軟弱破碎地層盾構(gòu)隧道施工開挖面力學行為分析*

周利梅 田衛(wèi)明

(重慶電訊職業(yè)學院 重慶 402247)

0 引言

隨著城市交通的發(fā)展，盾構(gòu)隧道開挖直徑越來越大，距離越來越長，穿越的地質(zhì)越來越復雜，盾構(gòu)技術(shù)已經(jīng)被越來越廣泛的應用[1]。如何在軟弱破碎地層條件下維持隧道施工開挖面的穩(wěn)定性一直是工程界的焦點問題。同時，隧道的斷面越大，其頂部和底部的壓力差越大，土體自穩(wěn)能力越差，大大增加了開挖面失穩(wěn)的風險。所以，軟弱破碎地層隧道施工對開挖面力學行為穩(wěn)定性要求非常嚴格。諸多學者對開挖面力學行為進行大量研究，并提出了很多失穩(wěn)破壞的力學計算模型，本文主要利用Flac 3D軟件，并依據(jù)以極限平衡理論為原理的楔形體力學分析模型，對軟弱破碎地層隧道施工開挖面力學行為進行研究，可以提前掌握隧道施工過程中支護力的變化在復雜地質(zhì)條件下對土體變形造成的影響和土體失穩(wěn)時的狀態(tài)，從而找出開挖面支護力的合理范圍，指導施工，降低事故發(fā)生的概率。

隧道施工開挖面的力學行為分析一直是諸多學者致力研究的課題。秦建設(shè)、呂璽琳等[2-5]利用有限元數(shù)值分析，獲得土體各項參數(shù)受隧道埋深比的影響規(guī)律，其結(jié)果與三維力學模型相符。王志良、范祚文、李然潔、陳仁朋等[6-9]通過試驗、數(shù)值模擬等方法研究了在均質(zhì)砂土地層中各種土層參數(shù)對土體位移的影響規(guī)律，并結(jié)合實例，分析了支護力與土體參數(shù)、埋深比的變化規(guī)律。趙明華等[10]建立了在復雜地層的極限支護力力學模型，并利用數(shù)值模擬得到驗證。綜上可知，數(shù)值模擬是目前研究隧道開挖面力學行為的主要研究手段；但大多學者對單一地層條件下開挖面的力學行為分析研究較深，較少關(guān)注軟弱破碎地層的研究。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

某盾構(gòu)隧道設(shè)計為雙層雙向八車道，直徑為14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，隧道上部覆蓋土層厚度最小為11 m，最大可達60 m。該盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)條件變化大，隧道斷面多為軟弱破碎地層，一個斷面甚至穿越最多達到4種地層。隧道上部圍巖以填土、黏土、粉質(zhì)細砂等軟弱土層為主，隧道掘進過程中主要穿過粉細砂、礫砂、圓礫、中風化砂質(zhì)巖等硬土層。

1.2 模型建立

本文取隧道模型尺寸：X方向選取長度為60 m，Y方向選取長度為90 m，下方取至隧道底部以下30 m。地下水水位取在地表處。一次性開挖長度取30 m。計算模型如圖1所示。含地下水地層考慮為Mohr-Coulomb材料，管片材料為C50彈性鋼筋混凝土材料，厚度為0.5 m，采用liner單元模擬。

圖1 計算模型和網(wǎng)絡(luò)劃分

表1為土體本構(gòu)模型參數(shù)，隧道中心縱軸面處為軟弱土層與堅硬土層的分界面。盾構(gòu)模型直徑取14.5 m，隧道埋深取20 m。模型邊界條件：地表面不施加約束，模型四周施加變形約束[11]。

表1 數(shù)值模擬土層參數(shù)表

2 開挖面支護力的形式

開挖面的支護壓力分布示意圖如圖2所示。本文為方便闡述開挖面支護力與土體初始所承受的側(cè)向靜止土壓力之間的關(guān)系，提出支護比概念：λ=σs/σ0，其中，σ0為開挖面中心處的初始側(cè)向靜止土壓力值，σ0=K0γH，K0γ為沿高度方向的變化率；σs為開挖面中心處所施加的支護應力值，即σs=λ·σ0=λ·K0·γ·H，梯度為λ·K0·γ。

圖2 梯形支護壓力示意圖

3 施工開挖面力學行為分析

3.1 支護力變化對開挖面中心處水平位移的影響分析

為分析軟弱破碎地層隧道開挖掌子面圍巖支護壓力對開挖面中心處應變的影響，本文取上軟下硬(上部以軟土層為主，下部以硬土層為主)和上硬下軟(上部以硬土層為主，下部以軟土層為主)兩種情況進行對比分析，如圖3所示。

圖3 不同地層情況對比

從圖3分析可知，復合地層中開挖面中心水平位移與支護應力成反相關(guān)，即當支護應力變小時，開挖面中心水平方向應變反而增大；但是當支護應力下降到某一程度時，其水平方向應變發(fā)生突變，即發(fā)生破壞。其地層變形規(guī)律可歸納為三階段：第一階段為不敏感階段，主要表現(xiàn)在支護應力比與掌子面應變關(guān)系不大；第二階段為敏感階段，此時掌子面變形受支護應力影響已經(jīng)相當明顯，已逐步接近極限支護力；第三階段為失穩(wěn)階段，地層掌子面已處于塌陷狀態(tài)。表2為不同地層情況的極限支護力。

表2 不同地層情況的極限支護力

圖3、表2顯示，在上軟下硬、上硬下軟、均質(zhì)砂土、均質(zhì)粘土這4種性質(zhì)差異較大的地層土體變形規(guī)律中，第一階段敏感程度最大的為均質(zhì)粘土，均質(zhì)砂土最不敏感。同等條件下，其所需極限支護力分別為，均質(zhì)砂土106.25 kPa，上軟下硬165 kPa，上硬下軟175 kPa，均質(zhì)粘土233.75 kPa。所以在盾構(gòu)隧道施工過程中，為保證開挖面的稱定性，需要提供足夠的支護，特別是在穿越軟弱土層時需要較大的支護力。

3.2 圍巖變化對開挖面極限支護力的影響分析

為研究隧道前方掌子面圍巖變化與開挖面極限支護力的關(guān)系，一般分3種工況進行對比分析：工況1指軟、硬土層的分界面處于隧道中心所在縱軸面處；工況2指軟、硬土層的分界面處于隧道上方0 m所在縱軸面處；工況3指軟、硬土層的分界面處于隧道下方0 m所在縱軸面處[12]。分別得出上軟下硬情況、上硬下軟情況3種工況的極限支護力，如圖4、表3所示。

(a) (b)

表3 3種工況的極限支護力對比

圖4、表3顯示，上軟下硬地層中，上部軟土層厚度越小，第一階段支護應力比范圍越大，其所需極限支護力越低；在上硬下軟地層中，上部硬土層厚度越厚，第一階段支護應力比范圍越大，其所需極限支護力越低。

4 施工開挖面破壞狀態(tài)分析

4.1 支護力對開挖面土體塑性區(qū)的影響分析

上軟下硬(上部為軟土層，下部為硬土層)和上硬下軟(上部為硬土層，下部為軟土層)兩種情況土體單元在開挖時開挖面附近土體塑性區(qū)隨支護壓力變化如圖5所示。

圖5顯示，隧道掌子面附近應力隨著開挖面支護力的下降而逐漸釋放，土體在應力作用下發(fā)生變形導致塑性區(qū)域不斷增大。上軟下硬地層破壞模式為開挖面上方首先發(fā)生變形且在上方圍巖接近支護力的極限時開挖面上方先發(fā)生局部失穩(wěn)破壞，最后逐步發(fā)展成整體失穩(wěn)。

(a) (b)

(c) (d)

4.2 開挖面失穩(wěn)狀態(tài)分析

開挖面失穩(wěn)時，上軟下硬情況、上硬下軟情況3種工況的豎向位移等值線圖對比如圖6所示。

圖6 不同工況的豎向位移圖

從圖6可以看出，開挖面前方均發(fā)生破壞形狀為楔形體的“突出形”破壞。上軟下硬地層發(fā)生破壞的部位在開挖面上部，下部主要發(fā)生滑塌破壞；上層軟土層厚度和楔形體傾角是破壞區(qū)域的兩個主要因素。

5 結(jié)論

本文通過運用Flac 3D建立軟弱破碎地層開挖模型，分析支護壓力的變化對開挖面力學行為影響，得出以下結(jié)論：

(1)地層變形規(guī)律可歸納為三階段：第一階段為不敏感階段；第二階段為敏感階段，此時開挖面變形受支護應力影響已經(jīng)相當明顯，已逐步接近極限支護力；第三階段表現(xiàn)為失穩(wěn)階段，此時圍巖掌子面已處于失穩(wěn)狀態(tài)，隧道隨時可能發(fā)生塌方。

(2)當掌子面前方圍巖失穩(wěn)時土體狀態(tài)呈為楔形體時，隧道掌子面前方發(fā)生破壞的概率大大增加。但不同的是，上軟下硬地層發(fā)生破壞的部位在開挖面上部，而上硬下軟地層發(fā)生破壞的部位在開挖面下部。

(3)地層土體變形規(guī)律與軟土層厚度有關(guān)。軟土層越厚所需圍巖支護極限力越大。因此，在施工過程中穿越軟弱土層時需要加強監(jiān)控量測，以保證開挖面的穩(wěn)定性，避免事故的發(fā)生。