軟土地層中盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)情況下的土體擾動影響分析

顏 超

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速增長和城市化水平的不斷提高，隧道及地下空間開發(fā)得到了迅猛的發(fā)展。作為地下交通設(shè)施建造的主要方法，盾構(gòu)法已得到了廣泛的應(yīng)用。盾構(gòu)隧道施工中，開挖面的穩(wěn)定情況將直接影響周圍土層以及建（構(gòu)）筑物的變形。當開挖面支護壓力過小時，開挖面將發(fā)生失穩(wěn)破壞，致使地表因沉降過大而發(fā)生塌陷，從而導致事故的發(fā)生，因此，保證開挖面穩(wěn)定性是盾構(gòu)隧道施工的關(guān)鍵。

盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)是盾構(gòu)隧道研究領(lǐng)域的重點和熱點，同時也是一個非常傳統(tǒng)的研究課題，國內(nèi)外學者如朱偉等[1]、Kamata等[2]，Chen等[3]通過數(shù)值模擬等方法開展了大量的研究。不過大多數(shù)研究都是針對砂土地層展開的，而對于像上海、杭州等濱海城市來說，地層以軟黏土為主，因此弄清軟黏土地層中盾構(gòu)開挖面的失穩(wěn)機制將會對軟土地層的盾構(gòu)掘進提供有益的參考。本文基于上海軟土地層中的常規(guī)地鐵盾構(gòu)隧道工程，通過數(shù)值模擬的方法對典型尺寸下的盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)擾動機制展開分析和研究，以期為后續(xù)軟土地層盾構(gòu)施工提供理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型

1.1 模型尺寸

依據(jù)常見的地鐵盾構(gòu)隧道工程情況，本文采用有限元軟件Abaqus建立了相應(yīng)典型尺寸的隧道有限元模型，如圖1所示。其中，模型的整體尺寸具體為25 m（x方向）×20 m（y方向）×20 m（z方向），如圖1（a）所示；盾構(gòu)埋深取9 m，直徑取6 m，開挖長度取10 m，如圖1（b）所示。

1.2 材料參數(shù)選取

在數(shù)值計算中，土體采用實體單元（C3D8I）進行模擬，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，土體物理力學參數(shù)選取上海地區(qū)典型軟土地層參數(shù)，具體參數(shù)情況如下：密度為1 800 kg/m3，壓縮模量為2.15 MPa，黏聚力為13 kPa，內(nèi)摩擦角為13°。

圖1 有限元模型

1.3 邊界條件及計算工況

整個數(shù)值模擬計算過程分為以下幾個步驟：

1）在初始分析步中，將土體除上表面之外，其他各表面設(shè)置法向位移為0的邊界條件。隧道和擋板設(shè)置各方向位移為0的邊界條件。

2）地應(yīng)力平衡分析步，這一步將土體賦予重力，使土體生成自重應(yīng)力場，且將土體初始沉降控制在10-6以下。為模擬試驗中先有隧道、后將土體填入這一過程，我們將隧道模型和土體模型之間的接觸關(guān)系綁定，并采用Abaqus自帶的生死單元功能，將隧道失效，這樣可以確保在地應(yīng)力平衡過程中，隧道內(nèi)部土體的位移場和應(yīng)力場為0，相當于隧道內(nèi)部土體對外部土體沒有影響，以此來模擬試驗中隧道內(nèi)部無土的情況。

3）將隧道內(nèi)部土體失效，同時激活隧道單元和擋板單元。擋板和開挖面之間采用法向硬接觸、切向摩擦的接觸關(guān)系，摩擦因數(shù)為0.7。

4）向擋板施加一個后退的位移邊界條件，模擬開挖面失穩(wěn)。

同時為了可以更為全面地分析開挖面失穩(wěn)對土體的擾動規(guī)律，在數(shù)值計算中還設(shè)置了如下計算工況，詳見表1，其中C代表隧道埋深，D代表隧道直徑。

表1 計算工況

2 計算結(jié)果分析

2.1 地層位移場分析

圖2為開挖面失穩(wěn)情況下，盾構(gòu)開挖面前方位移場云圖。圖中圈出了數(shù)值模擬計算得到的開挖面失穩(wěn)對前方土體變形的影響范圍?？梢钥闯?，由于黏聚力的存在，前方土體失穩(wěn)區(qū)域近似呈現(xiàn)出“盆”狀，這與Mair[4]采用離心試驗所給出的飽和軟黏土開挖面一般失穩(wěn)區(qū)域形態(tài)一致。

圖2 土體變形數(shù)值與試驗云圖對比

圖3更詳細地給出了數(shù)值計算所得到的地層變形結(jié)果。其中圖3（a）為深度1.5D處開挖面前方土體的豎向位移曲線，圖3（b）為深度1.5D處開挖面前方土體的水平位移曲線。對于開挖面前方沿隧道縱向距離L、豎向位移v和水平位移w均采用隧道直徑D進行了無量綱化處理，即L/D、w/D、v/D。

圖3 深度1.5D處開挖面前方土體變形曲線

從圖3可以看出，深度1.5D處開挖面前方土體的水平位移和豎向位移變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)出先快速增大，后緩慢減小的趨勢，整體呈現(xiàn)出下凹的沉降槽。水平位移與豎向位移的最大值均發(fā)生在0.3D～0.4D的區(qū)域。

2.2 不同埋深比下開挖面失穩(wěn)土體擾動分析

本文分別計算了埋深比C/D為0.5、1.0、1.5、2.0這4種工況下開挖面前方土體的變形情況，并繪制了位移場云圖（圖4）。

從圖4可以看出，在不同埋深比下，開挖面前方的位移場整體形態(tài)并沒有大的變化，整體呈現(xiàn)出“盆”狀，但是隨著埋深比的不同，開挖面失穩(wěn)對前方土體位移的影響范圍卻發(fā)生了較大的改變。主要體現(xiàn)為以下幾點：

1）隨著隧道埋深的增加，開挖面失穩(wěn)對地表的影響逐漸減小。當埋深為0.5D時，前方土體的位移會迅速延伸至地表；埋深1.0D時影響明顯減??；當埋深為1.5D和2.0D時，開挖面前方土體的變形已經(jīng)對地表基本不產(chǎn)生影響。

2）隨著隧道埋深的增加，開挖面失穩(wěn)破壞產(chǎn)生的位移最大值逐漸增加，且均出現(xiàn)在掌子面正前方處。

為進一步分析埋深比對隧道開挖面失穩(wěn)的影響，本文提取了不同埋深情況下的地表縱向沉降曲線，如圖5所示，并對橫縱坐標進行了無量綱化處理。

圖4 不同埋深比下開挖面前方土體變形云圖

圖5 不同埋深下地表沉降曲線

從圖5可以看出，地表沉降整體上呈現(xiàn)先增大后減小的凹槽狀，同時不難發(fā)現(xiàn)，不同的埋深比條件下，地表沉降值變化巨大。當埋深比為0.5時，豎向沉降的比值為2.7左右，埋深為1.0時，該值減小到1.5左右，當埋深比為2時，豎向沉降比值減小到只有1.0左右，說明地表沉降值隨著埋深的增大迅速減小。

除此之外，地表沉降的影響范圍也與隧道埋深比有很大的關(guān)系。從圖5中還可以看出，隧道埋深比為0.5時，開挖面失穩(wěn)對地表的影響范圍最小，隨著埋深的增加，地表沉降槽的寬度逐漸增大。這可能與黏土黏聚力較大有一定的關(guān)系。

在黏土中，由于黏聚力的存在，破壞區(qū)域不像在砂土中，能夠直接延伸到地表，而是呈一個向外擴散的趨勢。當埋深較淺時，這一特點尚不明顯，但是隨著埋深的增加，可以發(fā)現(xiàn)，在黏土中的破壞形式與在砂土中存在明顯的差異。

圖6為不同埋深條件下，開挖面前方中軸線上土體的變形曲線。由圖6可知，豎向位移和水平位移的最大值均發(fā)生在開挖面處，隨著與開挖面的距離增大，水平位移和豎向位移值迅速減小，當距離開挖面約為2.0D時，水平位移和豎向位移基本減小為0。

值得注意的是，隨著埋深的增加，開挖面處的最大位移不減反增，這點與地表沉降規(guī)律相反。這可能是由于隨著埋深的增加，開挖面處的應(yīng)力值增高，一旦發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)應(yīng)力釋放，開挖面處小范圍內(nèi)的應(yīng)力場變化過大，就會產(chǎn)生局部較大的位移值。

圖6 不同埋深下開挖面前方中軸線土體變形曲線

3 結(jié)語

本文主要基于常見地鐵盾構(gòu)工程，通過數(shù)值方法和無量綱分析揭示了軟土地層中盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)擾動機理。主要得到了以下幾條結(jié)論：

1）在軟土地層中，由于黏聚力的存在，開挖面失穩(wěn)時前方土體失穩(wěn)區(qū)域近似呈現(xiàn)出“盆”狀，這與砂土地層中的失穩(wěn)模式是不同的。

2）通過對不同埋深比下盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)進行模擬，發(fā)現(xiàn)在軟土地層中，隨著隧道埋深的增加，開挖面失穩(wěn)對地表的影響逐漸減小，當埋深達到1.5D及以上時，開挖面失穩(wěn)將不再延伸至地表。

3）不同埋深比下盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)對地表沉降范圍的影響不一樣。埋深比越小，地表沉降范圍影響也越??；當埋深比增加，地表沉降范圍也會增加。