盾構隧道開挖面失穩破壞影響因素數值分析

■彭小慶

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），太原 030032）

盾構隧道施工過程中，當開挖面遇到特殊巖土時，容易出現失穩現象，研究影響隧道開挖面失穩的因素對于工程建設具有重要的意義。 現階段，已有學者在隧道開挖失穩方面進行了不少研究，如李奧等[1]、李鳳濤等[2]以某黏土層隧道施工為例，采用數值分析及離心試驗的方法對隧道失穩形態進行分析， 將數值模擬與離心機試驗結果進行對比，驗證了該方法的合理性和適用性。 喬金麗等[3]、傅鶴林等[4]重點研究了滲流作用下的隧道開挖面穩定性，推導得到了深流作用下盾構隧道開挖面極限支護壓力計算公式。 唐濤等[5]、加武榮等[6]以某地鐵線路類矩形盾構試驗段工程為研究對象，采用理論分析和數值模擬的手段，對類矩形盾構隧道的開挖施工問題進行了詳細研究。 唐振等[7]、龔文等[8]以某運營隧道為研究對象，對盾構隧道的橫向變形進行了較為系統的研究，研究結果可為處理隧道橫向變形提供建議。 本文以某盾構隧道施工為研究對象，采用數值模擬的方法，討論開挖面水平位移隨支護應力比的變化規律，并以隧道開挖面主動失穩破壞為分析對象，重點探析了隧道埋深、土體粘聚力及內摩擦角對開挖面位移及極限支護力影響規律，以期為同類隧道建設工程的設計及施工提供參考。

1 工程背景

以某全長1.6 km 的城市盾構隧道工程為例，該隧道圍巖以砂粉土為主，整體結構較為松散，圍巖穩定性較差。 隧道埋深16.1～22.3 m，直徑8.0 m，襯砌厚度30 cm； 擬采用數值模擬的方法探究隧道開挖面主動失穩破壞因素。

2 數值建模

采用大型有限元軟件ABAQUS 軟件建立隧道數值模型如圖1 所示。 根據實際隧道的大小及開挖影響范圍等情況，建立長50 m、寬20 m、高40 m 的模型，除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。襯砌長度15 m，厚度30 cm。隧道均采用摩爾庫倫本構模型， 圍巖與襯砌分別建立實體單元、結構單元，圖中模型網格分別為35268 個，襯砌采用shell 單元，地層模型為C3D8 單元。 為著重研究隧道支護力不當造成的支護面破壞規律，故不考慮盾尾間隙及注漿層的作用及其對隧道開挖面的影響。 表1 為土體的物理力學參數。

表1 土體計算參數

圖1 隧道計算模型

3 數值結果分析

3.1 不同λ 時的開挖面主動失穩分析

作用于開挖面的支護力是呈梯形分布的，因此初始支護力等同于靜止的水壓力和土壓力之和，開挖面初始位移可視為0。 為了考慮最不利因素的影響，在計算極限支護力過程中，以隧道中軸線位置處的支護力為分析對象，并定義支護應力比λ：

式中：σ0表示盾構隧道軸線位置處的靜止水壓力與土壓力之和。

當考慮地下水的作用時，σ0可以表示為：

式中：γ 表示土層加權容重；K0表示土層加權靜止土壓力系數；hw表示水頭高度；η 表示水壓力折減系數，該值與土體滲透系數有關。

圖2 為λ 分別等于0.7、0.5、0.3 以及0.1 時的開挖面水平位移云圖。

圖2 不同λ 時開挖面主動失穩過程中位移云圖

由圖2 可知，隨著開挖面支護應力的減小，開挖面向隧道內部方向位移，當支護應力減小至一定值時，開挖面前方的土體發生塑性變形。 隨著支護應力減小，隧道開挖面位移迅速增大，由“半圓形”大應變區發展為“煙囪形”破壞區，此外，開挖面的最大水平位移值位于隧道開挖面中心位置。

圖3 為隧道在主動失穩狀態時開挖面水平位移隨支護應力比變化曲線。 由圖3 可知，當支護應力比＞0.3 時，開挖面位移增長較為緩慢，當支護應力比處于0.25～0.3 時，水平位移增速逐漸加快。 當支護應力比＜0.25 時，開挖面水平位移則呈現出迅速增大變化，即此時開挖面已處于主動失穩破壞狀態。

圖3 開挖面水平位移隨支護應力比變化曲線

3.2 隧道開挖面穩定性影響因素分析

影響隧道開挖面位移及支護力的因素有很多，本節主要以隧道埋深、土體內摩擦角以及粘聚力為對象進行分析。

3.2.1 隧道埋深

圖4 為取隧道上覆土層厚度C 與隧道直徑D的比值為變量條件下不同隧道埋深時開挖面水平位移隨λ 變化規律。

圖4 不同隧道埋深時開挖面水平位移隨λ 變化曲線

由圖4 可知，隧道埋深變化時，曲線變形規律均相同。 且隨著隧道埋深的增加，發生主動破壞時的開挖面水平位移越大， 對應的臨界支護應力比越小。

圖5 為開挖面主動極限支護力隨隧道埋深比變化曲線，以粘聚力5 kPa，內摩擦角30°進行分析。由圖5 可知，當隧道埋深在2D 內時，隨隧道埋深增大，開挖面主動極限支護力逐漸增大，而當隧道埋深繼續增大時，隧道開挖面主動極限支護力基本不再增大且呈趨于定值的趨勢，這與“土拱”效應有關。

圖5 開挖面主動極限支護力隨隧道埋深比變化曲線

3.2.2 土體內摩擦角

圖6 為取土體內摩擦角為變量條件下不同土體內摩擦角時開挖面水平位移隨λ 變化規律。

圖6 不同內摩擦角時開挖面水平位移隨λ 變化曲線

由圖6 可知，土體內摩擦角變化時，曲線變形規律相差較大。 隨著土體內摩擦角的減小，同支護應力狀態下的隧道開挖面水平位移越大，即土體內摩擦角越小，隧道開挖面越早進入極限平衡狀態。

圖7 為開挖面主動極限支護力隨土體內摩擦角變化曲線，可以看出，隨著土體的內摩擦角的增大， 開挖面主動極限支護力呈逐漸減小趨勢，其中當土體內摩擦角≥40°時，對應隧道開挖面主動極限支護應力比接近0，即土體強度較高時，即使在開挖面不施加支護力，隧道開挖面也能保持穩定。

圖7 開挖面主動極限支護力隨土體內摩擦角變化曲線

3.2.3 土體粘聚力

以土體粘聚力為變量，分析不同土體粘聚力時開挖面水平位移隨λ 變化規律，如圖8 所示。

圖8 不同粘聚力時開挖面水平位移隨λ 變化曲線

由圖8 可知，當支護應力＞0.5 時，各曲線基本重合，即此時土體粘聚力的變化對隧道開挖面水平位移基本無影響。 當支護應力比＜0.5 時，隨著土體內摩擦角的減小，開挖面失穩破壞時產生的水平位移越小，即土體粘聚力越小，隧道開挖面越早進入極限平衡狀態。

圖9 為開挖面主動極限支護力隨土體粘聚力變化曲線。 由圖可知，開挖面主動極限支護力隨土體內摩擦角的增大而減小。 對比圖7 和圖9 可知，土體內摩擦角比土體粘聚力對隧道開挖面主動極限支護應力影響更大。

圖9 開挖面主動極限支護力隨土體粘聚力變化曲線

4 結論

以某盾構隧道施工為例， 采用數值模擬的方法，討論了開挖面水平位移隨支護應力比的變化規律，并以隧道開挖面主動失穩破壞為對象，重點分析了隧道埋深、土體粘聚力及內摩擦角對開挖面位移及極限支護應力的影響，得到以下結論：（1）隨著支護應力減小，隧道開挖面位移迅速增大，由“半圓形”大應變區發展為“煙囪形”破壞區；當支護應力比＞0.3 時，開挖面位移增長較為緩慢，當支護應力比處于0.25～0.3 時，隨著支護應力比的減小，隧道開挖面土體由彈性變形過渡到塑性變形，直至發生主動失穩破壞。 （2）隨著隧道埋深的增加，發生主動破壞時的開挖面水平位移越大，對應的臨界支護應力比越小；當隧道埋深在2D 內時，主動極限支護力隨隧道埋深增大而增大； 當隧道埋深繼續增大時，隧道開挖面主動極限支護力基本不再增大且呈趨于定值的趨勢，這與“土拱”效應有關。 （3）土體內摩擦角和粘聚力越小，隧道開挖面越早進入極限平衡狀態；開挖面主動極限支護力隨土體內摩擦角和粘聚力的增大而減小，土體內摩擦角比土體粘聚力對隧道開挖面主動極限支護應力影響更大；且當土體強度較高時，即使在開挖面不施加支護力，隧道開挖面也能保持穩定。