基于上海軟土模型暗挖法隧道施工的力學(xué)特性

蘇玥， 葉斌

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院， 上海 200092)

隨著城市中心城區(qū)的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度日益增大，在交通和建筑密集區(qū)域建設(shè)軌道交通車站面臨著越來(lái)越突出的環(huán)境問(wèn)題。傳統(tǒng)的明挖法對(duì)地面交通、市民生存環(huán)境、既有市政管線等有較大影響，而暗挖法有環(huán)境污染輕、拆遷量小、交通干擾少等優(yōu)點(diǎn)，更適用于鬧市區(qū)[1]，但暗挖法用于軌道交通車站的修建時(shí)對(duì)開(kāi)挖土體的自立性及穩(wěn)定性要求較高。以上海為代表的大都市因地下水位較高，土體強(qiáng)度低，屬于典型的軟土地區(qū)[2]，多年來(lái)其地鐵車站的建設(shè)一直采用明挖法，但現(xiàn)如今城市建設(shè)與環(huán)境、交通的矛盾日益尖銳，明挖法施工遇到瓶頸。因此，在軟土地區(qū)引入暗挖法建設(shè)地鐵車站具有十分重要的意義。

管幕暗挖法是近年來(lái)逐步推廣使用的一種地下暗挖技術(shù)。其首先在擬暗挖位置的外周逐根頂進(jìn)鋼管，形成封閉的管幕圈，然后在管幕的圍護(hù)下進(jìn)行暗挖施工，最終形成地下空間。管幕暗挖法具有斷面靈活、非開(kāi)挖比例高、施工無(wú)噪聲振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但在還未應(yīng)用于建設(shè)上海軟土地鐵車站工程。因此，上海市以軌道交通14號(hào)線桂橋路站為試點(diǎn)工程，嘗試將管幕暗挖法實(shí)踐于上海軟土地層中。

管幕暗挖法的施工工序較為復(fù)雜，管幕的設(shè)計(jì)方案、頂進(jìn)順序尤為重要，同時(shí)，在管幕支護(hù)下的暗挖法施工方案、工藝技術(shù)也將直接影響施工擾動(dòng)程度。因此，針對(duì)管幕暗挖工程開(kāi)展精細(xì)化的數(shù)值模擬研究，有助于掌握此類工程的力學(xué)行為特征，防范施工風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)值模擬是進(jìn)行工程力學(xué)性質(zhì)研究的一種重要手段，許多學(xué)者已對(duì)暗挖法隧道施工進(jìn)行過(guò)數(shù)值模擬工作，深入研究了暗挖法工程的力學(xué)特性。陳功祥等[3]建立了Midas-GTS NX三維模型，進(jìn)行了深回填土區(qū)暗挖隧道群力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究；牛斌等[4]采用注漿試驗(yàn)，采用FLAC3D數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)相結(jié)合的方式研究粉細(xì)砂地層單層暗挖車站柱洞法施工時(shí)地表沉降規(guī)律，并提出了一種在粉細(xì)砂地層單層暗挖車站的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；戴亞軍等[5]采用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)超大斷面泥質(zhì)粉砂巖地鐵車站淺埋暗挖施工的開(kāi)挖方法及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究，分析了不同開(kāi)挖和支護(hù)方案下的拱頂位移，地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況；梅源等[6]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬，研究了濕陷性黃土地區(qū)富水砂層凍結(jié)法暗挖施工的土體溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)及凍脹融沉規(guī)律；杜俊等[7]采用有限元數(shù)值模擬方法，模擬在不采取預(yù)加固措施時(shí)暗挖地下通道的施工過(guò)程；雷嘯天等[8]利用FLAC3D驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性，同時(shí)模擬了圍巖在真實(shí)時(shí)間下的施工力學(xué)響應(yīng)；文獻(xiàn)[9-10]利用數(shù)值模擬方法對(duì)隧道變形進(jìn)行了研究，提出了合理的變形控制措施。這些研究涉及的地層多為砂土、卵石或巖層等較為穩(wěn)定的地層，且現(xiàn)有的數(shù)值分析一般采用Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Duncan-Chang等經(jīng)典本構(gòu)模型。這些本構(gòu)模型雖然應(yīng)用比較廣泛，但仍存在無(wú)法考慮土體結(jié)構(gòu)性、超固結(jié)性和各向異性等特征的缺點(diǎn)[11-12]。因而，對(duì)于飽和軟土地層的軌道交通車站的暗挖法施工需進(jìn)一步研究，同時(shí)也需要探索更加合適的本構(gòu)模型來(lái)研究其力學(xué)特性。

上海地處長(zhǎng)江口南岸平原區(qū)，成陸較晚，全區(qū)地勢(shì)平坦，第四紀(jì)地層十分發(fā)育，上海地區(qū)地層結(jié)構(gòu)可以分為兩部分，下部埋深145～320 m，是雜色黏土與砂礫互層，為早更新世陸相沉積物；上部是以灰色為主，夾有黏土，與淺灰、黃灰色粉砂性土互層，稱為“灰色層”，屬中更新世以來(lái)海陸沉積物，故上海飽和軟土具有獨(dú)特的性質(zhì)。上海軟土模型是在劍橋模型基礎(chǔ)上發(fā)展的精細(xì)化本構(gòu)模型，模型采用的參數(shù)更能反映上海地區(qū)軟土的三大特點(diǎn)，即超固結(jié)性(長(zhǎng)江沖積和海進(jìn)海退的共同作用)、結(jié)構(gòu)性(頂部和底部是超固結(jié)硬殼層，中間是靈敏軟黏土)和各向異性(重力沉積作用導(dǎo)致顆粒形態(tài)和孔隙微觀結(jié)構(gòu)在空間取向上的差異性)[13-16]。現(xiàn)將此精細(xì)化本構(gòu)模型用于桂橋路車站施工數(shù)值模擬中，分析基于上海軟土本構(gòu)模型的暗挖法隧道施工位移、應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)特性，為相關(guān)工程提供參考和借鑒，有利于加快暗挖工法技術(shù)體系在軟土地層中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境地鐵車站建設(shè)中的形成。

1 工程概況

上海市軌道交通14號(hào)線桂橋路站附屬結(jié)構(gòu)段(圖1)位于上海市浦東新區(qū)王家橋路與曹家溝交界處，下穿曹家溝，覆土厚度約7.1 m。此結(jié)構(gòu)段采用暗挖管幕法施工，暗挖管幕段長(zhǎng)度為100 m，暗挖埋深約5.4 m。結(jié)構(gòu)為地下一層鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外包尺寸為寬21.99 m，高7.2 m，凈寬20.19 m，凈高5.4 m。暗挖管幕段橫斷面示意圖如圖2所示。

圖1 暗挖管幕段平面效果圖Fig.1 Plane rendering of underground pipe curtain section

1.1 施工工法

施工時(shí)首先采用頂管機(jī)在暗挖位置的外周逐根頂進(jìn)52根鋼管[圖3(b)]，形成封閉的水平管幕；然后采用水平全方位高壓噴射(metro jet system，MJS)工法樁對(duì)開(kāi)挖掌子面進(jìn)行加固[圖3(c)]，前30 m滿倉(cāng)加固，為強(qiáng)加固區(qū)，剩余70 m跳倉(cāng)加固，為弱加固區(qū))，以防掌子面失穩(wěn)、傾覆；其次進(jìn)行管幕間凍結(jié)加固，使管幕形成密閉的帷幕；接下來(lái)采用臺(tái)階法分倉(cāng)分層開(kāi)挖土體；待全部開(kāi)挖完成后，進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工[17]。

圖2 暗挖管幕段橫斷面示意圖Fig.2 Diagraph of cross section of underground pipe curtain section

圖3 管幕試驗(yàn)段示意圖Fig.3 Schematic diagram of tube curtain test section

因管幕橫向無(wú)約束，進(jìn)行全斷面開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)極大。故暗挖斷面開(kāi)挖的基本原則為：分倉(cāng)、分層、短進(jìn)尺、及時(shí)支撐。為減小開(kāi)挖期間沉降變形，同時(shí)考慮施工過(guò)程安全性和便利性，管幕段土方開(kāi)挖的總體流程為：從北向南，先上后下，先左右后中間。根據(jù)此流程，開(kāi)挖順序如圖4所示。具體開(kāi)挖方案為：1倉(cāng)→2倉(cāng)→3倉(cāng)→4倉(cāng)→5倉(cāng)→6倉(cāng)。

圖4 各倉(cāng)開(kāi)挖順序Fig.4 Excavation sequence of each warehouse

1.2 工程地質(zhì)條件

勘察結(jié)果表明，工程場(chǎng)地屬于上海市正常地層分布區(qū)域，沿線場(chǎng)地80 m深度范圍內(nèi)地基土自上而下為：第①1層雜填土，第②層褐黃～灰黃色粉質(zhì)黏土，第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，第③夾層黏質(zhì)粉土，第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，第④層淤泥質(zhì)黏土，第⑤1層灰色黏土，第⑥層暗綠～草黃色粉質(zhì)黏土，第⑦1-1層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土。管幕頂進(jìn)的土層主要為③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)黏土中，均為飽和、低強(qiáng)度、高壓縮性的土層。各土層的厚度及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 上海軟土模型理論及參數(shù)取值

2.1 有限元軟件DBLEAVES簡(jiǎn)介

采用自行研發(fā)的有限元軟件DBLEAVES模擬暗挖法隧道施工。DBLEAVES是地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)一體化靜力與動(dòng)力有限元分析程序。該程序能高效進(jìn)行二維和三維水土耦合數(shù)值計(jì)算，可用于計(jì)算靜力和動(dòng)力問(wèn)題。該程序包含可用性強(qiáng)的精細(xì)化本構(gòu)模型，例如循環(huán)流動(dòng)模型(cyclic mobility model，CMM)等，運(yùn)算能力強(qiáng)大，適合用于解決各類巖土工程問(wèn)題。DBLEAVES解析流程如下：開(kāi)始→剖分網(wǎng)格并確定材料參數(shù)→制作輸入文件→運(yùn)行DBLEAVES程序→整理計(jì)算結(jié)果→結(jié)束。

表1 地層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of formation

2.2 上海軟土模型理論

CMM是基于劍橋模型發(fā)展起來(lái)的一種精細(xì)化本構(gòu)模型，在劍橋模型的基礎(chǔ)上考慮了軟土的超固性、結(jié)構(gòu)性和各向異性特征，因而更能反映上海軟土的特點(diǎn)。對(duì)CMM本構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，具體推導(dǎo)過(guò)程可參閱相關(guān)文獻(xiàn)[13-16]。

2.2.1 屈服面方程

CMM也是一種彈塑性本構(gòu)模型。該模型的屈服面函數(shù)與修正劍橋模型類似，采用正常固結(jié)屈服面、上負(fù)荷屈服面以及下負(fù)荷屈服面來(lái)描述土體正常固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)和超固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)，如圖5所示。

pm為下負(fù)荷屈服面與各向異性轉(zhuǎn)軸交點(diǎn)在軸上的投影，坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)為為正常固結(jié)屈服面與各向異性轉(zhuǎn)軸交點(diǎn)在軸上的投影，坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)為為上負(fù)荷屈服面與各向異性轉(zhuǎn)軸交點(diǎn)在軸上的投影，坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)為圖5 CMM在p-q平面上的屈服面Fig.5 Yield plane of CMM in p-q plane

R*為上負(fù)荷屈服面和正常固結(jié)屈服面間相似比，R為上負(fù)荷屈服面和下負(fù)荷屈服面之間的相似比，如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

下負(fù)荷屈服面如式(3)所示。

(3)

式(1)、式(2)和式(3)中的參數(shù)詳細(xì)說(shuō)明如下。

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2.2 應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性應(yīng)力張量

應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性應(yīng)力張量發(fā)展準(zhǔn)則表達(dá)式為

(8)

2.2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)R*發(fā)展準(zhǔn)則表達(dá)式為

(9)

其中U*表示為

(10)

式(10)中：a為控制剪切過(guò)程中結(jié)構(gòu)消散速率的參數(shù)。

2.2.4 超固結(jié)參數(shù)

超固結(jié)參數(shù)R的發(fā)展準(zhǔn)則定義為

(11)

(12)

(13)

式(13)中：m為控制超固結(jié)狀態(tài)變化的材料參數(shù)。

2.3 參數(shù)取值

CMM的②～⑥層土參數(shù)已有學(xué)者進(jìn)行了研究[18-19]，結(jié)果顯示模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高，說(shuō)明確定的參數(shù)可用于工程計(jì)算。第⑥層以下土體參數(shù)首先根據(jù)勘察報(bào)告獲得各土層對(duì)應(yīng)的重度γ、靜止土壓力系數(shù)K0以及滲透系數(shù)k值；然后，通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)得到模型中所需要的第⑧層和第⑩層土的參數(shù)取值；最后，利用CMM模型對(duì)深層土固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)進(jìn)行模擬得到其余參數(shù)的取值?，F(xiàn)將所有土層參數(shù)匯總于表2和表3。

3 桂橋路車站數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 計(jì)算模型

采用三維模型來(lái)模擬土體開(kāi)挖，如圖6所示。土體模型水平方向尺寸為85.6 m，豎向36 m，縱向100 m。鋼管群簡(jiǎn)化為墻體，土體、鋼管群與MJS加固體均采用六面體實(shí)體單元模擬，開(kāi)挖部分開(kāi)挖進(jìn)尺為12.5 m分割。模型除頂面外均采用法向約束，地表為自由邊界，荷載僅考慮所有單元的自重。周圍土體采用精細(xì)化本構(gòu)模型CMM，鋼管群與MJS加固體采用彈性本構(gòu)模型，土體的計(jì)算參數(shù)如表4所示，鋼管群、MJS加固體的計(jì)算參數(shù)如表5所示。劃分網(wǎng)格時(shí)遵循如下原則：開(kāi)挖處和鋼管群處網(wǎng)格劃分盡量密集，越接近模型邊緣，網(wǎng)格劃分越稀疏。

表2 CMM參數(shù)匯總1Table 2 CMM parameter summary 1

表3 CMM參數(shù)匯總2Table 3 CMM parameter summary 2

模型首先進(jìn)行彈性計(jì)算，使土體達(dá)到施工前的固結(jié)狀態(tài)，并形成初始應(yīng)力場(chǎng)。由于此部分主要模擬管幕內(nèi)主體部分的開(kāi)挖，因此將鋼管群簡(jiǎn)化為墻體，并簡(jiǎn)化鋼管群與MJS加固的施工過(guò)程，即在一個(gè)分析步內(nèi)完成鋼管群的安放及MJS加固，不模擬支撐部分。MJS加固體均為強(qiáng)加固。至此，主體部位開(kāi)挖前的模型已建立完畢，再次對(duì)模型進(jìn)行位移清零，以方便查看開(kāi)挖及支撐引起的地層響應(yīng)。接下來(lái)按照施工規(guī)劃，依次開(kāi)挖。

圖6 三維模型網(wǎng)格劃分Fig.6 3D model meshing

表4 地層的物理力學(xué)參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of formation

表5 鋼管群及MJS加固體的計(jì)算參數(shù)Table 5 Calculation parameters of steel tube group and MJS plus solid

模擬的施工方案為上臺(tái)階先開(kāi)挖，下臺(tái)階后開(kāi)挖。對(duì)于上臺(tái)階或下臺(tái)階都是左右兩倉(cāng)先開(kāi)挖，中間倉(cāng)后開(kāi)挖，即開(kāi)挖順序?yàn)椋?倉(cāng)→2倉(cāng)→3倉(cāng)→4倉(cāng)→5倉(cāng)→6倉(cāng)(如圖4所示)。每步開(kāi)挖前進(jìn)12.5 m。每開(kāi)挖12.5 m為一個(gè)分析步，開(kāi)挖6個(gè)倉(cāng)總共需要48個(gè)開(kāi)挖步，即整個(gè)施工過(guò)程共48個(gè)工況載荷步。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 位移場(chǎng)分析

1)豎向位移

在隧道施工前，分析因隧道開(kāi)挖而產(chǎn)生的地表位移情況對(duì)于施工的安全保障具有指導(dǎo)作用。圖7為6個(gè)倉(cāng)開(kāi)挖過(guò)程中的地表變形曲線，可以看出，地表主要發(fā)生了沉降變形。1倉(cāng)開(kāi)挖引起的最大地表變形最小，變形最均勻。2倉(cāng)開(kāi)挖后，地表變形呈對(duì)稱性，這是由于開(kāi)挖呈對(duì)稱性；同理，4倉(cāng)開(kāi)挖后，左倉(cāng)上方地表變形偏大，待6倉(cāng)開(kāi)挖完之后，變形再次具有了對(duì)稱性，最終地表變形趨于對(duì)稱分布。由此可推知，連續(xù)開(kāi)挖兩側(cè)倉(cāng)的上下臺(tái)階會(huì)加大地表不均勻變形，先分別開(kāi)挖兩邊倉(cāng)的上下臺(tái)階再挖中間倉(cāng)可減小地表不均勻變形。

圖7 開(kāi)挖過(guò)程中地表變形曲線Fig.7 Surface deformation curve during excavation

由于巖土介質(zhì)的多相性及邊界條件的復(fù)雜性，單純的數(shù)值模擬和理論分析均不能準(zhǔn)確分析隧道施工過(guò)程中圍巖的力學(xué)行為，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)不僅能及時(shí)反饋信息指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，還能彌補(bǔ)數(shù)值模擬和理論分析等研究手段的不足，為此，選取開(kāi)挖完畢后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在桂橋路車站施工現(xiàn)場(chǎng)，每隔5～6 m布設(shè)一個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖8中的實(shí)測(cè)位移曲線為開(kāi)挖完成后，實(shí)測(cè)的地表變形曲線。由該曲線可知，地層發(fā)生了較大的沉降變形，最大值可達(dá)27 mm。與選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對(duì)暗挖法施工過(guò)程的模擬[20]對(duì)比，運(yùn)用CMM本構(gòu)模型的模擬結(jié)果更加接近實(shí)測(cè)值，這是由于上海軟土模型采用的參數(shù)更能反映上海地區(qū)軟土的超固結(jié)性、結(jié)構(gòu)性、各向異性等三大特點(diǎn)。

隧道工程的施工使得周圍土體發(fā)生了顯著的變形，但影響范圍是有限的，即超過(guò)一定的距離以后可忽略對(duì)土體變形的影響。圖9為開(kāi)挖過(guò)程中鋼管群底部水平面的變形曲線，結(jié)果表明，開(kāi)挖底部表面豎向位移較小，最大豎向位移為0.018 mm，鋼管群下方表面豎向位移最小，最小值為0.01 mm。值得注意的是，越靠近鋼管群處土體越有向上隆起的趨勢(shì)，主要原因是管幕埋深較淺，且頂管擠土效應(yīng)比較嚴(yán)重，同時(shí)，受上部土體開(kāi)挖的影響，隧道底部土體應(yīng)力得到釋放，進(jìn)一步解釋了開(kāi)挖卸荷造成的隧道底部隆起。

圖10 開(kāi)挖過(guò)程豎向位移分布云圖Fig.10 Cloud diagram of vertical displacement distribution during excavation

圖8 開(kāi)挖完畢后地表變形曲線Fig.8 Surface deformation curve after excavation

典型開(kāi)挖步的土體豎向方向位移如圖10所示。從第一步開(kāi)挖起，豎向位移最大值出現(xiàn)在中心附近。1倉(cāng)開(kāi)挖后豎向最大位移為4.7 mm，2倉(cāng)開(kāi)挖后最大位移為7.6 mm，3倉(cāng)開(kāi)挖后的最大位移為11.7 mm，4倉(cāng)開(kāi)挖后的最大位移為16.9 mm，5倉(cāng)開(kāi)挖后的最大位移為20.5 mm，6倉(cāng)開(kāi)挖后的最大位移達(dá)到了25.2 mm。不同倉(cāng)開(kāi)挖時(shí)地表變形具有相同的分布規(guī)律，最大變形發(fā)生位置基本保持在車站中心的位置，故在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)考慮在車站中心位置加強(qiáng)支護(hù)，避免發(fā)生坍塌現(xiàn)象。此外，在隧道施工過(guò)程中，地表的變形明顯大于下方，表明隧道施工對(duì)其上方土體的擾動(dòng)更加明顯，在淺埋隧道中宜加強(qiáng)地表位移的監(jiān)測(cè)，評(píng)估對(duì)其影響范圍內(nèi)建筑物的安全。

圖9 開(kāi)挖過(guò)程中鋼管群底部水平面變形曲線Fig.9 The horizontal plane deformation curve of the bottom steel tube group during excavation

2)水平位移

為便于敘述，將模型各部位進(jìn)行定義，如圖11所示，分析開(kāi)挖過(guò)程中隧道周圍土體的水平位移隨關(guān)鍵計(jì)算步變化(圖12)，可以看出：受左右倉(cāng)土體開(kāi)挖步序來(lái)回切換的影響，隧道周邊土體的水平位移變化也呈現(xiàn)了一定的跳動(dòng)現(xiàn)象。左肩和右肩的水平位移基本一致，最大水平位移發(fā)生在肩部，在1倉(cāng)開(kāi)挖和4倉(cāng)開(kāi)挖時(shí)水平位移最大，約為0.5 mm，其他部位的水平位移較小，約為0.1 mm?？傮w來(lái)看，開(kāi)挖過(guò)程中水平位移較小，所以開(kāi)挖后隧道圍巖位移以豎向位移為主，為保證隧道安全，應(yīng)重點(diǎn)控制隧道的豎向位移。需要注意的是，雖然隧道周圍土體水平位移較小，但可能會(huì)因左右倉(cāng)開(kāi)挖步序轉(zhuǎn)換而出現(xiàn)日均水平位移變化幅度過(guò)大的問(wèn)題，這點(diǎn)應(yīng)引起工程上的重視。

圖11 模型各部位定義Fig.11 Definition of each part of the model

3.2.2 應(yīng)力分布規(guī)律

圖13 剪應(yīng)力分布云圖Fig.13 Cloud diagram of shear stress distribution

從力學(xué)角度來(lái)看，隧道的開(kāi)挖和支護(hù)是不斷地加、卸載的過(guò)程，同時(shí)也使得圍巖的邊界條件不斷改變。圍巖內(nèi)部在開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力狀態(tài)不斷改變和調(diào)整，因此會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形甚至是破壞。開(kāi)挖完畢后的剪應(yīng)力分布云圖如圖13所示，可以看出，剪應(yīng)力沿隧道開(kāi)挖斷面分布趨于均勻，在左腳和右腳部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大剪應(yīng)力達(dá)到94.8 kPa，其次是左肩和右肩部位。由于土體的抗剪性能差，因此在開(kāi)挖過(guò)程中，考慮將底腳附近作為隧道圍巖破壞判定的關(guān)鍵位置，故開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)注意在底腳部位加強(qiáng)支護(hù)。

3.2.3 應(yīng)變分布規(guī)律

隧道開(kāi)挖后，圍巖往往由于變形過(guò)大而產(chǎn)生拉剪或是壓剪破壞，剪應(yīng)變能較好反映圍巖受到工程力的變形或是破壞。圖14為典型開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?cè)茍D，可以看出，開(kāi)挖過(guò)程中，周圍土體的剪應(yīng)變基本呈對(duì)稱分布，剪應(yīng)變一直集中分布在左肩和右肩部位，表明肩部是開(kāi)挖時(shí)的薄弱部位，局部塌方風(fēng)險(xiǎn)極高，在開(kāi)挖前建議著重對(duì)肩部進(jìn)行MJS加固。

4 結(jié)論

介紹了上海軟土本構(gòu)模型，依托桂橋路車站工程，將此精細(xì)化本構(gòu)模型用于桂橋路車站暗挖法施工數(shù)值模擬中，研究了基于上海軟土本構(gòu)模型的暗挖法隧道施工力學(xué)特性。主要結(jié)論如下。

(1)開(kāi)挖階段地層主要發(fā)生了沉降變形，沉降值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值較接近。不同倉(cāng)開(kāi)挖時(shí)地表變形曲線具有相同的分布規(guī)律，最大變形發(fā)生位置基本保持在車站中心的位置，開(kāi)挖完畢后地表變形達(dá)到最大，最終地表變形趨于對(duì)稱分布。

(2)開(kāi)挖完畢后，橫斷面上的剪應(yīng)力分布呈現(xiàn)對(duì)稱性，在開(kāi)挖土體左腳和右腳部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于巖土介質(zhì)的抗剪性能差，沿底腳這一路徑易發(fā)生破壞，故開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)注意在底腳部位加強(qiáng)支護(hù)。

圖14 開(kāi)挖過(guò)程剪應(yīng)變分布云圖Fig.14 Cloud diagram of shear strain distribution during excavation

(3)開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖土體周圍的剪應(yīng)變基本呈對(duì)稱分布，開(kāi)挖土體上方主應(yīng)變最大，表明開(kāi)挖過(guò)程中上方土體易發(fā)生破壞，其中，左肩及右肩局部塌方風(fēng)險(xiǎn)極高，在開(kāi)挖前建議著重對(duì)肩部進(jìn)行MJS加固。

(4)與選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對(duì)暗挖法施工過(guò)程的模擬進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)用上海軟土模型的模擬結(jié)果更加接近實(shí)測(cè)值，這是由于上海軟土模型采用的參數(shù)能更好地反映上海地區(qū)軟土的超固結(jié)性、結(jié)構(gòu)性、各向異性等三大特點(diǎn)。

(5)將上海軟土本構(gòu)模型用于桂橋路車站的開(kāi)挖施工模擬中，從計(jì)算結(jié)果看，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致，但由于此本構(gòu)模型較為復(fù)雜，針對(duì)大型工程的模擬仍存在計(jì)算速度較慢等問(wèn)題，后續(xù)將進(jìn)一步研究提高計(jì)算速度的方法。