砂卵石強透水地層泥水平衡盾構(gòu)隧道開挖面極限支護壓力研究

潘格林，王建國，王國富,2，趙增輝

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101)

當盾構(gòu)隧道穿越強透水性復(fù)雜地層時滲流會對開挖面的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，綜合考慮施工期間地下水的滲流以及水位的變化，是合理確定開挖面極限支護壓力的關(guān)鍵。

針對開挖面極限支護壓力，國內(nèi)外學(xué)者已進行許多研究。CHAMBON等[1]通過離心模型試驗對砂土地層的開挖面穩(wěn)定性進行了研究，得出開挖面前方土體破壞形狀為楔形體；FAKHIMI等[2]運用二維顆粒流程序PFC 2D模擬了巖石開挖，并對洞周破壞進行了研究；BROMS等[3]通過室內(nèi)試驗計算出黏性土的盾構(gòu)開挖面支護壓力。鄧如勇等[4]采用有限差分軟件FLAC 3D建立三維數(shù)值模型，根據(jù)太沙基公式求得盾構(gòu)初始掌子面支護壓力，進而對施工安全性進行了研究；孫瀟昊等[5]利用PFC 2D模擬了不同埋深和密度條件下盾構(gòu)開挖，將其結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果進行了對照，揭示了開挖面土體的失穩(wěn)破壞模式，并確定了極限支護壓力；秦建設(shè)等[6]針對砂土地層采用FLAC 3D對盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬計算，并得出與前人試驗結(jié)果一致的結(jié)論；喬金麗等[7]應(yīng)用強度折減法研究了開挖面的穩(wěn)定性。

在以往研究中，對滲流作用下盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定性研究甚少。為此，本文以蘭州軌道交通1號線穿河段泥水平衡盾構(gòu)隧道為工程背景，通過有限元數(shù)值模擬，分析砂卵石強透水地層盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性，并將分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行對比。

1 工程概況

蘭州市軌道交通1號線奧體中心—世紀大道區(qū)間設(shè)計里程為YCK9+908.088—YCK12+028.097，地面高程為 1 518.60～1 534.50 m，全長2 120.009 m，為雙線隧道，軌面設(shè)計高程為 1 491.853～1 518.353 m，底板埋深為16.56～42.00 m。其中，下穿黃河段里程為YCK10+477.000—YCK10+794.00，長317 m，擬采用盾構(gòu)法施工。奧體中心—世紀大道區(qū)間位置示意如圖1。

圖1 奧體中心—世紀大道區(qū)間位置示意

2 工程水文地質(zhì)條件

奧體中心—世紀大道區(qū)間在深安大橋附近下穿黃河，河兩岸為人工護堤。區(qū)間所處主要地貌單元為黃河Ⅱ級階地，隧道位于河漫灘區(qū)。地層自上而下依次為：第四系全新統(tǒng)雜填土(1-1)、沖積卵石層(2-10)、下更新統(tǒng)沖積卵石層(3-11)。隧道洞身主要穿過3-11卵石層。地層及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層和支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

該區(qū)間2-10,3-11卵石層普遍分布粒徑大于20 cm 的漂石，分布隨機性較強，并無明顯規(guī)律。據(jù)鉆孔資料及附近大基坑開挖資料，最大粒徑為50 cm，漂石含量不均勻，卵石母巖成分為花崗巖、石英巖等，卵石石英含量普遍較高，且卵石層膠結(jié)均較差。以泥質(zhì)膠結(jié)為主，含少量礫石、粉粒和黏粒。奧體中心車站3-11卵石層見圖2。

圖2 奧體中心車站3-11卵石層

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

采用泥水平衡盾構(gòu)進行施工，開挖直徑6.48 m，管片外徑6.20 m，內(nèi)徑5.50 m，厚度0.35 m，環(huán)寬1.2 m。采用FLAC 3D流固耦合模塊進行數(shù)值計算。計算模型橫向(x軸)55 m，縱向(y軸)70 m，高度(z軸)70 m，見圖3。模型頂部為自由邊界，最大水位9 m，模型頂部施加均布水壓，四周及底部施加法向位移約束。隧道圍巖采用Mohr-Coulomb模型，管片采用shell單元以及不透水模式模擬。

圖3 計算模型(單位：m)

3.2 模擬計算過程

①開挖一個管片單元，包括管片與土體;②施加支護壓力，添加管片單元，賦流體模量，并打開滲流模式;③關(guān)閉滲流模式，開啟力學(xué)計算模式，在不排水條件下使計算模型迭代計算至不平衡力達到平衡為止;④開啟應(yīng)力場和滲流場，進行流固耦合分析;⑤開挖下一環(huán)，循環(huán)往復(fù)，直至開挖完成。

3.3 結(jié)果與分析

1)孔隙水壓力

滲流作用下隧道開挖面孔隙水壓力分布見圖4?？梢姡嚎紫端畨毫Φ戎稻€呈漏斗狀分布。這是因為該區(qū)間隧道圍巖富含地下水，開挖前圍巖滲流場穩(wěn)定，隧道周邊孔隙水壓力為靜水壓力。隧道開挖后圍巖滲流場發(fā)生改變，產(chǎn)生水壓力差，造成地下水沿洞周滲出。隧道拱頂和邊墻處孔隙水壓力較其他部位大，滲水頻率較高。

圖4 隧道開挖面孔隙水壓力分布

2)極限支護壓力

開挖面中心點水平位移隨支護壓力變化曲線見圖5?？梢姡寒斨ёo壓力接近原始土壓力213 kPa時，開挖面中心點水平位移隨支護壓力變化微??；隨著支護壓力繼續(xù)減小，開挖面中心點水平位移逐步增加；當支護壓力降至107 kPa時，開挖面位移顯著，此時的開挖面支護壓力即為極限支護壓力。

圖5 開挖面中心點水平位移隨支護壓力變化曲線

4 現(xiàn)場監(jiān)測

圖6 開挖倉壓力隨開挖環(huán)數(shù)的變化曲線

在泥水盾構(gòu)推進過程中對掌子面支護壓力以及河道堤岸沉降進行了現(xiàn)場監(jiān)測。開挖倉壓力隨開挖環(huán)數(shù)的變化曲線見圖6。可見：開挖倉壓力穩(wěn)定值為121 kPa，數(shù)值模擬值為107 kPa，與該值比較接近。數(shù)值模擬能夠為現(xiàn)場的開挖倉壓力提供準確預(yù)測。

右側(cè)岸堤沉降現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值模擬值對比見圖7?？芍耗嗨軜?gòu)下穿后岸堤沉降較小，現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬右側(cè)岸堤最大沉降分別為3.6，4.0 mm,均不到5 mm，誤差為11.1%，驗證了本文計算模型合理。

圖7 右側(cè)岸堤沉降現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值模擬值對比

5 結(jié)論

針對砂卵石強透水地層盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性問題，通過有限差分軟件FLAC 3D，建立了滲流作用下隧道開挖面極限支護壓力計算模型,分析得出以下結(jié)論：

1)隧道開挖后圍巖滲流場發(fā)生改變，產(chǎn)生水壓力差，造成地下水沿洞周滲出，孔隙水壓力等值線呈漏斗狀分布。

2)滲流作用下開挖面極限支護壓力數(shù)值模擬值為107 kPa，泥水盾構(gòu)下穿后岸堤沉降較小?，F(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬右側(cè)岸堤最大沉降分別為3.6，4.0 mm，誤差為11.1%，驗證了本文計算模型合理，可為類似穿河段盾構(gòu)施工時合理確定開挖面支護壓力提供參考。