36） ：121-123.

QUAN Yonghua. Hard on the soft stratum of shield construction[J]. Urban Construction Theory Research， 2011，1（36）：121-123. （In Chinese）

[17]張如林，樓夢麟，袁勇.土海底沉管隧道體系三維地震響應(yīng)分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，41（4）：25-32.

ZHANG Rulin， LOU Menglin， YUAN Yong. Threedimensional seismic respones analysis of soilundersea immersed esponse analysis tunnel system[J].Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2014， 41（4）：25-32. （In Chinese）

[18]喬金麗，張義同，高健，等.強度折減法在盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].天津大學(xué)學(xué)報，2010，43（1）：14-20.

QIAO Jinlin，ZAHNG Yitong，GAO Jian，et al. Application of strength reduction method to stability analysis of shield tunnel excavation[J]. Journal of Tianjin University， 2010，43（1）：14-20. （In Chinese）

[19]蘇永華， 毛克明， 梁斌，等. 基于峰后特征的深部隧道圍巖分層斷裂數(shù)值分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2014， 41（9）：79-85.

SU Yonghua， MAO Keming， LIANG Bin， et al. Numerical analysis of the layered fracture within surrounding rock in deep tunnel based on postbrittleness[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2014，41（9）：79-85. （In Chinese）

[20]秦建設(shè)，尤愛菊.盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定數(shù)值模擬研究[J].礦山壓力與頂板管理，2005，22（1） ：27-30.

QIN Jianshe， YOU Aiju. Numerical simulation of stability of tunnel excavation face for shield machine[J]. Mine Pressure and Roof Management， 2005，22（1）：27-30. （In Chinese）