復合地層盾構隧道開挖滲流穩(wěn)定性預測分析★

全 強，秦 旺，陳 瑞

(1.哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.山東大學齊魯交通學院，山東 濟南 250002)

城市地下空間開發(fā)中，土壓平衡盾構法因其對地面擾動小、較為安全等優(yōu)點被廣泛應用，但在地質條件較為復雜、滲流作用比較明顯等地質條件施工時，因支護力設置不當而導致的地表沉降甚至是掌子面坍塌等現(xiàn)象時有發(fā)生[1]。因此，在滲流作用下，對復合地層盾構隧道開挖穩(wěn)定性的研究十分必要[2]?；跀?shù)值模擬、模型試驗、現(xiàn)場試驗等手段，眾多學者對滲流作用下盾構隧道開挖穩(wěn)定性進行了研究[3-5]。而數(shù)值模擬因其省時、經(jīng)濟性等優(yōu)點，被廣泛應用于目前的研究中。黃阜等[6]基于數(shù)值模擬軟件，獲取了掌子面前方的滲流場，并利用極限分析上限定理得到了安全系數(shù)的上限解。黃正榮等[7]研究了不同水位對開挖面穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)地下水位的位置對掌子面穩(wěn)定性影響較大。李地元等[8]用數(shù)值模擬軟件模擬了滲流對隧道圍巖的穩(wěn)定性影響，但并沒有考慮滲流作用對開挖面的影響。

綜上所述，目前研究滲流對掌子面穩(wěn)定性影響時，大多未考慮復合地層下滲流場與應力場的耦合效應，從而與工程實際有所偏差。因此，結合哈爾濱市地鐵3號線太平橋—靖宇公園站區(qū)間項目，采用FLAC3D建立考慮流固耦合效應的三維地質模型，對復合地層滲流影響下盾構開挖穩(wěn)定性進行了研究。

1 工程概況

哈爾濱市太平橋站—靖宇公園站區(qū)間設計擬采用盾構法施工，其起止里程為DK26+10.929～DK27+720.308，全長為1 707.716 m。太靖區(qū)間地處松花江漫灘，區(qū)間地層分布及物理力學參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學參數(shù)

根據(jù)勘探揭示的地層結構，測得孔隙潛水初見水位埋深2.00 m～8.00 m，地下水靜止水位埋深為1.60 m～7.30 m，標高114.15 m～115.35 m(大連高程系)。

2 數(shù)值模型

2.1 模型尺寸

數(shù)值模擬基于上述工程地質條件開展，盾構開挖過程中隧道頂部距地表16 m，盾構外徑6 m，內(nèi)徑 5.4 m，地下水位取平均值2.7 m，盾構主要穿越②-4中砂層。為消除邊界影響，模型水平尺寸為42 m×34 m×24 m，計算模型如圖1所示。

2.2 本構模型和邊界條件

1)土體本構模型及邊界條件。土體選取摩爾庫侖模型，已開挖的土體采用空模型模擬，管片和注漿層均采用實體單元進行模擬。同時，在模擬過程中模型側面和底面為位移邊界，側面限制水平移動，底部限制垂直移動，模型上面為地表，取為自由邊界。

2)流體本構模型及邊界條件。流體采用均質流體，各向同性，模型四周及底面設置為不透水邊界。開挖面設置為透水邊界，孔壓設置為0，這樣土體與開挖面間形成壓力差，滲流便可發(fā)生。由水文地質條件可知地下水位為2.7 m，因此將z=31 m處的孔壓設置為0，靜水壓力隨深度線性增加。

2.3 計算荷載

管片采用C50混凝土；注漿層采用等代層進行模擬，等代層為彈性體，泊松比取為0.2，硬化后彈性模量取3 MPa，等代層厚度取0.15 m；模擬計算時取開挖面中心點處的支護力為土倉壓力，經(jīng)計算開挖面中心點土壓力221.0 kPa，靜水壓力163 kPa，水土總壓力384.01 kPa。

2.4 施工過程模擬

1)打開滲流模式，建立原始復合地層，關閉滲流場計算得到自重應力場，然后打開滲流場得到初始應力場。

2)開挖時，將隧道開挖面的孔壓設置為0，將核心土體、盾構管片以及等代層殺死，其次，模擬盾構管片的施加，在開挖面施加原始地層側向靜止水土壓力相等的均布支護作用力，隨后賦予等代層參數(shù)模擬注漿；將滲流場的流體模量設置為2e8，進行流固耦合計算，計算至平衡。

3)開挖過程采用按實際開挖步數(shù)進行。

3 計算結果分析

選取盾構開挖5環(huán)、10環(huán)、15環(huán)、20環(huán)作為研究對象，研究盾構隧道掘進過程中應力場、滲流場、位移場的變化。

3.1 位移場分析

選取盾構掘進過程中的三個不同斷面(z=6 m，z=12 m，z=18 m)處的監(jiān)測點位移作為研究對象，地表監(jiān)測點布置如圖2所示。

不同斷面處的地表位移監(jiān)測點的沉降值如圖3～圖5所示，分別表示3個(z=6 m，z=12 m，z=18 m)不同斷面處地表隨盾構環(huán)數(shù)的推進地表的沉降值。

從圖3～圖5中可以發(fā)現(xiàn)，不同斷面處地表位移隨盾構環(huán)數(shù)推進的沉降曲線形態(tài)相近，均呈Peck分布。由圖3～圖5可知，不同斷面處的地表位移最終沉降值不同，盾構至20環(huán)結束時，3個監(jiān)測斷面的地表位移最終沉降值分別為12.05 mm，15.98 mm和19.80 mm，沉降值逐漸增大，增長幅度為3.93 mm和3.82 mm，幅度降低，總體滿足沉降量在30 mm以內(nèi)的要求。

為了探究某一斷面地表監(jiān)測點豎向位移隨盾構環(huán)數(shù)的推進沉降值的變化情況，選取z=12 m處為研究對象,盾構在推進5環(huán)、10環(huán)、15環(huán)和20環(huán)時,地表沉降值分別為4.49 mm，10.10 mm，13.97 mm，15.98 mm,相鄰兩次盾構過程產(chǎn)生的沉降差值為5.61 mm,3.87 mm和2.01 mm,其中當盾構由5環(huán)推進至10環(huán)時，開挖面逐漸接近監(jiān)測斷面，當開挖至10環(huán)時,開挖面與監(jiān)測斷面重合。由于滲流作用導致地表下沉，因此該階段沉降變化量最大,但增長幅度逐漸減小， 由此可推斷當隨道長度足夠長時，該斷面的沉降值最終會趨于穩(wěn)定。隨著盾構繼續(xù)推進，沉降槽影響范圍愈大，當盾構推進至20環(huán)時，沉降槽的寬度將影響整個模型區(qū)域。

3.2 滲流場分析

在流固耦合計算過程中，由于土體中滲透系數(shù)的存在，會改變土體的滲流場，而滲流場的改變又會導致土體的變形，因此在盾構開挖過程中研究孔隙水壓力是至關重要的。計算分析時選取z=6 m,z=12 m和z=18 m處橫斷面距隧道頂部1 m處的孔壓作為研究對象，監(jiān)測點為距隧道中心點處每間隔2 m為一個測點。如圖6～圖8所示，3個橫斷面處的孔壓變化形態(tài)相似，距離開挖面較遠處孔隙水壓力保持不變，隨著距離的減小，孔隙水壓力先增大后減小，這是由于開挖面前方土體松動周圍土體產(chǎn)生向臨空面的滲流，導致孔隙水壓力逐漸減小，而兩側的土體由于開挖面的推進土體受到擠壓，孔隙水壓力升高。

盾構推進至5環(huán)時，孔隙水壓力影響范圍為隧道軸心外14 m，此距離以外的土體不受影響，與初始孔隙水壓力保持一致，盾構推進至10環(huán)時，孔隙水壓力影響范圍為隧道軸心外16 m，此距離以外的土體不受影響，盾構由5環(huán)推進至10環(huán)的過程中，盾構開挖面逐漸逼近分析斷面，推進至10環(huán)時，開挖面剛好與分析斷面重合，由于開挖面發(fā)生滲流，孔隙水壓力急劇降低。盾構推進至10環(huán)～20環(huán)期間，孔隙水壓力影響范圍為隧道軸心外18 m，當盾構開挖至5環(huán)、10環(huán)、15環(huán)、20環(huán)時，最小孔隙水壓力均出現(xiàn)隧道軸心處，大小為83.66 kPa,84.27 kPa,81.87 kPa,79.46 kPa，隨著盾構開挖，孔隙水壓力的影響范圍逐漸變大，同時盾構開挖面距離監(jiān)測斷面越遠，影響越小。

3.3 應力場分析

計算分析時選取z=12 m處橫斷面作為研究對象，研究隧道豎向壓力隨盾構開挖過程的變化情況。豎向應力云圖如圖9所示。

如圖9(a)所示，開挖前初始孔壓力基本呈層狀分布，盾構開挖5環(huán)時，如圖9(b)所示，開挖面距離監(jiān)測斷面較遠，對監(jiān)測斷面的豎向應力影響較小。當盾構開挖至10環(huán)時，如圖9(c)所示，開挖面到達監(jiān)測斷面，由于開挖面前方的土體受到擾動，開挖面發(fā)生滲流，豎向應力較初始應力在開挖面兩側迅速降低，形成“漏斗狀”。隨著開挖面的繼續(xù)推進，盾構開挖至15環(huán)時，如圖9(d)所示，豎向應力呈現(xiàn)的“漏斗狀”更為明顯，同時隧道周圍應力集中也更為明顯。盾構開挖至20環(huán)時，由于開挖面逐漸遠離監(jiān)測斷面，對監(jiān)測斷面處的豎向應力影響逐漸減弱，豎向應力云圖逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結論

基于工程地質及水文條件建立了數(shù)值計算模型，進行流固耦合數(shù)值模擬，最后通過對盾構開挖5環(huán)、10環(huán)、15環(huán)、20環(huán)時模型的位移場、滲流場、應力場進行參數(shù)分析，得到盾構開挖過程的動態(tài)力學響應。通過研究可得以下結論：

1)通過對位移場的分析，得到3個監(jiān)測斷面的地表位移隨盾構開挖環(huán)數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)沉降曲線均符合Peck規(guī)律。從橫向沉降規(guī)律可推斷隧道長度足夠長時，監(jiān)測斷面的沉降值最終會趨于一個穩(wěn)定值，3個斷面最終沉降值分別為12.05 mm,15.98 mm和19.80 mm，滿足盾構法施工時地面沉降量在30 mm以內(nèi)的要求。

2)通過對滲流場的分析，從橫向孔隙水壓力變化可得到隨著盾構環(huán)數(shù)的推進孔壓的影響范圍逐漸增大，由推進5環(huán)時的14 m至20環(huán)的18 m。

3)通過對應力場的分析，從橫向應力場分布來看，開挖前初始孔壓力基本呈層狀分布，隨著盾構開挖，豎向應力呈現(xiàn)的“漏斗狀”更為明顯，同時隧道周圍應力集中也更為明顯。