大直徑泥水盾構(gòu)穿江底深槽段開挖面穩(wěn)定性研究

黃程俁，王炳龍

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

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大直徑泥水盾構(gòu)穿江底深槽段開挖面穩(wěn)定性研究

黃程俁，王炳龍

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

摘要：在大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工中，開挖面穩(wěn)定性問題顯得尤為突出，但對于高透水性、砂質(zhì)、淺覆土地層開挖面穩(wěn)定的影響因素及其穩(wěn)定性分析尚不成熟。利用有限元數(shù)值模擬，研究不同內(nèi)摩擦角、水深、盾構(gòu)埋深以及開挖面支護(hù)應(yīng)力對開挖面穩(wěn)定性的影響。討論大直徑泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性各因素之間關(guān)系。研究結(jié)果表明，內(nèi)摩擦角改變對于盾構(gòu)開挖面影響顯著，水深改變對開挖面影響不大，開挖面凹凸性在λ（應(yīng)力支護(hù)比）=0.8～0.9之間改變，應(yīng)力支護(hù)比在0.9～1之間時，變形量最小，可以為工程提供經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu)；開挖面；穩(wěn)定性；支護(hù)應(yīng)力比

近年來，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，國內(nèi)出現(xiàn)多項(xiàng)大型跨江盾構(gòu)隧道工程，如上海復(fù)興東路越江隧道、南京地鐵越江隧道等。這些隧道在修建過程中面臨盾構(gòu)機(jī)直徑大、含水量高、自穩(wěn)性差等重要問題，大型泥水盾構(gòu)在開挖過程中容易出現(xiàn)地表變形和位移過大等情況，可能導(dǎo)致開挖面塌陷、泥漿噴發(fā)、突涌等嚴(yán)重事件的發(fā)生。

由于大直徑越江隧道工程出現(xiàn)較晚，目前研究多借鑒常規(guī)直徑泥水盾構(gòu)的方法。針對盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性的分析方法主要包括：穩(wěn)定系數(shù)法、極限平衡法、試驗(yàn)法、數(shù)值模擬法。穩(wěn)定系數(shù)法是為描述盾構(gòu)安全性，由Broms和Bennermark[1]提出粘性土穩(wěn)定的確定方法，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式，通過穩(wěn)定系數(shù)法得出盾構(gòu)埋深與直徑的比值是一個重要影響因子的結(jié)論，描述了隧道開挖面的破壞機(jī)制。Romo和Diaz[2]在穩(wěn)定系數(shù)的基礎(chǔ)上提出安全系數(shù)法，其結(jié)果與Peck存在相關(guān)性，但僅對于當(dāng)時的盾構(gòu)發(fā)展而言，遠(yuǎn)不足以應(yīng)用到當(dāng)今采用的大直徑淺覆土的工程中去；極限平衡法進(jìn)一步考慮到土體參數(shù)對穩(wěn)定性的影響。G Anagnostou和Kovarl應(yīng)用Hom提出的楔形計算模型來研究開挖面穩(wěn)定性，通過比較楔形體與主體的極限平衡得出開挖過程中需要的支持力大小。這種方法極大簡化開挖面穩(wěn)定的破壞機(jī)理，同時考慮到粘聚力c內(nèi)摩擦角φ對支持力起到的關(guān)鍵作用，但這種模型只適用于粘性土，無法針對不同土性的土體進(jìn)行模擬；近年來，大批學(xué)者通過試驗(yàn)對開挖面穩(wěn)定性的影響因素有了進(jìn)一步認(rèn)識，其中程展林，吳忠明等[3]人通過模型試驗(yàn)，對中粗砂地基中泥水式盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，考慮內(nèi)摩擦角與孔隙水壓的影響，但對于作為土體另一個重要參數(shù)的粘聚力并未涉及在內(nèi)。劉泉維，楊忠年[4]通過模型試驗(yàn)證明開挖面存在土拱效應(yīng)；隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬計算可以模擬盾構(gòu)法復(fù)雜的地下開挖施工過程。秦建[5]用大型有限差分程序?qū)ν翂浩胶舛軜?gòu)開挖面變形與破壞進(jìn)行了分析研究，將砂土與粘土進(jìn)行對比。黃正榮[6]、韋良文等[7]人引入支護(hù)比的概念，通過模型試驗(yàn)探究開挖面穩(wěn)定性影響參數(shù)。劉超等[8]人通過數(shù)值模擬法分析大直徑泥水盾構(gòu)對地表的影響，但并未直觀體現(xiàn)到開挖面變形。徐明等[9]應(yīng)用對比有限元計算結(jié)果與解析解，指出模型的局限性。李亞翠等[10]對大斷面淺埋隧道進(jìn)行分析，認(rèn)為大斷面變形較常規(guī)隧道明顯。

現(xiàn)有研究成果以盾構(gòu)開挖機(jī)理及施工對環(huán)境的影響為主，研究對象多為常規(guī)尺寸盾構(gòu)機(jī)，對本文所討論的大直徑泥水盾構(gòu)開挖面變形缺乏研究。文章結(jié)合南京地鐵三號線穿越長江段越江工程，對高透水性、砂質(zhì)、淺覆土地層大直徑泥水盾構(gòu)開挖面變形進(jìn)行有限元模型試驗(yàn)研究。通過有限元模擬，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，討論了大直徑泥水盾構(gòu)開挖面支護(hù)應(yīng)力和不同影響因素，包括水深、盾構(gòu)埋深、土體性質(zhì)之間的關(guān)系。

1　工程概況

以南京地鐵三號線穿越長江段為研究對象，大直徑盾構(gòu)越江工程為該線路的重難點(diǎn)工程，施工風(fēng)險高、難度大，其中盾構(gòu)穿越江底的深切槽段又因?yàn)榫哂懈餐梁穸茸兓螅淼缆裆顪\以及深槽沖刷擺幅大等特點(diǎn)，成為設(shè)計和施工中需要重點(diǎn)考慮的部分。著重研究的深切槽段穿越地層為②-5d2～1粉細(xì)砂，中密～密實(shí)狀，級配較差，自穩(wěn)性相對稍好，其物理力學(xué)參數(shù)如表1，具有透水性好，壓縮性低的特性。采用有限元計算最小覆土里程處，其隧道頂部埋深僅有5 m。深槽段上部土體為②-3b4～3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②-4d3-2層粉細(xì)砂，液化等級為輕微液化～嚴(yán)重液化，當(dāng)其受到盾構(gòu)掘進(jìn)擾動后，易發(fā)生液化現(xiàn)象，易坍塌。施工采用復(fù)合式泥水氣壓平衡盾構(gòu)。文章主要研究穿越江底河床深切槽段大直徑盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性及控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1　隧道上覆土層特性及土壓力參數(shù)Tab.1 Tunnel overburden characteristics and soil pressure parameters

2　有限元模型的建立

采用有限元模型模擬，模型尺寸：100 m×100 m×100 m，盾構(gòu)直徑（D）11.2m，考慮到實(shí)際情況的對稱性，幾何模型如圖1，采用實(shí)體單元，保證邊界條件，將AD，BC，CD設(shè)為模型邊界，模型采用底邊固定，左右水平固定，將大開挖面設(shè)在模型中間，掘進(jìn)50 m，其深度根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可更改，開挖面EF設(shè)面單元，加載壓力，壓力方向與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向相同；土體采用土體硬化模型(HS)，該二階模型可用于模擬砂土、砂礫，也可用來模擬粘土和淤泥等軟土類型，與常用的莫爾-庫倫模型(MC)相比，更接近砂土的工程實(shí)際；隧道模型的計算范圍：自上而下取水，土體，隧道，下層土體。

圖1　隧道模型橫剖面圖、縱剖面圖（單位：m）Fig.1 Cross-sectional and longitudinal section of the tunnel model（unit:m）

模型試驗(yàn)共11個實(shí)驗(yàn)組，如表2所示，結(jié)合工程實(shí)際情況，分別選取不同的水深、覆土厚度與盾構(gòu)機(jī)直徑比值（用H/D表示表示），泥漿壓力（用有效泥漿壓力表示）以及穿越土層的特性（用不同的粘聚力和內(nèi)摩擦角表示）。

EF開挖面設(shè)置的泥漿壓力分別為：60%，70%，80%，90%，95%，100%，120%倍的靜止土壓力（用有效重度計算）。在下文中用應(yīng)力支護(hù)比λ表示，即分別取支護(hù)比λ為0.6，0.7，0.8，0.9，0.95，1，1.2。

在模擬過程中，由于工程中盾構(gòu)機(jī)上覆土土性與穿越段土性基本相同，為簡化模型，取上覆土與穿越土體為同種參數(shù)。所建的每組有限元模型，分別取不同應(yīng)力支護(hù)比的工況計算。

3　結(jié)果分析

3.1開挖面變形特性分析

內(nèi)摩擦角是反映土材料的一個關(guān)鍵參數(shù)，本節(jié)主要分析砂土的內(nèi)摩擦角對開挖面的變形（文章中所指變形均為盾構(gòu)開挖面水平變形）影響。盾構(gòu)直徑D為11.2 m，埋深（用H表示埋深）H為5.6 m（即0.5 D）。在研究內(nèi)摩擦角對開挖面穩(wěn)定性影響時，為了減小其他因素的影響，保持模型的其它參數(shù)不變，只改變內(nèi)摩擦角的大??；這里本著與工程條件相對比的思想，選定粘聚力c=10 kPa情況下，分析了內(nèi)摩擦角準(zhǔn)分別為15°，20°，30°時開挖面的變形規(guī)律。對于每種內(nèi)摩擦角的土體，計算支護(hù)比λ為1的工況下的開挖面變形量，當(dāng)λ=1時，內(nèi)摩擦角15°，20°，30°分別對應(yīng)最大變形量為14.2 mm，8.6 mm，0.2 mm正值代表凸起（向盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向凸起）。對于不同的內(nèi)摩擦角，盾構(gòu)開挖面的變形量不同，內(nèi)摩擦角較大時，土體自穩(wěn)性好，不易發(fā)生變形，與程展林等人通過實(shí)驗(yàn)對于中粗砂中的研究結(jié)論一致。

表2　有限元模型實(shí)驗(yàn)組Tab.2 Experimental group of finite element model

由圖2、圖3可知，土體性質(zhì)改變時，在不同的支護(hù)應(yīng)力情況下，開挖面變形是一致的，變形量最大位于盾構(gòu)機(jī)中心線附近，這一現(xiàn)象符合泥膜變形規(guī)律；變形特性在盾構(gòu)機(jī)外殼處發(fā)生改變，上部土體與下部土體變形，沿遠(yuǎn)離開挖面方向趨于緩和，這也驗(yàn)證了盾構(gòu)機(jī)在施工時會對周圍土體擾動，影響大小與距離有關(guān)；開挖面變形方向在實(shí)驗(yàn)中有明顯變化，當(dāng)支護(hù)壓力較小時會凹陷，在一定范圍內(nèi)隨著支護(hù)壓力增加會變成凸起，分界線在λ=0.8～0.9時發(fā)生，此現(xiàn)象說明支護(hù)應(yīng)力會改變開挖面變形特性，直接影響開挖面穩(wěn)定性，是需要考慮施工過程中重要參數(shù)。

圖2　內(nèi)摩擦角30°開挖面變形Fig.2 Excavation plane deformation with friction angle 30°

圖3　內(nèi)摩擦角30°開挖面變形數(shù)值模擬計算圖Fig.3 Numerical simulation diagram of excavation plane deformation with friction angle 30

針對深切槽段盾構(gòu)施工，如果上覆土較厚，水的沖擊及深度影響相比于土較弱，因此在淺覆土情況下討論水深對于開挖面穩(wěn)定性研究具有現(xiàn)實(shí)意義，文章取上覆土厚度5 m，土體粘聚力c=10 kPa，內(nèi)摩擦角準(zhǔn)= 30°，分別取水深5，10，15和20 m，進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，其他條件保持不變，不同水深情況下開挖面變形趨勢相同，隨著支護(hù)應(yīng)力比的增大變形量減少，并且同樣應(yīng)力支護(hù)比情況下，不同水深變形量差較小，在λ=0.95時，最大差異為7.3 mm，相較于15 m差值的水深，變形改變量可以忽略不計。其主要原因是穿越江底段，砂土滲透性大，覆土淺，在開挖面形成的壓力主要由土壓與水壓組成，隨著水深增加，土壓所占比例逐步減小，加上滲透性高，所以在水達(dá)到一定深度時，水壓成為主導(dǎo)，加之水傳導(dǎo)力的方式較土更為均勻，所以變形十分規(guī)律。因此可以判斷，水深改變對于深切槽淺覆土段盾構(gòu)開挖面變形規(guī)律影響不明顯。

3.2支護(hù)比對開挖面穩(wěn)定性的影響

在研究支護(hù)應(yīng)力比對開挖面穩(wěn)定性的影響時，為研究方便，計算模型建立選擇粘聚力為10 kPa，內(nèi)摩擦角為30°，隧道直徑D為11.2 m，埋深為5.6，11.2，22.4和44.8 m。其中，橫坐標(biāo)為變形量，縱坐標(biāo)為深度；正值代表凸起（向盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向凸起），負(fù)值代表凹陷。

取每種應(yīng)力支護(hù)比下中心線的變形量，按支護(hù)應(yīng)力比分類，如圖5，其中縱坐標(biāo)為開挖面最大變形量。

圖4　不同水深開外面最大水平位移支護(hù)應(yīng)力比Fig.4 Supporting stress of the maximum horizontal displacement at different depths

圖5　不同埋深盾構(gòu)開挖面最大變形量Fig.5 Maximum deformation of excavation face shield at different depths

由圖5可以明顯看出隨著埋深的影響不同，當(dāng)應(yīng)力支護(hù)比在0.6～0.8時隨著埋深的加大變形也變大，變化速率迅速，可以認(rèn)為這部分開挖面可能會出現(xiàn)失穩(wěn)情況；在0.8～1時隨著埋深的變小變形而變大，這部分變形比較穩(wěn)定，可以認(rèn)為泥膜可以形成并起到支撐作用。

分別取3組埋深相同（0.5 D時），另取4組土性相同，改變埋深（0.5 D，1 D，2 D，4 D），按應(yīng)力支護(hù)比的順序，從開挖面變形明顯看出，當(dāng)取應(yīng)力支護(hù)比在0.9～1之間時，變形量最小，可以為工程提供經(jīng)驗(yàn)。

4　結(jié)語

結(jié)合南京地鐵三號線穿越長江段越江工程，采用有限元模擬對大直徑泥水盾構(gòu)隧道在砂土地層中的開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過改變土體參數(shù)及應(yīng)力支護(hù)比，總結(jié)不同要素與開挖面穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

研究結(jié)果表明，砂土中內(nèi)摩擦角對開挖面變形影響顯著；深槽段淺覆土情況下，不同水深對開挖面變形量的改變影響較??；在應(yīng)力支護(hù)比λ取0.8～0.9時開挖面變形從凹陷變成凸起，凹凸性改變；當(dāng)應(yīng)力支護(hù)比在0.9～1之間時，開挖面變形量最小。

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(責(zé)任編輯王建華)

Study on Excavation Face Stability of Large-diameter Slurry Shield in Deep Groove

Huang Chengyu，Wang Binglong
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804,China)

Abstract：In large-diameter slurry shield tunnel construction, the excavation face stability problem is prominent, but the study on excavation face stability and relevant influence factors for sandy and shallow overburden soil with high water permeability layer has not been mature. Based on numerical simulation of finite element model, this study explores effects of such factors as different friction angles, depths of water, buried depth of shield and excavation surface supporting stress on the excavation face stability. Besides, it discusses the relationship between various factors for the large-diameter slurry shield tunnel excavation face stability. Results show that, friction angle change has significant effects on shield tunnel excavation face while the depth change of water shows no effect; the excavation surface deformation direction changes when λ is between 0.8～0.9, and excavation surface deformation reaches the minimum when λ is between 0.9 ～ 1.

Key words：slurry shield; the excavation face; stability; supporting stress ratio

通訊作者：王炳龍（1961—），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閹r土工程。

作者簡介：黃程俁（1990—），男，碩士，研究方向?yàn)閹r土工程。

收稿日期：2016－11－02

文章編號：1005-0523（2016）01-0089-05

中圖分類號：TU4；U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A