復(fù)雜地層超大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)面穩(wěn)定性分析

□文/范永利 張樹建 喬金麗 任澤民

復(fù)雜地層超大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)面穩(wěn)定性分析

□文/范永利 張樹建 喬金麗 任澤民

以世界第一超大直徑，具有穿越復(fù)合土層，高水壓作用等難點(diǎn)的上海長江隧道為工程背景，利用數(shù)值模擬對盾構(gòu)隧道掘進(jìn)面的滲流效應(yīng)進(jìn)行了分析，探討了地下水滲流效應(yīng)對掘進(jìn)面穩(wěn)定的影響，分析了地下水作用下支護(hù)壓力與掘進(jìn)面變形的關(guān)系。根據(jù)穩(wěn)定性理論的基本原理，確定了掘進(jìn)面極限支護(hù)壓力。極限支護(hù)壓力的確定為設(shè)計(jì)和施工中掘進(jìn)面最小支撐力的確定以及防止掘進(jìn)面坍塌所需支護(hù)提供了依據(jù)。通過滲流作用效應(yīng)的影響比較發(fā)現(xiàn)：滲流力構(gòu)成了總支護(hù)力的主要部分，地下水的存在對隧道開挖面穩(wěn)定產(chǎn)生很不利影響，是不可忽視的。

復(fù)雜地層；超大直徑；掘進(jìn)面；穩(wěn)定性；盾構(gòu)；隧道

滲流作用下大直徑、穿越復(fù)合土層的盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性成為該領(lǐng)域復(fù)雜而又重要的課題。盾構(gòu)施工時(shí)地層變形的主要原因在于掌子面推進(jìn)力的控制是否與其土壓力保持平衡，如推進(jìn)力過大形成反向土壓力，地表隆起；若土壓力過小又會造成地表沉降過大，因此，開挖面穩(wěn)定對盾構(gòu)隧道施工過程具有十分重要的作用。開挖面支護(hù)壓力大小的控制應(yīng)該保證不至于壓力過低發(fā)生開挖面坍塌，同時(shí)又不能壓力過大而發(fā)生隆起破壞，因此目前開挖面支護(hù)壓力研究中很大部分研究側(cè)重于開挖面極限支護(hù)壓力的確定。

對多層土盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性的滲流分析甚少。本文基于滲流理論，利用有限差分?jǐn)?shù)值方法對盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行分析。探討了滲流作用效應(yīng)時(shí)，孔隙水壓力的存在對盾構(gòu)隧道開挖面的塑性狀態(tài)、應(yīng)力、位移及其大小的影響，并根據(jù)穩(wěn)定性理論的基本原理，把由于開挖面支護(hù)壓力的微小變化導(dǎo)致開挖面中心點(diǎn)水平位移突變時(shí)的支護(hù)壓力定為極限支護(hù)壓力并得到其值。

1　滲流分析原理

在求解孔隙水壓力的差分方程中引入應(yīng)力分析的變形結(jié)果，將不同的時(shí)步交替分配給程序作滲流分析和應(yīng)力分析，從而反映滲流關(guān)系。求得滲流場內(nèi)各點(diǎn)的孔隙壓力值后，再根據(jù)有效應(yīng)力原理計(jì)算滲流域各單元的有效應(yīng)力。在計(jì)算過程中，將巖體視作等效連續(xù)介質(zhì)，流體在介質(zhì)中的流動依據(jù)達(dá)西定律。

1.1運(yùn)動方程

流體的運(yùn)動用達(dá)西定律來描述，對于均質(zhì)、各向同性固體和常密度流體的情況，滲透介質(zhì)的達(dá)西定律為

式中：qi為滲流量；k為介質(zhì)的滲透系數(shù)；p為壓力；ρw為水密度；i為水頭梯度；xj為的距離梯度；gi為重量加速度的分量。

1.2連續(xù)性方程

飽和土體穩(wěn)定滲流基本方程為

式中：kx、ky、kz為x、y、z方向的滲透系數(shù)；h為某點(diǎn)的水頭。

1.3相容方程

應(yīng)變率和速度梯度之間的關(guān)系為

2　復(fù)雜地層超大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)面滲流分析

2.1工程概況

上海長江隧道工程為世界第一超大直徑的隧道，直徑為15m，具有穿越復(fù)合土層，高水壓作用等難點(diǎn)，是連接上海市區(qū)和崇明的高速公路通道，是我國沿海大通道的重要組成部分。長江隧橋工程總長25.5 km，采用隧道形式穿越長江南港后，連接浦東和長興島。文中根據(jù)實(shí)測資料選取了代表性斷面K2+373作為研究對象，該斷面位于長江水底。材料參數(shù)見表1。

表1　計(jì)算材料參數(shù)

2.2確定掘進(jìn)面極限支護(hù)壓力的簡化

為描述掘進(jìn)面支護(hù)壓力的大小，考慮到實(shí)際作用于掘進(jìn)面的支護(hù)壓力為梯形荷載，取隧道掘進(jìn)面中心點(diǎn)支護(hù)應(yīng)力值來代表掘進(jìn)面支護(hù)壓力大小，文中的掘進(jìn)面支護(hù)壓力統(tǒng)一指掘進(jìn)面中心點(diǎn)施加的支護(hù)壓力大小。對于掘進(jìn)面支護(hù)壓力大小的表示，引入支護(hù)應(yīng)力比的概念

式中：σs為掘進(jìn)面中心點(diǎn)支護(hù)應(yīng)力；σ0為隧道中心原始地層水平靜止土壓力。

2.3工程算例模型建立

考慮到地層條件的復(fù)雜及掘進(jìn)面位置土層的不確性，對分析地層進(jìn)行簡化，滲流分析模型見圖1，地下水位距離地表5 m。對于有地下水作用下，流體建模同力學(xué)建模并行完成。首先，執(zhí)行滲流分析，將各節(jié)點(diǎn)的孔隙水壓力和總水頭存儲起來；然后，通過總水頭值計(jì)算各個節(jié)點(diǎn)的水頭梯度值，將計(jì)算得到的滲透力作為節(jié)點(diǎn)力存儲起來；最后，將滲流分析得到的滲透力作為力邊界條件施加到應(yīng)力分析中。確定極限支護(hù)壓力時(shí)，掘進(jìn)面支護(hù)壓力先設(shè)為掘進(jìn)面中心點(diǎn)側(cè)向靜止土壓力，然后以緩慢的速度逐漸減小，做出支護(hù)壓力比與掘進(jìn)面中心點(diǎn)位移曲線，隨著支護(hù)比減小掘進(jìn)面中心點(diǎn)水平位移逐漸減小，位移急劇增大時(shí)，這時(shí)的支護(hù)壓力為最小支護(hù)壓力。

圖1　滲流分析模型

計(jì)算模型見圖2，模型采用8結(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元劃分網(wǎng)格，具有26035個結(jié)點(diǎn)，24000個單元。

圖2　網(wǎng)格及土層分布模型

3　掘進(jìn)面滲流計(jì)算結(jié)果分析

在水頭差的作用下，流體可以透過土體孔隙而產(chǎn)生流動。當(dāng)隧道在低于地下水位的地層中開挖時(shí)，地下水流入隧道掘進(jìn)面，滲透力可能影響到隧道開挖支護(hù)與掘進(jìn)面的穩(wěn)定。因此，計(jì)算作用在隧道掘進(jìn)面的滲流場與應(yīng)力場的耦合預(yù)測其穩(wěn)定性。

3.1掘進(jìn)面極限支護(hù)壓力

考慮滲流作用時(shí)極限支護(hù)壓力比為0.785，極限支護(hù)壓力為235.35 kPa；不考慮滲流作用時(shí)極限支護(hù)壓力比為0.19，極限支護(hù)壓力為40.338kPa。滲流力占總極限支護(hù)力的82.86%，構(gòu)成了總支護(hù)力的主要部分，不容忽視。

3.2滲流對開挖面的影響

表2是在支護(hù)壓力比為0.785時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可以看出，由于受流固耦合的影響程度不同，位移和應(yīng)力的變化也有所不同，但其等值線的形狀有相似的規(guī)律性。位移增大的很多，最大水平位移增大了60.57%，最大豎直位移增大了40.02%；滲流對隧道周圍單元的應(yīng)力分布狀態(tài)較為不利，單元的壓應(yīng)力減小達(dá)到了19.86%，而拉應(yīng)力增大達(dá)到了42.04%，應(yīng)力變化相對位移變化不太大，但是開挖面處應(yīng)力出現(xiàn)集中，對開挖面的應(yīng)力分布較為不利，使得單元更容易達(dá)到剪切破壞，開挖面變得更不穩(wěn)定。

表2　有滲流和無滲流情況下的最大位移和應(yīng)力

3.3孔隙水壓力對開挖面附近塑性區(qū)的影響

由圖3和圖4可以看出.支護(hù)壓力比都為0.785時(shí)有滲流作用時(shí)的隧道開挖面塑性區(qū)范圍很大，竟擴(kuò)展達(dá)開挖面前方20 m左右，趨于坍塌，需要馬上支護(hù)；相反，無滲流作用時(shí)的隧道相對很穩(wěn)定，開挖面前進(jìn)入的塑性區(qū)的區(qū)域很少。

圖3　有滲流作用下塑性區(qū)

圖4　無滲流作用下塑性區(qū)

4　結(jié)語

1）以上海長江隧道為工程背景，基于滲流理論，利用有限差分?jǐn)?shù)值方法分析了滲流作用下支護(hù)壓力和開挖面變形以及應(yīng)力的關(guān)系。有滲流和沒有滲流作用下的位移場、應(yīng)力場的差別是很大的，但是具有共同的自身變化規(guī)律性。

2）利用穩(wěn)定性理論，確定開挖面支護(hù)壓力在進(jìn)行微小變化時(shí)，開挖面中心點(diǎn)水平位移急劇增大，位移發(fā)生突變時(shí)的支護(hù)壓力為極限支護(hù)壓力，為工程上確定開挖面的支護(hù)壓力提供了依據(jù)。保證隧道開挖面穩(wěn)定的極限支護(hù)壓力等于作用于開挖面的有效支護(hù)壓力和滲透力的總和。

3）通過對孔隙水壓力的存在對盾構(gòu)隧道開挖面的塑性狀態(tài)、應(yīng)力、位移及其大小影響的比較研究發(fā)現(xiàn)：滲流力構(gòu)成了總支護(hù)力的主要部分，滲流效應(yīng)對隧道開挖面穩(wěn)定產(chǎn)生很不利影響，是不可忽視的。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.022

□張樹建/天津市公路工程總公司。

□喬金麗/河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院。

□任澤民/河北工業(yè)大學(xué)校園規(guī)劃處。

□U455

□C

□1008-3197（2015）04-54-03

□2015-06-5

□范永利/男，1978年出生，工程師，天津君勝商品混凝土有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。