不同支護作用泥水盾構開挖面極限支護應力與破壞形式分析

徐靜波，劉杰，俞超杰

（1.中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院，廣州510000；2.中交第二航務工程局有限公司，武漢430040；3.河海大學土木與交通學院，南京210098）

1 引言

在盾構隧道建設過程中維持開挖面的穩(wěn)定是工程順利進行的前提。泥水盾構采用加壓泥漿或氣壓的方式平衡地層土水壓力以保障開挖面的穩(wěn)定，當開挖面支護壓力與土水壓力相差過大時，將引起開挖面失穩(wěn)造成工程事故。如荷蘭Heinenroord 第二隧道在施工時因泥漿壓力設定過大導致開挖面發(fā)生被動破壞；南京緯三路過江通道帶壓開艙檢修時，因氣壓設定過大氣體沖破開挖面，江底坍塌形成巨坑。開挖面上極限支護應力與開挖面的破壞形式關系已成為工程界和學術界關注的重點。

眾多學者針對泥水盾構開挖面極限支護應力及破壞形式進行了大量研究。學者裴紅軍改進了“楔形體”[1]滲透模型，解決了開挖面存在不同土層時的泥漿滲透問題，使用極限平衡法計算泥漿被動破壞支護力。學者趙紅澤[2]等通過簡化“楔形體”模型，引入影響開挖面穩(wěn)定的參數(shù)，采用線性擬合的方法得到極限支護力的簡化計算方法。學者秦建設[3]采用FLAC 3D數(shù)值模擬的方法，開展盾構隧道開挖面穩(wěn)定性研究，提出開挖面土體位移隨支護應力的降低而增加，當支護應力減小到一定程度后位移會發(fā)生突變，將此時的支護應力作為開挖面主動極限支護應力。隨著長、大水下隧道的大規(guī)模建設，高水壓、淺覆土、高滲透性地層等將造成泥水盾構開挖面的穩(wěn)定性控制難題，有必要針對開挖面上極限支護應力與破壞形式間的關系進行研究。

本文以某泥水盾構過江隧道為例，運用FLAC 3D 數(shù)值分析方法，對泥水盾構隧道開挖面支護應力與破壞形式進行分析，以獲得基于極限平衡狀態(tài)下的開挖面極限支護應力范圍。

2 工程概況及模型建立

某泥水盾構越江隧道全長約3186m，過江段長約1500m，過江段地層復雜多變：江中部分地段上部為粉細砂層，下部為風化礫巖、膠結礫巖等復合地層。

選取江中段帶壓開艙處位置為計算斷面，該斷面上部為6.1m 粉細砂層，下部為6m 強風化礫巖層。取隧道豎向中心線一側進行分析，模型邊界設為距隧道3～5 倍洞徑。地表不受約束外其余面均固定。模型如圖1 所示，土體應力應變服從摩爾-庫倫準則，各土層物理力學參數(shù)如表1 所示。

圖1 隧道模型

分別施加全斷面加壓泥漿和氣壓+加壓泥漿2 種不同支護作用，以模擬泥水盾構正常掘進、帶壓開艙2 種不同工況。逐級減?。ㄔ龃螅╅_挖面支護應力，當開挖面中心點位移發(fā)生急劇變化時，說明開挖面發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時中心點的支護應力即為主動（被動）極限支護應力。

表1 土層物理力學參數(shù)

3 計算結果與分析

3.1 極限支護應力分析

支護應力比γ 和位移直徑比可反映支護應力與地層土水應力的差異以及開挖面中心位移變化程度：

式中，σs為中心點支護應力；σ0為中心點土水應力；Sy為中心點軸向位移；D 為隧道直徑。

在泥水盾構帶壓開艙工況下，繪制支護應力比γ 與中心點位移直徑比δ 的曲線如圖2 所示。

圖2 氣壓+加壓泥漿支護作用下δ－γ 曲線

開挖面主動（被動）破壞過程可分為3 個階段，以開挖面被動破壞為例：隨著支護應力逐漸增大，開挖面中心點位移緩慢增加，此階段支護應力變化引起的開挖面中心位移變化不明顯，開挖面處于“穩(wěn)定階段”；此后開挖面中心點位移對支護應力的變化較為敏感，微小的支護應力變化引起開挖面中心點位移持續(xù)增加，為“屈服階段”；隨著支護應力的繼續(xù)增大，隧道開挖面中心點位移急劇增加，該階段開挖面已發(fā)生失穩(wěn)破壞，為“破壞階段”。沿“穩(wěn)定階段”與“破壞階段”做兩曲線的切線，切線交點的橫坐標為主動（被動）極限支護應力比λ。2 種不同支護作用下開挖面主動（被動）破壞極限支護應力如表2 所示。

表2 不同支護作用下開挖面極限支護應力

3.2 開挖面破壞形式分析

根據(jù)FLAC3D 計算結果，生成2 種不同支護作用下的開挖面位移圖如圖3 和圖4 所示。

圖3 全斷面加壓泥漿支護下開挖面位移圖

圖4 氣壓+加壓泥漿支護下開挖面位移圖

從2 種不同支護作用下開挖面位移云圖可以看出：當開挖面發(fā)生主動破壞時，滑裂面從隧道底部貫通至地表，開挖面土體位移較大的區(qū)域集中在開挖面的中部和下部；當開挖面發(fā)生被動破壞時，滑裂面從隧道中部貫通至地表，開挖面土體位移較大的區(qū)域集中在隧道上半部分，最大位移區(qū)域在隧道拱頂處，表明當開挖面發(fā)生被動破壞時首先破壞的部位在隧道拱頂處。

4 結論

以某泥水盾構過江隧道工程為例，對2 種支護作用下開挖面的極限支護應力及主動、被動破壞形式差異進行分析，得到以下結論：

1）泥水盾構隧道開挖面失穩(wěn)破壞可分為3 個階段：“穩(wěn)定階段”“屈服階段”和“破壞階段”；通過不同階段間的曲線變化關系能得到開挖面的主動（被動）破壞極限支護應力。

2）泥水盾構隧道開挖面發(fā)生主動破壞時，土體滑裂面從隧道底部貫通至地表，土體位移較大的區(qū)域集中在開挖面中、上部；開挖面發(fā)生被動破壞時，土體滑裂面從隧道中部貫通至地表，土體位移較大的區(qū)域集中在開挖面上部，最大土體位移發(fā)生在隧道的拱頂處。

3）本過江段隧道開挖面發(fā)生主動破壞的最大極限支護應力為261.3kPa，發(fā)生被動破壞最小極限支護應力為1206.9kPa，為保證江底段隧道順利通過，泥水盾構氣壓及泥漿壓力大小設置可參考此范圍。