南湖路湘江隧道開挖面極限支護壓力計算及影響因素研究

趙順義

（重慶工商職業(yè)學院）

南湖路湘江隧道開挖面極限支護壓力計算及影響因素研究

趙順義

（重慶工商職業(yè)學院）

本文以南湖路湘江泥水盾構(gòu)隧道為工程實例，通過ANSYS建模求解了泥水盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護壓力，并討論了不同工況參數(shù)對極限支護壓力的影響，結(jié)論如下：泥水平衡盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護壓力隨土層的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的增大而增大，土層的粘聚力c與極限支護力大致呈線性關(guān)系變化，隨著土層內(nèi)摩擦角的增大，極限支護力與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線的斜率也逐漸增大。研究結(jié)果對控制支護壓力、預估地層加固范圍具有重要的指導意義。

泥水盾構(gòu)隧道；極限支護壓力；影響因素

引言

目前廣泛采用的閉胸式盾構(gòu)施工中，主要通過加氣、加泥水或開挖面切削的渣土自身在壓力艙內(nèi)作用等措施來控制開挖面支護壓力，同時控制開挖面變形和地基沉降。相對于開挖面土、水壓力，壓力艙支護壓力較小時，會出現(xiàn)地基沉降甚至坍塌，支護壓力較大時，則會出現(xiàn)地表隆起。合理的確定開挖面支護壓力是盾構(gòu)掘進施工中一項關(guān)鍵技術(shù)，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。

文章以南湖路湘江泥水盾構(gòu)隧道為工程實例，通過ANSYS建模求解了泥水盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護壓力，并討論了不同工況參數(shù)對極限支護壓力的影響，得出了一些有用的結(jié)論，對盾構(gòu)法隧道施工中合理的確定支護壓力的大小具有一定的指導作用。

1、工程概況

隧道全長1422.978m，隧道東岸設置盾構(gòu)始發(fā)井一座，設三個單車道匝道出口，西岸南、北線各設置一座盾構(gòu)接收井。盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為：雜填土層、粉質(zhì)粘土層、粉細砂層、圓礫層、卵石層、強風化礫巖、中風化礫巖。盾構(gòu)到達河漫灘段粉細砂層最厚處12m，隧道頂最薄覆土7.1m。該隧道不同地層里程如表1所示。

表1 不同地層里程統(tǒng)計表

2 數(shù)值模擬方程及模型建立

2.1 數(shù)值模擬方法及過程

由于實際作用于開挖面的支護壓力為梯形荷載，為了方便說明，取隧道中心點支護壓力值來代表開挖面支護壓力大學，所以文中的開挖面支護壓力統(tǒng)一指開挖面中心點施加的支護壓力，對于開挖面支護壓力大小的衡量，引入支護壓力比的概念。

盾構(gòu)開挖是一個逐漸推進的過程，考慮到本文分析的重點是開挖面極限支護壓力及開挖面穩(wěn)定研究，故數(shù)值計算中采取一次開挖到一定距離 (文中取 15m)并施加支護結(jié)構(gòu)。開挖面極限支護壓力研究的模擬過程如下：

（1） 建立原始地層模型；

（2） 一次性開挖隧道 15m，并及時設置襯砌管片 (文中用殼單元來模擬管片)，同時在開挖面上施加大小與原始地層側(cè)向靜止土壓力值相等的梯形支護作用力；

Kaldi語言模型由于其內(nèi)部表示為有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換器，因此要求將上述工具所訓練的ARPA語言模型轉(zhuǎn)換為特定于解碼的二進制格式[16]。為此，需要使用了工具arpa2fst、fstcompile和多個Perl腳本等一些實用工具對ARPA語言模型進行格式轉(zhuǎn)換。

（3）開挖面支護壓力以緩慢的速度逐漸減小，作出支護壓力比與開挖面中心點水平位移的曲線，隨著支護壓力比的減小開挖面中心點的水平位移逐漸增大，當支護壓力比變化很小而開挖面中心點的水平位移急劇增大時，認為此時的支護壓力比即為最小極限支護壓力比，由于此時出現(xiàn)過大變形，程序中止計算。

2.2 模型建立

根據(jù)不同地質(zhì)條件及單元所在地質(zhì)情況，賦予土層力學材料參數(shù)。為減小模型邊界效應影響，隧道模型的計算范圍：上取至地面，下取至隧道底部以下15m，橫向取至隧道兩側(cè)各 25m，由于研究開挖面支護壓力的影響，一次性開挖長度取15m，總長度取30m。位移邊界條件：兩側(cè)面限制水平位移，底部限制豎向位移，地表取為自由邊界。計算模型及網(wǎng)格化分如圖 1所示，網(wǎng)格采用映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格共剖分為10920個單元，15666個節(jié)點。

圖1 ANSYS計算模型及網(wǎng)格劃分圖

2.3 計算過程分析

開挖面支護壓力不足引起圍巖應力釋放導致地基變位，首先是開挖面附近土體單元發(fā)生向盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的水平位移，通過計算開挖面支護壓力變化與開挖面中心點朝向壓力艙方向水平位移之間的關(guān)系，明確開挖面極限支護壓力下限，如圖 2所示。計算結(jié)果表明，隨著開挖面支護壓力的逐漸減小，開挖面前方土體水平位移量逐漸增加，當支護壓力下降到一定程度，開挖面水平位移量急劇增大(在圖中表現(xiàn)為曲線的斜率接近 0 時)，此時認為開挖面失去穩(wěn)定，即可得到最小極限支護壓力。

圖2 開挖面中心點水平位移與支護壓力比關(guān)系圖示

為了得到精細化的破壞模式，文中取中風化礫巖、雜填土、粉質(zhì)粘土、粉細砂和強風化礫巖來分別進行分析，得出隧道開挖面橫斷面及縱斷面破壞圖如圖3、4所示，從而可看出求極限支護壓力時的開挖面失穩(wěn)模式。

圖3 橫斷面破壞模式

圖4 縱斷面破壞模式

3 開挖面極限支護壓力的確定

為了對盾構(gòu)隧道施工的支護壓力提出一個合理的取值范圍，本文以盾構(gòu)段隧道樁號為準，每隔40米選取一個隧道截面，記錄其不同的材料參數(shù)，使用ANSYS模型計算每個截面支護壓力的下限值與上限值。

3.1 參數(shù)選取

表2 隧道南線線盾構(gòu)段截面劃分及地層分布表

69608.3粉細砂/強風化礫巖9粉細砂/強風化礫巖8.8粉細砂/強風化礫巖9.2中風化礫巖/強風化礫巖9.6粉細砂/中風化礫巖/強風化礫巖9.9粉細砂/中風化礫巖/強風化礫巖12中風化礫巖/強風化礫巖12.8中風化礫巖/強風化礫巖13.5中風化礫巖/強風化礫巖13.7中風化礫巖/強風化礫巖13.2中風化礫巖/強風化礫巖11.7中風化礫巖/強風化礫巖10.3中風化礫巖/強風化礫巖9.6粉細砂/中風化礫巖/強風化礫巖9.4中風化礫巖/強風化礫巖9.4中風化礫巖/強風化礫巖9.9中風化礫巖/強風化礫巖9.4中風化礫巖/強風化礫巖8.7中風化礫巖/強風化礫巖11.4中風化礫巖/強風化礫巖SK1+000-------------740880912010160112001224013280143201536016400174401848019520205602160022640236802472025760

圍巖參數(shù)分布特征如表3所示：

表3 圍巖物理力學參數(shù)

3.2 計算結(jié)果

通過ANSYS建立的隧道開挖面模型對該隧道盾構(gòu)區(qū)樁號每隔40米所選取的26個截面進行計算，得到每個截面的支護壓力最大壓力比和最小壓力比，再求出其極限支護壓力的下限值與上限值，如表4、圖5所示。

表4 隧道開挖面極限支護壓力計算結(jié)果

（附注：其中bar為壓強單位，1bar=100kPa）

圖5 隧道盾構(gòu)段不同截面極限支護壓力取值范圍表

圖5給出了隧道不同截面支護壓力的取值范圍，開挖面的實際支護壓力應小于最大極限支護壓力，大于最小極限支護壓力，為隧道施工過程中的開挖面支護壓力控制提供了取值范圍的指導。

4 開挖面支護壓力參數(shù)敏感性分析

由于影響泥水盾構(gòu)隧道破壞的因素很多，本文假設隧道周邊土體為均質(zhì)，對影響隧道開挖面極限支護壓力的影響因素（如隧道埋深、土體內(nèi)摩擦角和粘聚力）進行計算分析。

本文取不同的隧道埋深比、土體內(nèi)摩擦角和土層的粘聚力來分析隧道開挖面極限支護壓力的變化情況，如表5所示

表5 隧道埋深比、土體內(nèi)摩擦角和土層粘聚力的組合值

通過ANSYS建立的模型求解得出泥水盾構(gòu)隧道開挖面極限支護力的數(shù)值變化曲線，如圖6-8所示。

圖6 不同粘聚力和埋深比組合對極限支護力的影響 圖7 不同內(nèi)摩擦角對極限支護力的影響

圖8 不同內(nèi)摩擦角和埋深比對極限支護力的影響

由圖6可知，內(nèi)摩擦角一定時，開挖面極限支護力隨埋深增大而呈曲線增大；同一埋深下，粘聚力越大，極限支護力越大。

由圖7可知，極限支護力與土層的粘聚力c大致呈線性關(guān)系變化，且隨著內(nèi)摩擦角的增大，極限支護力增加幅度越來越大。

由圖 8可以看出，粘聚力一定，同一埋深下，開挖面極限支護力隨土層內(nèi)摩擦角的增大而增大；內(nèi)摩擦角φ≤5°時，極限支護力隨著埋深比的增加大致呈線性增加；當內(nèi)摩擦角逐漸增大時，極限支護力成曲線增長，且增長幅度增加。

綜上可知，可以采取增加埋深比、土層內(nèi)摩擦角和粘聚力的方法防止開挖面隆起破壞，如：地表堆載，對地層進行注漿改良等等。

5、結(jié)語

本文以南湖路湘江泥水盾構(gòu)隧道為工程實例，通過ANSYS建模求解泥水盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護壓力，并且討論了不同工況參數(shù)對極限支護壓力的影響，得到如下結(jié)論：

泥水平衡盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護壓力隨土層的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的增大而增大，土層的粘聚力c與極限支護力大致呈線性關(guān)系變化，隨著土層內(nèi)摩擦角的增大，極限支護力與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線的斜率也逐漸增大。對于控制支護壓力、預估地層加固范圍具有指導意義。

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