位移加載法下的盾構隧道開挖面被動破壞數值模擬研究

摘要：針對盾構隧道在的開挖面穩定性問題，分析了盾構施工過程中的實力情況，總結了適用于開挖面主動、被動破壞研究的開挖面支護力加載方式。以砂土地層的淺埋盾構隧道的被動破壞為例，詳細介紹了數值模擬中位移加載法的使用辦法，分析了位移加載法下的極限支護力、開挖面上的支護力分布、開挖面土體位移、地標沉降特點。結果表明，在開挖面穩定性的被動破壞研究中，采用位移加載法更為合理，采用位移加載法的數值模擬結果與實際工程中的開挖面被動破壞的特征吻合良好。

關鍵詞：位移加載法""盾構隧道""開挖面穩定性""數值模擬""被動破壞

Numerical"Simulation"Study"on"Passive"Failure"of"Shield"Tunnel"Excavation"Face"Based"on"Displacement"Loading"Method

ZOU"Honghao

JSTI"Group"Co.，Ltd.，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"210019"China

Abstract："In"response"to"the"stability"issues"of"shield"tunnel"excavation"faces，"an"analysis"of"the""the"strength"situation"in"excavation"process"was"conducted，"and"excavation"face"support"force"loading"method"applicable"to"active"and"passive"failure"investigations"of"the"excavation"face"were"summarized."Taking"the"passive"failure"of"a"shallow-buried"shield"tunnel"in"sandy"soil"layer"as"an"example，"the"usage"of"displacement"loading"method"in"numerical"simulations"was"elaborated."The"ultimate"support"force"under"displacement"loading"method，"support"force"distribution"on"the"excavation"face，"soil"displacement"on"excavation"face，"and"characteristics"of"landmark"settlement"are"analyzed."The"results"indicated"that"the"displacement"loading"method"is"more"reasonable"for"passive"failure"investigations"of"excavation"face"stability，"and"the"numerical"simulation"results"using"the"displacement"loading"method"align"well"with"the"observed"features"of"actual"excavation-induced"passive"failure"in"engineering"projects.

Key"Words："Displacement"loading"ethod;"Shield"tunnel;"Excavation"face"stability;"Numerical"simulation;"Passive"failure

盾構法由于安全、快速、高效、施工影響小等優點被廣泛應用于城市隧道的建設中。盾構機在施工中，通過施加合適的支護力的大小來控制開挖面的穩定性。若支護力過大，則會引起開挖面的被動破壞，致使地表隆起；過小的支護力會引起開挖面的主動破壞，致使地表塌陷[1]。目前，盾構隧道開挖面穩定性的研究主要針對如何確定開挖面的極限支護力，采用理論分析、模型試驗、數值模擬、現場實測等方法展開研究。理論分析主要是通過假定不同的破壞模式，采用極限平衡法[2]和極限分析法[3]進行理論推導，求解不同邊界條件下的極限支護力；模型試驗通過1"g縮尺試驗[4]和ng離心試驗[5]研究不同條件下的極限支護力、失穩模式、破壞區形狀等；對于以離散元法[6]、有限元法[7]、有限差分法[8]等為代表的數值模擬，由于其計算過程和結果便于監測、模擬成本低廉等優勢，被眾多學者應用在開挖面穩定性的各類研究中。如何施加開挖面支護力是開挖面穩定性研究的基礎，在模型實驗中，主要由以氣囊和水囊施加壓力的柔性加載、以剛性擋板施加位移的剛性加載。而在數值模擬中，無論是主動破壞還是被動破壞，普遍采用應力加載法[9-11]，缺少位移加載法的相關研究。

1"土壓平衡盾構開挖面的受力分析

土壓平衡盾構在施工中，以推力T推進整個盾構機向前，受開挖面前方土體作用于盾構機的反力F1與推進時候的總阻力F2，則根據力學方程有：

T-（F1+F2）=ma

（1）

式（1）中：T為盾構機總推力；F1為開挖面前方土體的反力；F2為盾構掘進的總阻力，包括盾體與地層的摩擦力、后配套牽引力等；m為盾構機質量；a盾構機加速度。

開挖面支護力P與F1的大小相等、方向相反，由土倉壓力P1、盾構機刀盤作用在土體上的力P2組成。

土倉壓力P1分布如圖1[12]所示。土倉壓力P1由兩部分構成，分別是土倉內的剛性背板施加的均布力P1-1、土倉內的土造成的壓力P1-2。

當開挖面支護力過小產生主動破壞時，盾構出土速度較快，倉內土體由于渣土改良劑和刀盤的攪拌作用呈流塑性狀態，變形能力強，不約束開挖面前方土體的側向變形，土倉內剛性背板未擠壓土體而使P1-1較小，開挖面的支護力主要來自P1-2，施加方式接近以應力施加為主的柔性加載。

當開挖面支護力過大產生被動破壞時，盾構出土較慢，盾構內千斤頂向前頂進，倉內土體壓縮，變形模量增大，開挖面前方土體變形受限，開挖面的支護力主要源自P2、P1-1，開挖面的支護的施加方式主要為以位移施加為主的剛性加載。

2"位移加載法下的被動破壞數值模擬研究

2.1"數值模擬參數

采用數值模擬軟件FLAC3D，利用位移加載法模擬盾構在砂土中掘進并出現被動破壞。假定隧道直徑為10"m，隧道埋深為5"m，土體重度為18"KN/m3，彈性模量為25"Mpa，內摩擦角為20°，剪脹角為0，靜止土壓力系數k0=1-sinφ，泊松比υ=k0"/（1+k0）。模擬計算中，砂土材料遵循莫爾-庫侖屈服準則，計算模型如圖2所示。

2.2"數值模擬過程

本文主要研究位移加載法下開挖面上土體的應力應變情況，具體過程如下。

（1）建立砂土地層模型，施加約束，在初始應力下，計算至平衡。

（2）一次性開挖至25"m，對隧洞的洞周節點施加固定約束，以模擬隧道支護；鎖定開挖面各節點軸向位移，以模擬剛性擋板；計算至平衡。

（3）解除開挖面各節點的軸向約束，并設定微小的、沿隧道掘進方向的單位速度，控制迭代的步長，控制開挖面前移的位移量，模擬位移加載。

（4）施加開挖面位移量后，再次鎖定開挖面各節點的軸向位移；計算至平衡，再提取應力、應變數據。

（5）重復步驟（3）和（4），獲得不同位移加載量下的數據。

2.3"數值模擬結果

2.3.1開挖面極限支護力

圖3為采用位移加載法和應力加載法下的開挖面位移與支護力關系圖，被動破壞極限支護力參照C.J.Lee[13]的雙切線方式確定，兩種加載方法對應的極限支護力分別為594"kPa、630"kPa。

由圖3可知，在位移加載法下，加載量與開挖面的支護力變化可以分為為3個階段：第1階段，隨著開挖面上的位移增大，開挖面上的支護力增大，位移加載量-支護力曲線呈斜直線；第2階段，隨著位移進一步增大，支護力增大的同時，增大的速率逐漸減小，位移加載量-支護力曲線呈圓弧狀；第3階段，位移加載量進一步增大，開挖面的支護力幾乎不變，位移加載量-支護力曲線呈水平直線。

同時，從圖3可知，砂土地層淺埋隧道的被動破壞時，位移加載法下的支護力不隨著開挖面位移無限增大，更符合實際情況；位移加載法下的極限支護力小于應力加載法下的極限支護力，在實際施工中更安全。

2.3.2開挖面支護力沿隧道豎向的分布情況

圖4給出位移加載量為0.2"m時開挖面上的支護力沿著隧道豎向的分布情況。圖中虛線為開挖面中心線。

從圖4可知，采用位移加載法時，開挖面上的支護力隨著深度的增加而增加，近似呈線性關系，符合土倉壓力分布簡圖（見圖1），與實際施工中的土倉壓力一致。

2.3.3"不同位移加載量下的開挖面變形情況

不同位移加載量下，開挖面的位移云圖如圖5所示。

由圖5可知，當位移加載量為0.1"m時，盾構前方形成一個近似三角形的壓密區域；當位移加載量為0.24"m時，隧道上方土體的埋深淺相對較小，即圍壓小，致使抗剪強度低、易破壞，位移較大；當位移加載量為0.75"m時，破壞區呈現具有顯著邊界的連續形狀，呈“煙囪狀”貫通至地表，開挖面失穩破壞。

2.3.4開挖面位移加載量對地表位移的影響

參考盾構掘進施工中的測點布置，在地面上處沿盾構掘進方向、再沿隧道中心線以1"m為間距布置11個監測點。圖6為不同位移加載量下各豎向位移點的位移量圖。

由圖6可得，在位移加載法下，開挖面正上方的局部土體出現較小的沉降，沉降值隨位移加載量的增大而增大；開挖面前方的地表隆起最大高度隨加載量的增大而逐漸增大，最大隆起點朝開挖面處移動。

3結論

本文通過分析土壓盾構掘進時的實際受力情況，分析了在開挖面的主動破壞、被動破壞下的開挖面支護力構成，總結了對應的開挖面支護力加載方法，并進一步采用位移加載法研究了砂土地層的被動破壞情況，得到結論如下。

（1）研究開挖面支護力過小而產生主動破壞時，宜采用應力（柔性）加載施加開挖面支護力；研究開挖面支護力過大而產生被動破壞時，宜采用位移（剛性）加載施加開挖面支護力。

（2）位移加載法下，支護力不隨開挖面位移無限增大，更符合實際情況；極限支護力小于應力加載法下的，在實際施工中更安全；開挖面上的支護力沿著深度的增加而增加，與實際情況更吻合；開挖面失穩破壞時，地層位移形狀呈“煙囪狀”貫通至地表；開挖面前方的地表隆起最大高度隨加載量的增大而逐漸增大，最大隆起點向開挖面方向移動。

參考文獻

\t
• 王帆.富水地層盾構隧道開挖面穩定性研究[D].北京：北京工業大學，2018.
\t
• JANCSECZ"S，"STEINER"W."Face"support"for"large"mix-shield"in"heterogeneous"ground"conditions[J].Tunnelling’94，"1994，"531-550.
\t
• LI"P"F，ZOU"H"H，"WANG"F，"et"al.An"analytical"mechanism"of"limit"support"pressure"on"cutting"face"for"deep"tunnels"in"the"sand[J].Computers"and"Geotechnics，2020，119（4）：103372."
\t
• 雷華陽，劉敏，程澤宇，等.透明黏土盾構隧道開挖面失穩擴展過程和失穩特征研究[J].巖石力學與工程學報，2022，41（6）：1235-1245.
\t
• 雷華陽，劉敏，鐘海晨，等.黏土地層盾構隧道開挖面失穩離心試驗及數值模擬[J].天津大學學報（自然科學與工程技術版），2023，56（5）：503-512.
\t
• WANG"F，DU"X"L，LI"P"F."Prediction"of"subsurface"settlement"induced"by"shield"tunnelling"in"sandy"cobble"stratum[J]."Journal"of"Rock"Mechanics"and"Geotechnical"Engineering，"2024，16（1）：192-212."
\t
• 申政，閔凡路，柏煜新，等.砂土地層水下盾構隧道開挖面被動破壞數值模擬[J].河海大學學報（自然科學版），2023，51（1）：158-166.
\t
• 傅鶴林，吳疆，鄧皇適，等.分層土中盾構隧道掌子面極限推力研究[J].中南大學學報（自然科學版），2023，54（4）：1370-1378.
\t
• 秦建設盾構施工開挖面變形與破壞機理研究[D].南京："河海大學，2005.
\t
• 秦建設，虞興福，鐘小春，等.黏土中盾構開挖面變形與破壞數值模擬研究[J].巖土力學，2007，28（S1）：511-515.
\t
• LI"P"F，CHEN"K"Y，WANG，"F，et"al.An"upper-bound"analytical"model"of"blow-out"for"a"shallow"tunnel"in"sand"considering"the"partial"failure"within"the"face[J].Tunnelling"amp;"Underground"Space"Technology，2019，91（Sep.）：102989.1-102989.12.
\t
• IDINGER"G，"AKLIK"P，WU"W，et"al.Centrifuge"model"test"on"the"face"stability"of"shallow"tunnel[J]."Acta"Geotechnica："An"International"Journal"for"Geoengineering，2011，6（2）：105-117."
\t
• LEE"C"J，"WU"B"R，"CHEN"H"T，"et"al."Tunnel"stability"and"archingeffects"during"tunneling"in"soft"clayey"soil[J]."Tunnelling"and"Underground"Space"Technology，"2006，21（2）：119-132.