飽水砂性地層隧道掌子面穩(wěn)定性分析

■董學(xué)綢

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

0 引言

飽水砂性地層是一種典型不良地質(zhì)條件，其結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，透水性強(qiáng)，黏聚力小，自穩(wěn)性差，掌子面穩(wěn)定問題成為隧道施工中的重要問題。尤其是在高水壓條件下，滲流作用將嚴(yán)重影響飽水砂性地層隧道掌子面穩(wěn)定性。

針對(duì)隧道掌子面穩(wěn)定性問題，相關(guān)學(xué)者開展了一些研究工作。Anagnostou等[1]基于三維楔形體模型提出了考慮地下水滲流的掌子面極限支護(hù)力計(jì)算方法。秦建設(shè)[2]采用有限差分程序FLAC3D研究了掌子面變形與破壞機(jī)理。胡欣雨[3]采用二維顆粒離散元程序PFC2D研究了不同地層條件下掌子面失穩(wěn)破壞模式。童建軍[4]針對(duì)廈門翔安海底隧道飽水砂性地層圍巖穩(wěn)定問題進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。李君[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了干砂地層中掌子面穩(wěn)定性問題。已有研究多集中于無水條件下掌子面穩(wěn)定性方面；對(duì)于飽水條件下，尤其是滲流條件下砂性地層隧道掌子面穩(wěn)定性的研究較少，而采用離散元法對(duì)滲流條件下砂性地層隧道掌子面穩(wěn)定性問題的研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

本文根據(jù)飽水砂性地層的物理力學(xué)特性，采用離散元流固耦合方法，建立掌子面穩(wěn)定性研究數(shù)值分析模型，從細(xì)觀尺度對(duì)滲流條件下飽水砂性地層隧道掌子面失穩(wěn)破壞規(guī)律和掌子面極限支護(hù)壓力進(jìn)行研究。

1 數(shù)值分析模型

本文以某隧道穿越高水壓砂性地層為工程背景，采用洞徑10m的隧道為研究對(duì)象，模型尺寸為橫向25m，縱向35m，豎向55m。數(shù)值分析模型如圖1所示。飽水砂性地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示[6-7]。

圖1 數(shù)值分析模型

表1 飽水砂性地層物理力學(xué)參數(shù)

在計(jì)算中，假定含水體具有穩(wěn)定的補(bǔ)給源；隧道采用全斷面一次開挖后立即施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，在掌子面上施加初始支護(hù)壓力并逐漸減小，研究支護(hù)壓力變化對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響。根據(jù)有效應(yīng)力原理[8]，當(dāng)掌子面不排水時(shí)，掌子面支護(hù)壓力為總支護(hù)壓力 (有效支護(hù)壓力與初始靜水壓力之和)；當(dāng)掌子面排水時(shí)，掌子面支護(hù)壓力為有效支護(hù)壓力(土骨架間的作用力與滲流產(chǎn)生的滲透力之和)。

2 掌子面失穩(wěn)破壞規(guī)律

選取排水和不排水的典型工況，研究不同排水條件下支護(hù)壓力變化對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響。在計(jì)算中，掌子面中心的初始豎向壓力為0.45MPa，初始側(cè)向壓力為0.3MPa，初始靜水壓力為0.6MPa。

2.1 極限支護(hù)壓力的確定

隧道開挖后，圍巖發(fā)生卸載，出現(xiàn)向隧道內(nèi)的變形。在計(jì)算中，通過監(jiān)測(cè)掌子面中心的水平位移 (以下簡(jiǎn)稱“掌子面位移”)，得到掌子面位移隨掌子面支護(hù)壓力變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2 不排水工況掌子面位移隨支護(hù)壓力變化曲線

圖3 排水工況掌子面位移隨支護(hù)壓力變化曲線

由圖2和圖3可知，不同排水條件下，掌子面位移均隨掌子面支護(hù)壓力的減小而增大，且存在突變現(xiàn)象，并具有明顯的階段性。本文將掌子面位移隨掌子面支護(hù)壓力變化曲線發(fā)生突變時(shí)的掌子面支護(hù)壓力確定為極限支護(hù)壓力，并將掌子面位移隨掌子面支護(hù)壓力的變化過程分為以下三個(gè)階段：

(1)線性階段

當(dāng)掌子面支護(hù)壓力遠(yuǎn)大于極限支護(hù)壓力時(shí)，曲線近似直線，掌子面位移與掌子面支護(hù)壓力大致呈線性關(guān)系，隨著掌子面支護(hù)壓力的減小，掌子面位移緩慢增大，說明圍巖發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。

(2)敏感階段

當(dāng)掌子面支護(hù)壓力略大于極限支護(hù)壓力時(shí)，曲線逐漸彎曲，掌子面位移與掌子面支護(hù)壓力不再呈線性關(guān)系，隨著掌子面支護(hù)壓力的減小，掌子面位移迅速增大，說明圍巖失穩(wěn)破壞范圍擴(kuò)大。

(3)破壞階段

當(dāng)掌子面支護(hù)壓力等于極限支護(hù)壓力時(shí)，曲線發(fā)生突變，隨著掌子面支護(hù)壓力的減小，掌子面位移急劇增大，說明圍巖發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

通過上述分析，可以得到不同排水條件下飽水砂性地層掌子面極限支護(hù)壓力如表2所示。由表2可知，極限有效支護(hù)壓力遠(yuǎn)小于初始靜止土壓力；排水時(shí)極限支護(hù)壓力約為不排水時(shí)極限支護(hù)壓力的30%，說明采取適當(dāng)?shù)呐潘胧┛梢燥@著降低掌子面極限支護(hù)壓力，使得高水壓條件下的極限支護(hù)壓力滿足實(shí)際工程的允許值 (如盾構(gòu)法常規(guī)帶壓進(jìn)艙換刀的進(jìn)倉(cāng)壓力一般不超過0.45MPa)[9]。

表2 不同排水條件下極限支護(hù)壓力(單位：MPa)

2.2 掌子面失穩(wěn)破壞模式

但需要注意，在高水壓條件下，滲流作用將嚴(yán)重影響飽水砂性地層隧道掌子面穩(wěn)定性。因此，下面著重探討排水條件下掌子面失穩(wěn)破壞模式。排水條件下，不同掌子面支護(hù)壓力的地層變形分布如圖4所示。

由圖4可知，隨著掌子面支護(hù)壓力的減小，變形影響范圍由掌子面向地表逐漸發(fā)展：如圖4-(a)所示，當(dāng)掌子面支護(hù)壓力較大時(shí)，掌子面附近圍巖產(chǎn)生變形，發(fā)生局部失穩(wěn)破壞；如圖4-(b)～(c)所示，隨著掌子面支護(hù)壓力的減小，變形影響范圍逐漸向掌子面前方和上方發(fā)展，失穩(wěn)破壞范圍擴(kuò)大；如圖4-(d)所示，當(dāng)掌子面支護(hù)壓力小于極限支護(hù)壓力時(shí)，變形程度和影響范圍急劇增大，掌子面發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，掌子面前方破壞形狀表現(xiàn)為楔形狀，掌子面上方破壞形狀表現(xiàn)為煙囪狀。結(jié)合不同掌子面支護(hù)壓力下地層變形的分布規(guī)律，可以認(rèn)為排水條件下飽水砂性地層掌子面失穩(wěn)破壞區(qū)域由掌子面前方滑動(dòng)破壞區(qū)(楔形狀)和上方松動(dòng)破壞區(qū)(煙囪狀)組成。掌子面失穩(wěn)破壞模式如圖5所示。

3 掌子面極限支護(hù)壓力計(jì)算方法

本文根據(jù)掌子面失穩(wěn)破壞模式，采用考慮滲流的三維楔形體模型[1]，建立排水條件下飽水砂性地層隧道掌子面極限支護(hù)壓力的計(jì)算方法。計(jì)算模型如圖6所示。掌子面有效極限支護(hù)壓力可按式(1)計(jì)算：

圖4 不同掌子面支護(hù)壓力的地層變形分布圖(單位：m)

圖5 掌子面失穩(wěn)破壞模式

圖6 考慮滲流的三維楔形體模型及楔形體受力示意圖

式中：V′為楔形體上方豎向力；W′為楔形體自重；α為楔形體傾角；B為楔形體寬度；D為隧道直徑；為水平滲透壓力。

水平滲透壓力可按式(2)計(jì)算：

式(1)中第一項(xiàng)為不考慮滲流時(shí)的掌子面極限有效支護(hù)壓力，可采用理論計(jì)算得到；第二項(xiàng)和第三項(xiàng)為滲流時(shí)的掌子面滲透壓力，滲透力與掌子面附近總水頭分布有關(guān)，但由于掌子面附近滲流邊界復(fù)雜，難以給出總水頭分布的解析解。因此，本文采用離散元流固耦合方法，研究穩(wěn)態(tài)滲流條件下掌子面附近滲流場(chǎng)分布規(guī)律，進(jìn)而得到作用于楔形體的滲透力。

3.1 滲流場(chǎng)分布規(guī)律

通過穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值計(jì)算得到不同水深(40m、60m、80m、100m)的滲流場(chǎng)分布。水深40m和100m時(shí)的隧道縱向總水頭等值線如圖7所示。由圖7可知，不同水深條件下滲流場(chǎng)分布規(guī)律相似：隧道開挖后，掌子面附近滲流邊界發(fā)生改變，地層中滲流場(chǎng)重新分布，掌子面附近水力梯度較大，且水力梯度的水平分量遠(yuǎn)大于豎向分量，表明水平滲透力遠(yuǎn)大于豎向滲透力，因此本文僅考慮水平滲透力對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響。

圖7 隧道縱向總水頭等值線(單位：m)

掌子面中心相對(duì)水頭沿隧道縱向相對(duì)距離變化曲線如圖8所示。由圖8可知，不同水深條件下各曲線基本重合，擬合得到掌子面中心縱向總水頭的表達(dá)式(2)，并以此計(jì)算作用于楔形體的水平滲透力。研究表明[1]，穩(wěn)態(tài)滲流時(shí)埋深對(duì)滲流場(chǎng)的影響很小，因此式(2)可適用于不同埋深的情況。

圖8 掌子面中心相對(duì)水頭沿縱向相對(duì)距離變化曲線

式中：a=1.397，其余符號(hào)同式(1)。

3.2 水平滲透壓力

不同有效內(nèi)摩擦角條件下，相對(duì)滲透壓力(水平滲透壓力與初始靜水壓力之比)隨相對(duì)水深變化曲線如圖9所示。由圖9可知，作用于楔形體的水平滲透壓力約為初始靜水壓力30%左右。

圖9 相對(duì)滲透壓力隨相對(duì)水深變化曲線

3.3 計(jì)算方法

通過上述分析，可以建立滲流條件下飽水砂性地層隧道掌子面極限支護(hù)壓力的計(jì)算方法，即按下述方法分別求得極限有效支護(hù)壓力的兩個(gè)組成部分：(1)不考慮滲流時(shí)的掌子面極限有效支護(hù)壓力 (通過不考慮滲流的三維楔形體模型計(jì)算獲得)；(2)滲流時(shí)的掌子面滲透壓力(通過穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值計(jì)算獲得)。表3給出了水深60m情況下理論解與數(shù)值解的對(duì)比。

表3 排水條件下飽水砂性地層掌子面極限支護(hù)壓力

由表3可知，采用理論解與數(shù)值解得到的掌子面極限支護(hù)壓力及其各組成部分的值基本一致，說明本文提出的滲流條件下飽水砂性地層隧道掌子面極限支護(hù)壓力的計(jì)算方法是合理的。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，掌子面滲透壓力占極限支護(hù)壓力的比例較大，說明滲透壓力是極限支護(hù)壓力的主要部分。顯然，隨著水深的增大，滲透壓力占極限支護(hù)壓力的比例逐漸增大，滲透壓力(滲流作用)將嚴(yán)重影響飽水砂性地層隧道掌子面的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)飽水砂性地層的物理力學(xué)特性，采用離散元流固耦合方法，建立掌子面穩(wěn)定性研究數(shù)值分析模型，從細(xì)觀尺度對(duì)滲流條件下飽水砂性地層隧道掌子面失穩(wěn)破壞規(guī)律和掌子面極限支護(hù)壓力進(jìn)行研究，并從掌子面失穩(wěn)破壞模式出發(fā)采用考慮滲流的三維楔形體理論計(jì)算模型，建立了滲流條件下飽水砂性地層隧道掌子面極限支護(hù)壓力的計(jì)算方法。主要研究結(jié)論如下：

(1)掌子面極限支護(hù)壓力的確定

不同排水條件下，掌子面位移均隨掌子面支護(hù)壓力的減小而增大，其變化過程分為三個(gè)階段：①線性階段，圍巖發(fā)生局部失穩(wěn)破壞；②敏感階段，圍巖失穩(wěn)破壞范圍擴(kuò)大；③破壞階段，當(dāng)掌子面支護(hù)壓力等于極限支護(hù)壓力時(shí)，曲線發(fā)生突變，圍巖發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

(2)排水條件下飽水砂性地層隧道掌子面失穩(wěn)破壞模式

排水條件下飽水砂性地層掌子面失穩(wěn)破壞區(qū)域由掌子面前方滑動(dòng)破壞區(qū)(楔形狀)和上方松動(dòng)破壞區(qū)(煙囪狀)組成。

(3)排水條件下飽水砂性地層隧道掌子面極限支護(hù)壓力計(jì)算方法

考慮滲流的掌子面極限有效支護(hù)壓力由兩部分組成：①不考慮滲流時(shí)的掌子面極限有效支護(hù)壓力(通過不考慮滲流的三維楔形體模型計(jì)算獲得)；②滲流時(shí)的掌子面滲透壓力(通過穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值計(jì)算獲得)，作用于楔形體的水平滲透壓力一般為初始靜水壓力的30%左右。