土巖復(fù)合地層大直徑泥水盾構(gòu)穿越沉降敏感帶擾動(dòng)控制技術(shù)分析

摘 要：地鐵建設(shè)由于線路形式的特殊性，不可避免要穿越房屋、橋梁、管線、復(fù)雜地層及其他重要建筑物，因此復(fù)合地層條件下盾構(gòu)施工過程中擾動(dòng)控制技術(shù)分析尤其重要。針對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)穿越敏感帶時(shí)開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了開挖面失穩(wěn)流固耦合規(guī)律，并對(duì)不同支護(hù)壓力下的開挖面變形進(jìn)行了深入探討。結(jié)果表明：完全流固耦合模擬開挖面失穩(wěn)過程中，開挖面附近孔壓下降梯度明顯，遠(yuǎn)場孔壓波動(dòng)較小，基本保持為初始狀態(tài)靜水壓力；并且隨埋深的增大，開挖面的極限支護(hù)壓力比逐漸減小，而開挖面穩(wěn)定性逐漸增加。研究成果可為類似地層盾構(gòu)施工提供參考。

關(guān)鍵詞：土巖復(fù)合地層；大直徑泥水盾構(gòu)；敏感帶；擾動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TV551.4 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間開發(fā)越來越多，地鐵建設(shè)由于線路行駛的特殊性，不可避免會(huì)下穿密集老舊建筑群、古文物建筑群等安全防護(hù)等級(jí)高、對(duì)于沉降控制要求極為嚴(yán)格的建構(gòu)筑物。若不能妥善處理安全問題，將會(huì)引發(fā)安全事故[1-3]。王煥[4]以武漢軌道交通 8 號(hào)線工程為依托，對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)穿越無加固條件沉降敏感帶擾動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。陳自海等[5]以研究地鐵盾構(gòu)隧道施工中發(fā)生各種事故的概率及事故造成的損失為目的，采用模糊層次分析法對(duì)杭州某地鐵盾構(gòu)隧道施工，進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和估算風(fēng)險(xiǎn)；祝金龍[6]以杭州地鐵6號(hào)線過江隧道工程為依托，對(duì)越江隧道盾構(gòu)施工的響應(yīng)進(jìn)行分析。本文以某隧道工程為依托，針對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)穿越敏感帶時(shí)穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了開挖面失穩(wěn)流固耦合關(guān)系，并對(duì)不同支護(hù)壓力下的開挖面變形規(guī)律進(jìn)行了深入研究，以期對(duì)類似工程提供參考。

1 工程概況

過江隧道工程位于長江二橋上游450 m處，是一座單管雙芯復(fù)合襯砌隧道，直徑為12.1 m（見圖1）。盾構(gòu)區(qū)間全長3 185.5 m，平面最小曲線半徑700 m，越江縱斷面線路出黃浦路站后，線路以坡度為-18.4‰、坡長為1 710 m的縱坡下坡，至江中線路最低點(diǎn)處以坡度為+4.8‰、坡長為420 m的緩坡上坡，然后以坡度為+27.49‰、坡長為952.708 m的上坡至徐家棚站。盾構(gòu)穿越地質(zhì)為1 820 m全斷面粉細(xì)砂地層和1 365 m上軟下硬復(fù)合地層，膠結(jié)巖石最大抗壓強(qiáng)度達(dá)24.5 MPa，盾構(gòu)穿越地層條件復(fù)雜，穿越地質(zhì)斷面見圖2。

針對(duì)本工程的特殊地質(zhì)條件，工程選采用直徑為12.55 m的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行越江隧道區(qū)間掘進(jìn)。

2 高水壓上軟下硬地層開挖面穩(wěn)定數(shù)值模擬

2.1 三維有限差分模型建立

基于實(shí)際工程，盾構(gòu)在江底掘進(jìn)時(shí)，江底最大埋深位置和江水最深位置是開挖面穩(wěn)定控制的關(guān)鍵部位，因此選取這兩個(gè)斷面進(jìn)行研究探討，A、B兩模型斷面位置見圖2。

江底最大埋深位置（A模型）：隧道直徑取為12.5 m，粉細(xì)砂地層厚度4.3 m，膠結(jié)礫巖層為8.2 m；隧道縱向（X方向）尺寸為60 m，隧道橫斷面方向（Y方向）尺寸為50m，Z方向覆土厚度21.2 m，主要為粉細(xì)砂地層；上覆江水深度26 m，隧道底部土層厚度取為12.5 m。

江水最深位置（B模型）：隧道直徑取為12.5 m，粉細(xì)砂地層8.6 m，膠結(jié)礫巖層為3.9 m；隧道縱向（X方向）尺寸為60 m，隧道橫斷面方向（Y方向）尺寸為50 m，Z方向覆土厚度11.0 m，主要為粉細(xì)砂地層；上覆江水32 m，隧道底部土層厚度取為12.5 m。

2.2 本構(gòu)模型及土體參數(shù)

本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。采用鋼筋混凝土彈性材料來模擬管片，管片厚度為30 cm，采用FLAC3D中的結(jié)構(gòu)殼（shell）單元來模擬。為了重點(diǎn)分析開挖面的變形規(guī)律，在本次數(shù)值模擬中，假定管片無變形。土體及管片的具體參數(shù)如表1所示。流體模型參數(shù)設(shè)置為：流體密度ρw=1 000 kg/m3，流體模量Mf = 2 000 MPa。

2.3 開挖面失穩(wěn)流固耦合分析

2.3.1 初始地應(yīng)力計(jì)算

首先，設(shè)置流體模型，定義流體參數(shù)。流體參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)參數(shù)和單元參數(shù)，其中所述節(jié)點(diǎn)參數(shù)包括流體模量、飽和度、抗拉強(qiáng)度和密度；單元參數(shù)主要包括滲透系數(shù)、孔隙率和比奧模量。其次定義初始孔壓分布場。之后設(shè)置收斂系數(shù)迭代求解至平衡狀態(tài)，得到模型的初始應(yīng)力場分布。如圖3所示。

2.3.2 開挖面失穩(wěn)過程模擬

本工程采用應(yīng)力支護(hù)式模擬，通過設(shè)置考慮泥漿重度的開挖面支護(hù)壓力模擬泥水平衡盾構(gòu)開挖面支護(hù)。支護(hù)力梯度取為泥漿重度12 kN/m3。

為了更加直觀地描述支護(hù)力變化規(guī)律，在此引入支護(hù)壓力比概念，即：

式中：σt為當(dāng)前支護(hù)力；σ0為初始支護(hù)力，即為側(cè)向水土壓力，作用于水土壓力在原始地層隧道中心位置。

進(jìn)行計(jì)算時(shí)設(shè)置逐級(jí)遞減支護(hù)壓力比，采用主從進(jìn)程法進(jìn)行流固耦合計(jì)算分析，土體視為各向同性均勻分布的理想彈塑性體，服從Mohr-Coulomb的破壞準(zhǔn)則。監(jiān)測最終位移在不同模型下的位移變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其中一點(diǎn)位移發(fā)生突變時(shí)，即認(rèn)為此時(shí)開挖面中心點(diǎn)處支護(hù)力對(duì)應(yīng)為極限支護(hù)力Pc。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)實(shí)際的地層條件選取了不同的支護(hù)壓力比進(jìn)行計(jì)算。A模型的最大位移Xmax計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

開挖面前方土體隨著開挖面支護(hù)壓力的減小產(chǎn)生局部松動(dòng)變形，位移隨之不斷增大。當(dāng)支護(hù)力減小至一定程度時(shí)，即使是微小的支護(hù)力下降也將會(huì)引發(fā)位移的急劇變化，此時(shí)可認(rèn)為開挖面已經(jīng)失去穩(wěn)定。當(dāng)支護(hù)力位于開挖面中心點(diǎn)處，該值為極限支護(hù)力Pc，此時(shí)對(duì)應(yīng)的支護(hù)比即為臨界支護(hù)比。開挖面中心點(diǎn)位移與支護(hù)壓力比的關(guān)系如圖5所示，可知，開挖面中心點(diǎn)水平位移隨開挖面支護(hù)比的減小而增加，位移與支護(hù)比呈現(xiàn)類指數(shù)函數(shù)關(guān)系，存在明顯的反彎點(diǎn)。當(dāng)支護(hù)壓力比達(dá)到0.36時(shí)，若繼續(xù)減小支護(hù)力，此時(shí)開挖面位移會(huì)急劇增加，故可取極限支護(hù)壓力比為0.36，此時(shí)對(duì)應(yīng)開挖面的極限支護(hù)力Pc為0.225 8 MPa。

同樣地，為得到B模型斷面開挖面的極限支護(hù)力與臨界支護(hù)比，也進(jìn)行了不同的支護(hù)壓力比下的開挖計(jì)算。最大位移Xmax計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

支護(hù)比與開挖面位移關(guān)系曲線如圖7所示。當(dāng)支護(hù)壓力比達(dá)到0.56時(shí)，此時(shí)若繼續(xù)減小支護(hù)力則會(huì)導(dǎo)致開挖面位移急劇增加，故可取極限支護(hù)壓力比為0.56，此時(shí)對(duì)應(yīng)開挖面的極限支護(hù)力Pc為0.311 3 MPa。

3.2 開挖面橫向位移分布規(guī)律

在開挖面垂直軸線上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測不同支護(hù)力條件下開挖面各測點(diǎn)位置的位移發(fā)展規(guī)律。從圖8、圖9中可以看出，在達(dá)到臨界支護(hù)比（A模型為0.36，B模型為0.56）時(shí)，開挖面各測點(diǎn)出現(xiàn)了較大位移，其中位移較大區(qū)域出現(xiàn)在粉細(xì)砂層的中心位置，上軟下硬地層中下部巖層較為穩(wěn)定，處于上部的粉細(xì)砂層在受到隧道開挖擾動(dòng)后容易產(chǎn)生坍塌。

4 上軟下硬地層開挖面穩(wěn)定影響因素分析

前文針對(duì)越江隧道的兩個(gè)最危險(xiǎn)斷面進(jìn)行開挖面穩(wěn)定研究，確定了臨界支護(hù)比和極限支護(hù)壓力，但在隧道掘進(jìn)縱向上，覆土厚度、水位、斷面軟硬巖層比例是不斷變化的，有必要研究隧道埋深、上覆水頭高度、開挖面軟硬地層比例等對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響。

4.1 隧道埋深

為探究高水壓滲流條件下隧道埋深對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響，選取江底最深斷面的模型進(jìn)行研究，保持隧道直徑D為12.5 m和軟硬巖層斷面比例（硬巖70%）不變，河床上部水深C保持26 m不變，在流固耦合計(jì)算過程中控制相同的滲流總時(shí)間，分別設(shè)置埋深比C/D=1、C/D=2、C/D=3三種工況，進(jìn)行完全流固耦合分析。不同埋深條件下支護(hù)力的變化規(guī)律如圖10所示。

由圖10、表2可知，開挖面的極限支護(hù)壓力隨著埋深的增大而逐漸減小，同時(shí)開挖面穩(wěn)定性增加。雖然埋深不同，但是隨支護(hù)壓力減小，開挖面位移變化規(guī)律類似。當(dāng)設(shè)定支護(hù)壓力比為0.6～1.0之間時(shí)，開挖面處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，變形比較小。隨著支護(hù)壓力比繼續(xù)減小，開挖面變形受水滲流和土體松動(dòng)卸荷的作用變形逐漸增大，此時(shí)開挖面失去了原有的穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 上覆水頭高度

選擇江底最深斷面的模型進(jìn)行研究，保持隧道直徑為12.5 m，在埋深為21.2 m、滲流時(shí)間相同的條件下，將河床上覆水頭高度分別設(shè)為20、40、60、80 m，來進(jìn)行完全流固耦合分析，由圖11和表3可知，不同上覆水頭高度下開挖面最大位移變化情況。在保證其他條件相同的情況下，極限支護(hù)壓力比和破壞狀態(tài)開挖面的位移隨著上覆水頭高度的增大逐漸增大。

4.3 開挖面軟硬地層比例

選擇江底最深斷面的模型進(jìn)行研究，保持隧道直徑不變（D=12.5 m），在埋深為21.2 m、河床上覆水頭高度26 m、滲流時(shí)間相同的條件下，將開挖斷面的硬巖層占比分別設(shè)為30%、50%、70%，進(jìn)行完全流固耦合分析研究。由圖12和表4可知不同巖層斷面比例下開挖面最大位移變化情況。在保證其他條件相同的情況下，極限支護(hù)壓力比和破壞狀態(tài)開挖面的位移隨著開挖面硬巖層比例的減小逐漸增大。

5 結(jié) 論

基于實(shí)際工程條件，采用FLAC3D軟件建立三維有限差分?jǐn)?shù)值模型，研究了大直徑泥水盾構(gòu)長距離穿越無加固條件時(shí)開挖面穩(wěn)定性問題。主要結(jié)論如下。

（1）江中最深位置對(duì)應(yīng)的保證開挖面穩(wěn)定的極限支護(hù)壓力比為0.36，對(duì)應(yīng)開挖面的極限支護(hù)力Pc為0.225 8 MPa；江中水位最深位置對(duì)應(yīng)的保證開挖面穩(wěn)定的極限支護(hù)壓力比為0.56，對(duì)應(yīng)開挖面的極限支護(hù)力0.311 3 MPa。

（2）分析不同支護(hù)力條件下開挖面處各測點(diǎn)位置的位移發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到臨界支護(hù)比時(shí)，開挖面各測點(diǎn)出現(xiàn)較大位移，位移較大區(qū)域出現(xiàn)在粉細(xì)砂層的中心位置。

（3）隨埋深的增大，開挖面的極限支護(hù)壓力比逐漸減小，而開挖面穩(wěn)定性逐漸增加；極限支護(hù)壓力比及破壞狀態(tài)開挖面的位移隨著上覆水頭高度的增大均逐漸增大；極限支護(hù)壓力比及破壞狀態(tài)開挖面的位移隨著開挖面巖層比例的減小而逐漸增大。

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Disturbance Control Technology for Large Diameter Slurry Shield Tunneling through Sensitive Settlement Zone in Soil-rock Composite Stratum

YU Tiancheng

（China Railway Fifth Survey amp; Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600，China）

Abstract：Due to the specificity of tunnel form，the construction of metro inevitably has to cross houses，bridges，pipelines，complex strata and other important buildings. Therefore，it is particularly critical to analyze disturbance control technologies during shield construction under composite stratigraphic conditions. Our research focuses on the stability of excavation surface when the large-diameter slurry shield passes through sensitive zones. Through numerical simulation analyses，we investigated the instability of excavation surface and the law of flow-solid coupling. Our findings reveal a noticeable decrease in pore pressure near the excavation face during fully fluid-structure coupling simulation. Far-field pore pressure remains relatively stable，basically maintained near the initial hydrostatic pressure. Additionally，with the increase of burial depth，the ultimate support pressure ratio of the excavation surface gradually decreases，while the stability of the excavation surface gradually increases. The research results provide reference for shield construction in similar strata.

Key words：soil-rock composite formation；large diameter slurry shield；sensitive zone；disturbance control