濱海軟土地層淺埋超大直徑盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面破壞機(jī)理及加固范圍研究

宋棋龍，祁文睿，李文靜，張新建，蘇 棟,5,6，林星濤,5,6

(1. 深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060； 2. 中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200070；3. 珠海大橫琴城市新中心發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519030； 4. 珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000；5. 深圳大學(xué) 濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；6. 深圳大學(xué) 深圳市地鐵地下車(chē)站綠色高效智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

0 引 言

盾構(gòu)法具有施工安全、高效且對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，在城市隧道建設(shè)中應(yīng)用廣泛。隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定是決定盾構(gòu)順利掘進(jìn)的關(guān)鍵一環(huán)，也是施工安全的基本保證，因此開(kāi)挖面穩(wěn)定性分析一直是隧道工程界的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1-5]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于極限分析法和極限平衡法提出了能夠分析滲流地層或成層地層的理論模型[6-9]。為了研究開(kāi)挖面失穩(wěn)機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)著重分析了開(kāi)挖面失穩(wěn)模式和影響土體變形的因素[10-13]。隨著數(shù)值仿真技術(shù)的興起，隧道工程界通過(guò)數(shù)值軟件模擬盾構(gòu)在復(fù)雜地下空間的掘進(jìn)過(guò)程，Hernandez等[14]利用ABAQUS有限元軟件，分析均質(zhì)淺埋隧道在不同埋深比及不同地面條件下的開(kāi)挖面穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)隧道埋深比與開(kāi)挖面極限支護(hù)力有直接關(guān)系；Zhang等[15]利用有限元分析研究了軟土隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)形式變化對(duì)地層損失的影響；潘建立[16]通過(guò)FLAC 3D研究應(yīng)力釋放對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定的影響，得出了隨著應(yīng)力釋放率增加開(kāi)挖面經(jīng)歷彈性變形、塑性變形和破壞3個(gè)階段的結(jié)論。上述研究主要基于原始地層開(kāi)挖隧道條件下分析盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性問(wèn)題，但對(duì)于在經(jīng)過(guò)加固處理后的軟弱地層中盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性及破壞機(jī)理研究較少。

本文以珠海橫琴杧洲隧道工程為背景，采用三維有限元方法研究了加固軟土地層淺埋超大直徑盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面主、被動(dòng)破壞機(jī)理及加固范圍對(duì)地表變形的影響。

1 工程背景

1.1 基本概況

深圳珠海橫琴杧洲隧道工程位于橫琴一體化區(qū)域，隧道穿越馬騮洲水道，北岸接環(huán)港東路與洪灣大道交叉口，南岸接厚樸道。道路等級(jí)為城市主干道，設(shè)計(jì)速度為60 km·h-1，路線全長(zhǎng)約3.0 km，其中隧道段總長(zhǎng)約1.74 km(含隧道段、明挖暗埋段、敞口段和工作井)，北岸接線道路長(zhǎng)約590 m，南岸接線道路長(zhǎng)約649 m。隧道工程采用直徑為15.01 m的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，隧道采用單層襯砌結(jié)構(gòu)，管片外徑為14.5 m，內(nèi)徑為13.3 m，厚度為0.6 m，環(huán)寬為2 m。

1.2 地質(zhì)條件

本工程盾構(gòu)機(jī)穿越區(qū)主要為淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土，局部穿越碎石質(zhì)粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化砂巖，土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and Mechanical Property Indexes of Soils

1.3 加固措施

根據(jù)盾構(gòu)隧道沿線地質(zhì)情況，隧道南北岸明挖段、南岸工作井及盾構(gòu)段均位于第四系海陸交互相沉積淤泥層，該土層含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、承載力低、靈敏度高，在上部荷載或振動(dòng)作用下易產(chǎn)生固結(jié)變形和不均勻沉降。

為保證隧道運(yùn)營(yíng)期間安全，對(duì)盾構(gòu)基底及四周軟弱地層進(jìn)行水泥攪拌樁加固，提高盾構(gòu)基底承載力及側(cè)向抗推能力。

2 三維數(shù)值分析

2.1 加固方式

為減少盾構(gòu)隧道對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)影響，對(duì)地層預(yù)先進(jìn)行水泥攪拌樁加固處理，由于有限元模擬實(shí)際加固會(huì)使網(wǎng)格劃分質(zhì)量低、計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等，參考對(duì)水泥攪拌樁加固地層的簡(jiǎn)化方法[17]。本文地層加固示意圖如圖1所示，其中t為加固土層厚度，C為隧道埋深，D為隧道直徑。

圖1 地層加固示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Stratum Reinforcement

2.2 計(jì)算模型

采用三維有限元軟件PLAXIS 3D建立數(shù)值模型，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，模型取半結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)考慮到工程需要和邊界尺寸效應(yīng)，計(jì)算模型尺寸取值為：長(zhǎng)5D(掘進(jìn)方向)，寬3D，高50 m，D取14.5 m。模型邊界條件為：底部完全固定，四周約束法向位移，頂部自由，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 三維有限元分析模型Fig.2 Three-dimensional Finite Element Analysis Model

本文主要研究加固土層厚度對(duì)開(kāi)挖面主、被動(dòng)破壞的影響，因此將不同加固土層厚度分作不同工況進(jìn)行研究，一共6個(gè)工況，加固厚度分別為0(未加固)，0.05D，0.10D，0.15D，0.20D，0.30D。

2.3 本構(gòu)模型及模擬參數(shù)

模擬過(guò)程中，周邊地層劃分為3層，從上往下依次為沖填土(厚5 m)、淤泥(厚25 m)、粉質(zhì)黏土(厚15 m)，土層采用小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型(HSS模型)，相關(guān)參數(shù)來(lái)源于隧道建設(shè)工程的地質(zhì)勘探報(bào)告，在此基礎(chǔ)上參考了梁發(fā)云等[18-19]對(duì)上海軟土HSS模型試驗(yàn)研究和《PLAXIS高級(jí)應(yīng)用教程》[20]，各土層參數(shù)取值如下：剪脹角Ψ=0.1°，破壞比Rf=0.9，參考應(yīng)力pref=100 kPa，加卸載泊松比νur=0.2，割線剪切模量衰減至初始70%時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?chǔ)?.7=1×10-4，其余本構(gòu)模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 本構(gòu)模型參數(shù)Table 2 Constitutive Model Parameters

加固土層采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型，參數(shù)選取主要基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，具體取值如下：天然重度γ=23 kN·m-3，彈性模量E=300 MPa，黏聚力c=50 kPa，內(nèi)摩擦角φ=30°。

2.4 模擬過(guò)程

盾構(gòu)開(kāi)挖是一個(gè)逐漸推進(jìn)的過(guò)程，考慮到本文研究重點(diǎn)是開(kāi)挖面主、被動(dòng)破壞對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，可忽略開(kāi)挖過(guò)程，采取一次性開(kāi)挖至一定距離并施加與原始地層側(cè)向靜止水土壓力相等的梯形支護(hù)壓力，逐步按一定比例減小(或增加)支護(hù)壓力，直至開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞，分析支護(hù)壓力與地層位移的關(guān)系，具體模擬過(guò)程如下：

(1)建立與工程實(shí)際相符的地層模型。

(2)開(kāi)挖隧道，并及時(shí)在隧道襯砌上設(shè)置完全固定的位移邊界條件，在開(kāi)挖面施加與原始地層側(cè)向靜止水土壓力相等的梯形支護(hù)壓力。

(3)開(kāi)挖面支護(hù)壓力逐步按一定比例減小(或增加)，開(kāi)挖面前方土體水平位移逐漸增大，直至支護(hù)壓力變化很小的情況下土體水平位移量急劇增加，則認(rèn)為開(kāi)挖面已失穩(wěn)破壞，計(jì)算終止[21]。

為了方便描述，實(shí)際作用于開(kāi)挖面的支護(hù)壓力為梯形荷載，本文取隧道中心點(diǎn)支護(hù)壓力值代表開(kāi)挖面支護(hù)壓力大小，所以文中的開(kāi)挖面支護(hù)壓力統(tǒng)一指隧道中心點(diǎn)的支護(hù)壓力。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 開(kāi)挖面主動(dòng)失穩(wěn)破壞分析

3.1.1 開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力確定

圖3為不同加土層固厚度下開(kāi)挖面中心點(diǎn)支護(hù)壓力與地層水平位移的關(guān)系曲線。統(tǒng)一規(guī)定圖3中曲線斜率絕對(duì)值小于等于0.05時(shí)，開(kāi)挖面發(fā)生主動(dòng)破壞，取對(duì)應(yīng)支護(hù)壓力為極限支護(hù)壓力(箭頭所指數(shù)值)。從圖3可知，隨著t的增加，開(kāi)挖面發(fā)生破壞時(shí)，一方面整體水平位移減小，減小對(duì)地層擾動(dòng)影響，另一方面極限支護(hù)壓力降低，提高開(kāi)挖面支護(hù)壓力調(diào)節(jié)范圍。

圖3 開(kāi)挖面支護(hù)壓力與中心點(diǎn)水平位移關(guān)系1Fig.3 Relationship Between Support Pressure of Excavation Face and Horizontal Displacement of Center Point 1

圖3同時(shí)給出了t=0時(shí)開(kāi)挖面主動(dòng)失穩(wěn)總位移發(fā)展過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)主動(dòng)失穩(wěn)是一個(gè)由漸變到突變的過(guò)程，當(dāng)支護(hù)壓力小于極限支護(hù)壓力時(shí)地層位移發(fā)展較慢，一旦支護(hù)壓力超過(guò)極限支護(hù)壓力后地層位移則會(huì)快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致開(kāi)挖面主動(dòng)失穩(wěn)，失穩(wěn)時(shí)地層云圖似“煙囪”狀。圖4為圖3總位移云圖等值線，隨著支護(hù)壓力Pc減小，地層顯著位移由開(kāi)挖面前方土體逐步向斜上方地表發(fā)展，并向地表四周擴(kuò)展，致使開(kāi)挖面發(fā)生主動(dòng)破壞時(shí)，地表產(chǎn)生較大的沉降。

圖4 總位移等值線1Fig.4 Contours of Total Displacement 1

3.1.2 主動(dòng)破壞極限支護(hù)壓力

表3為主動(dòng)破壞極限支護(hù)壓力Pa取值，圖5為加固土層厚度與極限支護(hù)壓力關(guān)系，同時(shí)給出了t=0，0.10D，0.20D，0.30D時(shí)主動(dòng)失穩(wěn)破壞對(duì)應(yīng)的總位移云圖。從圖5可以看出，隨著t的增加，極限支護(hù)壓力降低，開(kāi)挖面破壞逐漸由整體破壞轉(zhuǎn)為局部破壞，當(dāng)t>0.20D時(shí)，破壞僅發(fā)生在開(kāi)挖面前方一小部分，破壞形態(tài)相同，開(kāi)挖面主動(dòng)失穩(wěn)不受t的影響，極限支護(hù)壓力基本不變。

表3 主動(dòng)極限支護(hù)壓力Table 3 Active Limit Support Pressure

圖5 加固土層厚度與主動(dòng)極限支護(hù)壓力關(guān)系Fig.5 Relationship Between Reinforcement Thickness and Active Limit Support Pressure

圖6為圖5總位移云圖等值線，當(dāng)t=0，0.10D時(shí)，地層位移由開(kāi)挖面發(fā)展至地表，形成整體破壞；當(dāng)t=0.20D，0.30D時(shí)，地層受擾動(dòng)區(qū)收縮至開(kāi)挖面前方土體，地層位移發(fā)展不到地表，形成局部破壞。

圖6 總位移等值線2Fig.6 Contours of Total Displacement 2

3.1.3 開(kāi)挖面主動(dòng)破壞對(duì)地表影響

圖7為不同加固厚度開(kāi)挖面發(fā)生主動(dòng)破壞時(shí)對(duì)稱(chēng)軸上方地表縱向沉降曲線(取開(kāi)挖面上方地表處作為坐標(biāo)原點(diǎn))。

圖7 地表縱向沉降曲線Fig.7 Longitudinal Settlement Curves at Ground Surface

由圖7可知，隨著t的增加，縱向地表整體沉降量降低，當(dāng)t=0時(shí)地表縱向最大沉降約為190 mm，而t=0.20D時(shí)地表最大沉降僅為40 mm，相比t=0最大沉降減少約80%。反映出土層加固后可有效減小開(kāi)挖面失穩(wěn)對(duì)地表的影響；另外發(fā)現(xiàn)地表最大變形點(diǎn)沿縱向的位置基本一致，均在開(kāi)挖面前方約0.5D，說(shuō)明土層加固對(duì)地表縱向最大沉降點(diǎn)位置影響不大。

圖8為不同加固土層厚度與地表最大沉降量的關(guān)系，當(dāng)t<0.20D時(shí)，地表最大沉降量隨t增加呈線性減少，當(dāng)t>0.20D時(shí)，沉降量減少幅度降低。

圖8 加固土層厚度與地表最大沉降關(guān)系Fig.8 Relationship Between Reinforcement Thickness and Maximum Settlement at Ground Surface

3.2 開(kāi)挖面被動(dòng)失穩(wěn)破壞分析

3.2.1 開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力確定

圖9為不同加固土層厚度下開(kāi)挖面中心點(diǎn)支護(hù)壓力與地層水平位移的關(guān)系曲線。統(tǒng)一規(guī)定當(dāng)曲線斜率絕對(duì)值小于等于0.05時(shí)，開(kāi)挖面發(fā)生被動(dòng)破壞，取對(duì)應(yīng)支護(hù)壓力為極限支護(hù)壓力(箭頭所指數(shù)值)。從圖9可知，隨著t的增加，極限支護(hù)壓力提高，開(kāi)挖面支護(hù)壓力可調(diào)節(jié)范圍提高，與主動(dòng)破壞相比，開(kāi)挖面發(fā)生被動(dòng)破壞所需位移量更大，與原始側(cè)向靜止水土壓力差值更大，與實(shí)際情況相符。

圖9 開(kāi)挖面支護(hù)壓力與中心點(diǎn)水平位移關(guān)系2Fig.9 Relationship Between Support Pressure of Excavation Face and Horizontal Displacement of Center Point 2

圖9中的云圖為t=0時(shí)開(kāi)挖面被動(dòng)失穩(wěn)總位移發(fā)展過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)被動(dòng)失穩(wěn)也是由漸變到突變的過(guò)程，當(dāng)支護(hù)壓力較低時(shí)地層顯著位移是從開(kāi)挖面前方擴(kuò)散到四周土體，變化較為緩慢，一旦支護(hù)壓力大于極限支護(hù)壓力，地層顯著位移集中在開(kāi)挖面上部，位移急劇增大。

圖10為t=0時(shí)總位移云圖等值線，可以清晰看到，隨著支護(hù)壓力的增加，地層位移由開(kāi)挖面前方土體逐漸延伸至地表，并向周?chē)鷶U(kuò)展，致使開(kāi)挖面發(fā)生被動(dòng)破壞，對(duì)地表有較大擾動(dòng)。

圖10 總位移等值線3Fig.10 Contours of Total Displacement 3

3.2.2 被動(dòng)破壞極限支護(hù)壓力

表4為被動(dòng)破壞極限支護(hù)壓力Pp取值，圖11為加固土層厚度與極限支護(hù)壓力關(guān)系，同時(shí)給出了t=0，0.10D，0.20D，0.30D被動(dòng)失穩(wěn)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的總位移云圖。

表4 被動(dòng)極限支護(hù)壓力Table 4 Passive Limit Support Pressure

圖11 加固土層厚度與被動(dòng)極限支護(hù)壓力關(guān)系Fig.11 Relationship Between Reinforcement Thickness and Passive Limit Support Pressure

從圖11可以看出，隨著t的增加，極限支護(hù)壓力呈線性增加，這與主動(dòng)極限支護(hù)壓力變化規(guī)律有所不同。從云圖中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)t=0.30D時(shí)，開(kāi)挖面失穩(wěn)時(shí)地層位移仍然會(huì)由開(kāi)挖面前方向斜上方地層延伸，說(shuō)明極限支護(hù)壓力仍會(huì)受到t的影響，所以不會(huì)像主動(dòng)失穩(wěn)那樣在t=0.20D出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

圖12為圖11總位移云圖等值線，隨著t增加，地層顯著位移由地表逐漸收縮至開(kāi)挖面前方土體，開(kāi)挖面破壞逐漸由整體破壞轉(zhuǎn)為局部破壞。

圖12 總位移等值線4Fig.12 Contour of Total Displacement 4

3.2.3 開(kāi)挖面被動(dòng)破壞對(duì)地表影響

圖13為不同加固土層厚度開(kāi)挖面發(fā)生被動(dòng)破壞時(shí)對(duì)稱(chēng)軸上方地表縱向隆起曲線(取開(kāi)挖面上方地表處作為坐標(biāo)原點(diǎn))。由圖13可知，隨著t增加，地表的隆起量減少，與主動(dòng)破壞引起地表沉降量變化趨勢(shì)相同，地表縱向最大隆起點(diǎn)位置基本一致，距離開(kāi)挖面前方約0.5D，說(shuō)明土層加固對(duì)地表縱向最大隆起點(diǎn)位置影響不大。

圖13 地表縱向隆起曲線Fig.13 Heaving Curves at Ground Surface Along Longitudinal Direction

圖14為不同加固土層厚度與地表最大隆起量的關(guān)系，隨著t的增加，地表最大隆起逐漸減小，減小幅度降低，當(dāng)t=0時(shí)，最大隆起量約為187 mm，當(dāng)t=0.20D時(shí)，最大隆起量約為55 mm，相比t=0最大隆起量減少約70%。

圖14 加固土層厚度與地表最大隆起關(guān)系Fig.14 Relationship Between Reinforcement Thickness and Maximum Heaving at Ground Surface

表5為不同加固土層厚度開(kāi)挖面主、被動(dòng)極限支護(hù)壓力匯總，圖15為不同加固土層厚度開(kāi)挖面主、被動(dòng)支護(hù)壓力與水平位移曲線。從表5、圖15可以看出，隨著t的增加，Pp-Pa逐步增大，開(kāi)挖面支護(hù)壓力可調(diào)節(jié)范圍增加，當(dāng)t=0時(shí)，Pp-Pa約為304.0 kPa，當(dāng)t=0.20D時(shí)，Pp-Pa約為402.9 kPa，可調(diào)節(jié)范圍增加32.5%，這使得實(shí)際施工過(guò)程更有利于維持開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。

表5 主、被動(dòng)極限支護(hù)壓力Table 5 Active and Passive Limit Support Pressure

圖15 開(kāi)挖面支護(hù)壓力與中心點(diǎn)水平位移關(guān)系Fig.15 Relationship Between Supporting Pressure and Horizontal Displacement of Center Point

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)隨著t的增加，開(kāi)挖面支護(hù)壓力可調(diào)節(jié)范圍增加，當(dāng)t=0時(shí)，Pp-Pa約304.0 kPa，當(dāng)t=0.20D時(shí)，Pp-Pa約402.9 kPa，可調(diào)節(jié)范圍增加32.5%。

(2)對(duì)于主(被)動(dòng)極限破壞，隨著t的增加，開(kāi)挖面破壞形式由整體破壞轉(zhuǎn)為局部破壞，t=0.20D相比t=0地表沉降(隆起量)減少70%～80%，地表最大變形點(diǎn)沿縱向的位置基本一致，均在開(kāi)挖面前方約0.5D。

(3)從極限支護(hù)壓力和地表最大變形量與t的關(guān)系曲線中發(fā)現(xiàn)t=0.20D是一個(gè)“拐點(diǎn)”，結(jié)合經(jīng)濟(jì)和加固效果兩方面考慮，類(lèi)似的實(shí)際工程進(jìn)行地層加固時(shí)取加固土層厚度為0.20D是較為合理的選擇。