陳仁朋 ，尹鑫晟 ，湯旅軍，陳云敏

(1. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058； 2. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所，浙江 杭州 310058；3. 浙江省電力設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310012)

1 引 言

為了解決城市日益繁重的交通壓力，越來越多的城市開始興建地鐵隧道。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)通過調(diào)節(jié)土艙壓力維持開挖面穩(wěn)定，是城市地鐵隧道建設(shè)的常用機(jī)型。當(dāng)土壓平衡盾構(gòu)穿越高水位地層（如穿越江河）時(shí)，地下水與土艙之間的高水壓差會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的滲透力，并作用于開挖面上。過大的滲透力會(huì)導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)，特別是在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)拼裝管片時(shí)。在城市地區(qū)發(fā)生開挖面失穩(wěn)事故，會(huì)引起嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡，因此研究滲流條件下開挖面失穩(wěn)問題具有重要的意義。

到目前為止，許多研究者通過不同研究方法研究了滲流條件下開挖面失穩(wěn)問題。在理論研究方面，Anagnostou等[1]提出了經(jīng)典的“棱柱-楔形體”極限平衡模型，用于計(jì)算穩(wěn)態(tài)滲流情況下極限有效支護(hù)力。Lee等[2]通過上限解分析，得到了的開挖面失穩(wěn)時(shí)開挖面前方土體為“雙圓錐形”的破壞模式，并基于這破壞模式計(jì)算穩(wěn)態(tài)滲流情況下極限有效支護(hù)力。之后，許多基于不同破壞模式假定的極限平衡模型（Lee等[3]、Perazzelli等[4]）和基于不同應(yīng)力場的上限解（劉維等[5]、王浩然等[6]）被提出來。在數(shù)值模擬方面，許多學(xué)者選擇有限元方法來研究滲流條件下開挖面失穩(wěn)問題（Pellet等[7]、Str?hle等[8]、 Li 等[9]）。但是，有限元方法的精度依賴于本構(gòu)模型和土體參數(shù)的選擇，仍需要進(jìn)行模型試驗(yàn)來揭示滲流條件下開挖面失穩(wěn)破壞的機(jī)制，只有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了滲流條件下開挖面失穩(wěn)問題的試驗(yàn)，如 Lee等[3]在常重力下進(jìn)行了一系列關(guān)于滲流條件下開挖面失穩(wěn)問題的小比尺模型試驗(yàn)，主要研究了不同地下水與土艙之間的水壓差對極限狀態(tài)時(shí)開挖面有效支護(hù)壓力的影響。因?yàn)橥馏w的力學(xué)特性由土體的應(yīng)力水平?jīng)Q定，而常重力小模型試驗(yàn)的應(yīng)力水平較 小，所以試驗(yàn)得到的結(jié)果與實(shí)際情況仍然有一定差距。土工離心機(jī)能夠使小比尺模型達(dá)到實(shí)際的應(yīng)力水平（Taylor[10]），是一種研究巖土工程問題的可靠工具。許多學(xué)者通過離心試驗(yàn)研究隧道開挖面穩(wěn)定性問題，這些試驗(yàn)的研究對象大部分為干砂地層（Chambon 等[11]、Oblozinsky 等[12]、 Thorpe[13]、Idinger等[14]）。雖然有的研究對象為飽和土地層（Mair[15]、Wong等[16]、Ng等[17]），但并沒考慮穩(wěn)態(tài)滲流的影響?？紤]到滲流條件下開挖面失穩(wěn)問題具有重要的意義，有必要進(jìn)行針對考慮滲流條件下開挖面失穩(wěn)問題的離心試驗(yàn)研究。

本次開展了一系列離心模型試驗(yàn)，研究了3種不同水頭高度穩(wěn)態(tài)滲流條件下的隧道開挖面失穩(wěn)問題，討論了開挖面失穩(wěn)時(shí)有效支護(hù)壓力的變化情況。得到了有效支護(hù)壓力與地下水與土艙之間的水壓差的關(guān)系。

2 離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在浙江大學(xué)大型土工離心機(jī)（ZJU400）上進(jìn)行，該離心機(jī)最大容量為 400g? t，吊籃有效旋轉(zhuǎn)半徑為 4.5 m，最大離心加速度為150 g[18]。

圖1為滲流條件下隧道開挖面失穩(wěn)離心試驗(yàn)離心模型試驗(yàn)裝置的示意圖。包括剛性模型箱、模型盾構(gòu)、開挖面伺服加載系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)、儲(chǔ)水箱，剛性模型箱內(nèi)尺寸（長×寬×高）為1.00 m×0.45 m×1.00 m。模型箱主要由4塊側(cè)板和1塊底板組成，前側(cè)板由高強(qiáng)鋁框內(nèi)鑲高強(qiáng)透明特種玻璃制成；模型盾構(gòu)主要包括盾殼、透水開挖面板和隔板，盾殼橫截面為“D”字型，內(nèi)直徑為 100 mm。本裝置中透水開挖面由“D”字形有孔鋁板及分別黏附在其前面的透水濾膜、黏附在其側(cè)面的泡沫條組成，隔板固定于盾殼內(nèi)部，用于控制加載桿運(yùn)動(dòng)方向。開挖面伺服加載系統(tǒng)為位移控制式，主要包括括液壓作動(dòng)器、加載桿、差動(dòng)位移傳感器（LVDT）、控制軟件、軸力計(jì)等。水位控制系統(tǒng)是本套裝置重要組成部分，有供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)主要包括外置流量泵、離心機(jī)旋轉(zhuǎn)接頭、供水軟管、有孔鍍鋅管。排水系統(tǒng)則通過在上游設(shè)置溢流孔（在模型箱左側(cè)板上）、下游盾構(gòu)密封艙（即開挖面板和盾構(gòu)隔板間空腔）位置外接軟管加電磁閥的方式實(shí)現(xiàn)排水。儲(chǔ)水箱主要用于存儲(chǔ)試驗(yàn)過程中排水系統(tǒng)排出的試驗(yàn)用水。

圖1 穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心試驗(yàn)示意圖(單位: mm)Fig.1 Sketch of shield excavation surface instability of centrifugal test (unit: mm)

2.2 試驗(yàn)方案

針對砂質(zhì)粉土地層本次開展了3個(gè)不同水位高度飽和穩(wěn)態(tài)滲流開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)。隧道模型直徑D=100 mm，隧道埋深比C/ D=1（C為隧道拱頂埋深），隧道拱頂以上遠(yuǎn)場水位高度Hw分別為1D、2D、3D，盾構(gòu)密封艙，即圖1中開挖面板、隔板及盾殼形成的空腔）內(nèi)則處于無水狀態(tài)。試驗(yàn)中盾構(gòu)密封艙和遠(yuǎn)場平均水頭差Δh分別為1.5D、2.5D、3.5D。為了模擬直徑為5 m的隧道，試驗(yàn)過程中離心加速度保持為50 g。

試驗(yàn)中布置了測試開挖面水平位移的 LVDT傳感器1只，測試開挖面支護(hù)力的軸力計(jì)1只，見圖1。

2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)主要過程為：① 將模型裝置放入離心機(jī)吊籃并固定，開始傳感器數(shù)據(jù)采集。② 打開流量泵和電磁閥供排水，離心加速度逐漸提高到50 g并穩(wěn)定20～30 min左右，此階段通過伺服控制保證開挖面位置不變。③ 當(dāng)開挖面前方形成穩(wěn)態(tài)滲流時(shí)（開挖面前方孔壓計(jì)讀數(shù)基本穩(wěn)定），逐漸后撤開挖面。當(dāng)開挖面水平位移S＜6 mm時(shí)，開挖面后撤速度v=0.2 mm/min；當(dāng) 6 mm＜S＜10 mm 時(shí)，v=0.4 mm/min；當(dāng)S=10 mm時(shí)，v=0。④ 離心加速度由50 g逐漸減少至0，將模型裝置吊出離心機(jī)吊籃。

2.4 面板-盾構(gòu)摩擦力標(biāo)定

為防止穩(wěn)態(tài)滲流下開挖面前方土體細(xì)顆粒在滲透力帶動(dòng)下經(jīng)透水鋁制面板與盾殼之間空隙進(jìn)入密封艙，在開挖面板外側(cè)黏貼了 EVA泡沫條，安裝面板時(shí)使 EVA條與盾殼緊密接觸，該措施雖然這一方面能起到防止細(xì)顆粒漏入密封艙的作用，但另一方面也導(dǎo)致試驗(yàn)過程中開挖面板與盾殼之間存在一定的摩擦力，影響了試驗(yàn)中支護(hù)力測試的準(zhǔn)確性。為了消除上述摩擦力對試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用Idinger等[14]提出的方法在50 g條件下標(biāo)定獲得了面板與盾殼的摩擦力f與開挖面位移S關(guān)系。標(biāo)定過程中模型箱內(nèi)不填土，離心加速度保持在50 g，面板后撤速度與正式試驗(yàn)保持一致。由于面板基本低勻速運(yùn)動(dòng)且盾殼剛度較大，可以認(rèn)為此時(shí)軸力計(jì)測試獲得的軸力等于面板-盾殼摩擦力。通過標(biāo)定 試驗(yàn)可知透水面板-盾殼摩擦力平均值約為14 N。需要指出的是，本試驗(yàn)中透水面板-盾殼間摩擦力 明顯大于干砂地層離心試驗(yàn)中面板-盾殼間摩擦力（湯旅軍等[22]），其主要原因是透水面板-盾殼間接觸更為緊密。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖 2為不同水頭壓力Δh下有效支護(hù)壓力P′與位移S/D關(guān)系曲線。有效支護(hù)壓力P′的計(jì)算公式為

式中：tF為總支護(hù)壓力；Fm為通過軸力計(jì)測得的支護(hù)壓力；sF為盾殼與開挖面板之間的摩擦力。

圖2 開挖面有效支護(hù)力-位移關(guān)系曲線Fig.2 Relationships between effective support pressure and tunneling face displacement

圖3 開挖面極限有效支護(hù)力-水頭差關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between limit effective support pressure and normalized hydraulic head difference

4 結(jié) 論

[1] ANAGNOSTOU G, KOVARI K. Face stability condition with earth pressure balanced shields[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1996, 11(2):165－173.

[2] LEE I M, NAM S W, AHN J H. Effect of seepage force on tunnel face stability[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2003, 40: 342－350.

[3] LEE I M, LEE J S, NAM S W. Effect of seepage force on tunnel face stability reinforced with multi-step pipe grouting[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19: 551－565.

[4] PERAZZELLI P, LEONE T, ANAGNOSTOU G. Tunnel face stability under seepage flow conditions[J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2014,43: 459－469.

[5] 劉維, 張翔杰, 唐曉武, 等. 飽和沙土中土壓盾構(gòu)開挖面極限支護(hù)力[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）, 2012, 46(4):664－704.LIU Wei, ZHANG Xiang-jie, TANG Xiao-wu, et al.Supporting pressure for earth pressure balance tunnel face stability when tunneling is implemented in saturated sandy soil[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science) , 2012, 46(4): 664－704.

[6] 王浩然, 黃茂松, 呂璽琳, 等. 考慮滲流影響的盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定上限分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2003, 35(9):1696－1704.WANG Hao-ran, HUANG Mao-song, Lü Xi-lin, et al.Upper-bound limit analysis of stability of shield tunnel face considering seepage[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 35(9): 1696－1704.

[7] PELLET F, DESCOEUDRES F, EGGER P. The effect of water seepage forces on the face stability of an experimental microtunnel[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1993, 30: 363－369.

[8] STR?HLE P M, VERMEER P A. Tunnel face stability with groundwater flow[C]//Numerical Methods in Geotechnical Engineering. Trondheim: CRC Press, 2010.

[9] LI C L, MIAO L C, Lü W H. Numerical analysis of face stability during shield-driven tunneling under groundwater table[C]//Advance in Geotechnical Engineering, Proceedings of the Geo-frontiers 2011 Conference. U. S. A.: ASCE. 2011.

[10] TAYLOR R N. Geotechnical centrifuge technology[M].Taylor & Francis, 2005.

[11] CHAMBON P, CORTE J F. Shallow tunnels in the cohesive soil: stability of tunnel face[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1994, 120(7): 1148－1165.

[12] OBLOZINSKY P, KUWANO J. Centrifuge experiments on stability of tunnel face[J]. Slovak Journal of Civil Engineering, 2004, 3: 23－29.

[13] THORPE J P. Ground movements during tunneling in sand[Master thesis D]. Kingston: Queen’s University.2007.

[14] IDINGER G, AKLIK P, WU W. Centrifuge model test on the face stability of shallow tunnel[J]. Acta Geotechnica,2011, 6(2): 105－117.

[15] MAIR R J. Centrifugal modeling of tunnel construction in soft clay[Ph.D. Thesis D]. Chambridge: University of Chambridge, 1979.

[16] NG C W W, WONG KS. Investigation of passive failure and deformation mechanisms due to tunneling in clay[J].Canadian Geotechnical Journal, 2013, 50(4): 359－372.

[17] WONG K S, NG C W W, CHEN Y M, et al. Centrifugal and numerical investigating of passive failure of tunnel face in sand[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 28: 297－303.

[18] CHEN Y M, KONG L G, ZHOU Y G. Development of a large geotechnical centrifuge at Zhejiang University[C]//7th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics. Zurich: [s. n.], 2010.

[19] JIA G W, ZHAN L T, CHEN Y M, et al. Performance of a large-scale slope model subjected to rising and lowering water levels[J]. Engineering Geology, 2009, 106(1-2):92－103.

[20] 楊春寶, 朱斌, 孔令剛, 等. 水位變化誘發(fā)砂質(zhì)粉土邊坡失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013, 35(7):1261－1271.YANG Chun-bao, ZHU Bin, KONG Ling-gang, et al.Centrifugal model tests on failure of silty slopes induced by change of water level[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(7): 1261－1271.

[21] ZHU B, KONG D Q, CHEN R P, et al. Installation and lateral loading tests of suction caissons in silt[J].Canadian Geotechnical Journal, 2011, 48: 1070－1084.

[22] 湯旅軍, 陳仁朋, 尹鑫晟, 等. 密實(shí)砂土地層盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013,35(10): 1830－1838.TANG Lü-jun, CHEN Ren-peng, YIN Xin-sheng, et al.Centrifugal model tests on face stability of shield tunnels in dense sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(10): 1830－1838.