不同直徑及埋深下盾構隧道開挖面失穩模式研究

張阿晉 張學進

1. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114；

2. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080

近年來，我國地鐵建設如火如荼地開展，盾構技術由于其機械化程度高、對周圍的地質環境影響較小等優勢，在隧道建設中得到了廣泛應用。施工過程中開挖面的穩定性是安全施工中的重要一環，避免支護力過小造成開挖面前方土體沉降，進而威脅到周圍既有建筑。

Vermeer等[1-2]應用有限元法對隧道開挖面穩定性進行了深入全面的研究，針對盾構法隧道，研究了支護壓力變化對開挖面穩定性的影響，模擬了不同摩擦角土體中開挖面失穩破壞形態。朱偉等[3]、秦建設等[4]均采用FLAC3D分別研究了砂土地層和黏土地層盾構隧道開挖面變形與失穩模式。研究表明：砂土開挖面失穩時開挖前方呈楔形體，上部為“煙囪”狀，但向上發展有收縮現象。隧道埋深較大時，破壞發展不到地表。黏土開挖面失穩表現為“鼓出型”，失穩破壞的影響范圍比較大。開挖面支護力分為不敏感、敏感和失效3個階段。Kamata等[5]采用2D離散元的方法來模擬砂土模型試驗中開挖面的穩定性。數值模擬中以開挖面土顆粒剝離為失穩判據，該方法與有限元相比，失穩判斷更加明確。Zhang等[6]采用2D離散元方法研究了黏土地層中泥水盾構過程中開挖面變形失穩機理。研究表明：埋深比在0.7到2.1之間時，開挖面極限支護力系數在0.8到1.5之間。Chen等[7]建立了3D離散元模型來分析干砂淺埋盾構開挖面失穩機理，得到極限支護力、失穩區域以及土拱的范圍。繆林昌等[8]基于Kirsch室內模型試驗，采用顆粒流技術研究了密實度對砂土開挖面失穩的影響，從細觀角度解釋失穩機理，并根據失穩區域修正了楔形體模型。

現有的研究主要是分析隧道埋深對開挖面失穩模式的影響以及開挖面的極限支護壓力，對于不同隧道直徑情況下開挖面的失穩模式的研究較少。本文采用Abaqus有限元軟件進行二維建模，采用支護壓力折減為50%模擬開挖面主動失穩，分析不同隧道直徑及埋深下盾構開挖面失穩 模式。

2 數值模擬

2.1 模型構建及參數的選取

模型尺寸為長60 m、寬60 m，上部采用自由邊界條件，模型兩側采用法向位移為0的邊界條件，底部采用法向和切向位移為0的邊界條件，圖1為模型示意圖。

圖1 模型示意

土體采用摩爾-庫倫本構模型，網格單元采用CPE4單元（四結點雙線性平面應變四邊形單元）。土體采用砂土，重度取17 kN/m3，黏聚力取4.5 kPa，內摩擦角取35°，變形模量取20 MPa，泊松比取0.35。埋深分別考慮6、9、12 m這3種工況，隧道直徑（D）采用6、8、10 m這3種工況，共計9個模型，具體工況如表1所示。

表1 模型工況

2.2 模擬方法

1）地應力平衡分析步。對模型施加重力，進行地應力平衡，使重力產生的初始位移小于10-10mm，該位移值足夠小，在后續計算過程中可忽略不計，以免對后續的分析造成影響。這一過程采用Abaqus軟件自帶的地應力平衡分析步進行計算。

2）隧道開挖分析步。在此分析步中，采用Abaqus軟件中*Model change功能，將隧道處的土體開挖。由于本文沒有考慮實體隧道模型，所以在隧道的上下沿采用“固定在當前位置”的方法來模擬隧道襯砌對土體的約束，與此同時，在隧道開挖面處施加一個梯形的支護壓力，使開挖面保持穩定。

3）模擬開挖面失穩。在該步中，通過逐漸減小開挖面支護壓力來模擬支護壓力過小情況下開挖面的主動失穩，最終支護壓力減小到最初的50%。圖2為工況示意圖。

圖2 工況示意

3 數值模擬結果及分析

3.1 位移云圖分析

為研究不同隧道直徑和不同埋深情況下開挖面失穩模式，共進行了9組工況的模擬，從分析結果得知，在前兩個分析步中，土體的位移都在10-4m以下，在第三個分析步也就是支護壓力減小分析步，土體位移從開挖面處擴展到地表。不難發現，在不同的埋深及隧道直徑情況下，土體失穩情況下的位移場的模式基本一致，均呈現出一種“盆”狀區域。

3.2 隧道直徑影響分析

圖3為相同埋深條件下，不同直徑的隧道施工造成的地表沉降曲線。通過曲線對比可發現，當隧道埋深一定時，隨隧道直徑的不斷增加，地表沉降值也出現明顯的增加，且地表沉降槽的范圍也不斷增大。最大沉降的位置也隨隧道直徑的增加逐漸向遠離開挖面的方向移動，但是變化不大。可見盾構隧道的直徑對地表沉降的范圍和最值有著明顯的影響。這一現象應該是由于隧道直徑的增大增加了開挖面處在失穩時的土體涌入量，從而使地表沉降的最值和范圍增大。

圖3 相同埋深、不同直徑地表沉降曲線

圖4為相同埋深，不同隧道直徑，盾構開挖面前方土體的水平位移曲線。橫軸為土體與開挖面的距離，縱軸為土體的水平位移值。在埋深一定的情況下，隨著隧道直徑的增大，隧道開挖面前方水平位移的最大值逐漸增加，失穩范圍也逐漸增加。最大位移出現在開挖面處。

圖4 相同埋深、不同直徑開挖面前方土體水平位移

3.3 隧道埋深影響分析

圖5為相同直徑，不同埋深情況下的地表沉降曲線。橫軸為水平距離，縱軸為地表沉降值。曲線整體趨勢為先增大后減小的沉降槽，最值出現在開挖面前方約0.5D處。

圖5 相同直徑、不同埋深情況下地表沉降

隨著隧道埋深的增加，地表沉降峰值逐漸增大，沉降槽范圍逐漸擴大，沉降槽的峰值點逐漸向著遠離開挖面的方向移動。

圖6為相同直徑、不同埋深情況下，開挖面前方土體水平位移曲線圖，整體呈逐漸減小的趨勢。隨隧道埋深的增加，開挖面處土體位移逐漸增大，并在0～10 m范圍內迅速減小，最終減小為0。

4 結語

本文通過數值建模分析了隧道直徑、隧道埋深對開挖面失穩模式的影響，主要得到以下幾點結論：

圖6 相同直徑、不同埋深開挖面前方土體水平位移

1）開挖面失穩情況下地表沉降為先增大后減小的趨勢，最大沉降約出現在開挖面前方0.5D處。

2）開挖面失穩情況下，開挖面前方土體位移呈現出逐漸減小的趨勢，在10 m范圍內迅速減小，并逐漸減小為0。

3）隧道埋深的增加和隧道直徑的增大，均對土體位移場的范圍和最值具有較大影響，隨著隧道直徑或埋深的增加，地表沉降峰值與開挖面前方土體位移峰值均逐漸增加。