軟弱地層超大矩形頂管盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性研究

劉朝欽

（海峽（福建）交通工程設(shè)計(jì)有限公司， 福州 350004）

隨著我國基建領(lǐng)域的飛速發(fā)展，城市地下空間利用率逐步提升，盾構(gòu)法因高效、安全、斷面利用率高等優(yōu)點(diǎn)在城市地下隧道建設(shè)中被廣泛使用［1-3］。在城市地下隧道建設(shè)過程中，難免會遇到地質(zhì)情況不良、上覆鐵路、重要建筑物等情況，因此在軟弱地層隧道施工過程中確保隧道開挖面的穩(wěn)定性就顯得十分重要［4 - 5］。

目前，大批專家、學(xué)者針對城市隧道開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，主要有：潘格林等［6］依托實(shí)際工程，利用FLAC3D進(jìn)行建模，對滲流狀態(tài)下砂卵石不良地層隧道開挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行研究；宋洋等［7］以南京市某地下線路為工程背景，通過建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，對?- 礫復(fù)合地層盾構(gòu)隧道開挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行探究；李清川等［8］以青島地鐵某工程段為研究對象，建立開挖破壞模型，對數(shù)值結(jié)果進(jìn)行理論分析；李鳳濤等［9］通過對所建立的杭州沿江運(yùn)河隧道模型進(jìn)行數(shù)值分析并對開挖面局部被動失穩(wěn)上限進(jìn)行分析，對淺埋泥水不良地質(zhì)下開挖面進(jìn)行失穩(wěn)分析；葉治等［10］以武漢地鐵7號線某區(qū)間為工程依托，探究隧道開挖面出現(xiàn)涌水情況時(shí)對地表產(chǎn)生的沉降影響并對管片內(nèi)力進(jìn)行分析；黃阜等［11］構(gòu)建長沙地鐵2號線某區(qū)間數(shù)值模型，通過對所建數(shù)值模型進(jìn)行分析，對隧道開挖面安全系數(shù)進(jìn)行研究；朱葉艇等［12］采用相似物理模型試驗(yàn)對上海地鐵某區(qū)間盾構(gòu)工程開挖過程中對鄰近地下管線的影響進(jìn)行研究等。以上研究多集中于城市地鐵推進(jìn)過程中開挖面的穩(wěn)定性研究，鮮有對軟弱地層下上覆高速鐵路的城市地下通道開挖面的穩(wěn)定性研究。

本文以福建莆田火車站頂管盾構(gòu)地下通道工程為依托，建立軟弱地層超大矩形頂管盾構(gòu)隧道數(shù)值計(jì)算模型，引入了無量綱參數(shù)支護(hù)應(yīng)力差率，對不同地層參數(shù)（φ和c）、不同埋深（C）時(shí)開挖面位移和支護(hù)應(yīng)力差率曲線進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

莆田火車站南北廣場東西側(cè)地下通道位于莆田火車站東西兩側(cè)，呈南北走向，周邊現(xiàn)狀以民宅和果園為主。隧道周邊規(guī)劃用地性質(zhì)以商業(yè)、居住用地、綠地為主。東側(cè)通道頂管盾構(gòu)段長212 m，西側(cè)通道頂管盾構(gòu)段長260 m，管片外徑12.6×7.65 m，壁厚0.8 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長度1.8 m，工程現(xiàn)場如圖1所示。頂管盾構(gòu)施工區(qū)間地質(zhì)主要包括第四系人工填土層、第四系沖洪積層、燕山期侵入巖（按風(fēng)化程度分為全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層，局部有輝綠巖呈巖脈侵入花崗巖中）。

圖1 工程現(xiàn)場圖

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

建立超大矩形頂管盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定精細(xì)化模型。隧道縱向長度取35.00 m，頂管盾構(gòu)已掘進(jìn)支護(hù)距離取9.0 m（5環(huán)），開挖步長取1.80 m。頂管盾構(gòu)掘進(jìn)前已采取降水措施，不考慮地下水滲流的影響。

2.2 支護(hù)應(yīng)力差率m

假設(shè)矩形頂管盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定時(shí)支護(hù)應(yīng)力如圖2所示，定義支護(hù)應(yīng)力差率m為開挖面一點(diǎn)的支護(hù)力與該點(diǎn)靜止土壓力的比值。

圖2 開挖面支護(hù)力圖

2.3 計(jì)算工況

擬研究埋深（C）、地層參數(shù)（c和φ）對軟弱地層超大矩形頂管盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的影響，設(shè)定計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況表

2.4 計(jì)算參數(shù)

模型中地層和管節(jié)物理力學(xué)參數(shù)參照地勘報(bào)告、室內(nèi)試驗(yàn)選取，如表2所示。

表2 計(jì)算參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 開挖面位移

3.1.1 埋深因子

埋深因子ζC取 1.00，1.50，2.00時(shí)，開挖面位移云圖如圖3所示（以ζφ取1.0，ζc取1.0為例）。

圖3 不同埋深時(shí)開挖面形態(tài)圖

由圖3可知：

（1）埋深因子ζC為1.00、1.50和2.00時(shí)，矩形頂管盾構(gòu)開挖面主動失穩(wěn)時(shí)最大位移為0.76 m、0.51 m和 0.16 m；埋深 因 子ζC為 1.00、1.50和 2.00時(shí)，開挖面被動失穩(wěn)時(shí)最大位移為1.60 m、0.51 m和0.66 m。

（2）軟弱地層超大矩形頂管盾構(gòu)埋深因子ζC越小，相同m下因支護(hù)力過大（?。┰斐傻拈_挖面主動（被動）失穩(wěn)的開挖面位移越大。

3.1.2 黏聚力因子

黏聚力因子ζc為2.0，6.0和8.0時(shí)超大矩形頂管盾構(gòu)隧道開挖面位移云圖如圖4所示（以ζC取1.0、ζφ取1.0為例）。

由圖4可知：

圖4 不同ζc時(shí)開挖面位移圖

（1）黏聚力因子ζc為2.0，6.0和8.0時(shí)，開挖面主動失穩(wěn)時(shí)最大位移分別為0.74 m，0.58 m和0.48 m；黏聚力因子ζc為2.0，6.0和8.0時(shí)，開挖面被動失穩(wěn)時(shí)最大位移為1.81 m，1.47 m和1.00 m。

（2）黏聚力因子ζc越大，相同支護(hù)應(yīng)力差率m下軟弱地層超大矩形頂管盾構(gòu)開挖面位移越小。

3.1.3 內(nèi)摩擦因子

內(nèi)摩擦角因子ζφ為1.0，1.25和2.0時(shí)，超大矩形頂管盾構(gòu)隧道在軟弱地層中開挖面位移云圖如圖5所示（以ζC取1，ζc取1.0為例）。

圖5 不同ζφ時(shí)開挖面位移圖

由圖5可知：

（1）當(dāng)內(nèi)摩擦角因子ζφ為 1.0，1.25，2.0時(shí)，頂管盾構(gòu)隧道開挖面主動破壞時(shí)最大位移為0.71 m，0.40 m和0.39 m；被動破壞時(shí)開挖面最大位移為1.79 m，0.31 m和0.01 m。

（2）軟弱地層的內(nèi)摩擦因子ζφ越大，相同支護(hù)應(yīng)力差率m下開挖面主動（被動）破壞土體變形越小，造成的開挖面位移和地表沉降也越小。

3.2 支護(hù)應(yīng)力差率m

3.2.1 埋深因子

埋深因子ζC為1.0，1.5，2.0時(shí)軟弱地層矩形頂管盾構(gòu)開挖面m曲線如圖6所示（以ζc為1.0，ζφ為1.25為例）。

由圖6可知：

圖6 不同ζc時(shí)m曲線圖

（1）開挖面主動破壞時(shí)，隨著m減小，開挖面沿隧道縱向位移首先緩慢增加，在超過開挖面極限m后，掌子面位移迅速增加，開挖面失穩(wěn)破壞。頂管盾構(gòu)隧道埋深因子ζC為1.00，1.50，2.00時(shí)，開挖面分別在m為0.40，0.30，0.20時(shí)主動失穩(wěn)。

（2）開挖面被動破壞時(shí)，最大位移隨著m的增加而逐漸增加，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力大于開挖面的被動極限m時(shí)，開挖面失穩(wěn)破壞。在ζC為 1.00，1.50，2.00時(shí)，開挖面在m為7.00，8.00，10時(shí)失穩(wěn)。

（3）埋深因子ζC越大，開挖面到達(dá)主動破壞時(shí)m越小，開挖面達(dá)到被動破壞時(shí)m越大。

3.2.2 黏聚力因子

超大矩形頂管盾構(gòu)隧道在不同粘聚力因子ζc的軟弱地層時(shí)開挖面的m曲線如圖7所示。

圖7 不同ζc時(shí)m曲線圖

由圖7可知：

（1）開挖面主動破壞時(shí)，隨著支護(hù)應(yīng)力差率m的減小，不同粘聚力因子ζc的土層的掌子面縱向位移差異較小，均由0緩慢增加。在達(dá)到開挖面失穩(wěn)破壞狀態(tài)后，隧道掌子面縱向位移迅速增加并擴(kuò)展，開挖面失穩(wěn)垮塌破壞。

（2）對于開挖面被動破壞狀態(tài)，支護(hù)應(yīng)力差率m從1增加時(shí)，開挖面縱向位移由0逐漸增加；m越大，開挖面被動破壞縱向位移越大。

（3）軟巖地層中粘聚力因子ζc越大，開挖面到達(dá)主動破壞時(shí)支護(hù)應(yīng)力差率m越小，被動破壞時(shí)支護(hù)應(yīng)力差率m越大。

3.2.3 內(nèi)摩擦因子

矩形頂管盾構(gòu)隧道在不同內(nèi)摩擦角因子（ζφ）的土體中頂進(jìn)時(shí)的支護(hù)應(yīng)力差率（m）曲線如圖8所示。

圖8 不同ζφ時(shí)m曲線圖

由圖8可知：

（1）開挖面主動破壞時(shí)，支護(hù)應(yīng)力差率m小于0.40時(shí)開挖面位移差異較大；當(dāng)m大于0.40時(shí)，軟弱土層中開挖面縱向位移變化不大，開挖面可維持自身穩(wěn)定；m小于0.40后，對于ζφ為1.0和1.25的地層，開挖面失穩(wěn)后位移迅速增加，開挖面失穩(wěn)破壞。

（2）對于被動失穩(wěn)狀態(tài)，m小于4時(shí)，內(nèi)摩擦角的不同對于地表的沉降影響相對較小，均在緩慢增加；當(dāng)m大于4后，不同ζφ土層間開挖面縱向位移差異迅速增大，ζφ為1.0，1.25和1.50時(shí)，開挖面位移可達(dá)2.45 m、2.12 m和1.73 m；而對于ζφ為1.75和2.0的土層，開挖面位移僅為0.29 m和0.15 m。

（3）軟弱地層的內(nèi)摩擦角因子ζφ越大，開挖面主動破壞的支護(hù)應(yīng)力差率m越小，被動破壞時(shí)支護(hù)應(yīng)力差率m越大。

4 結(jié)論

（1）隨著埋深因子ζC的增加，相同支護(hù)應(yīng)力差率m下矩形頂管盾構(gòu)隧道開挖面破壞位移越小，開挖面到達(dá)主動破壞時(shí)m越小，開挖面達(dá)到被動破壞時(shí)m越大。

（2）黏聚力因子ζc越大，相同支護(hù)應(yīng)力差率m下矩形頂管盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)時(shí)位移越小，開挖面到達(dá)主動破壞時(shí)支護(hù)應(yīng)力差率m越小，被動破壞時(shí)支護(hù)應(yīng)力差率m越大。

（3）內(nèi)摩擦因子ζφ越大，相同支護(hù)應(yīng)力差率m下矩形頂管盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)時(shí)位移越小，開挖面主動破壞的支護(hù)應(yīng)力差率m越小，被動破壞時(shí)支護(hù)應(yīng)力差率m越大。