何愛華， 陳岳南， 謝家化， 丁遠見

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司， 天津 300133； 2.“Red Line Project”現(xiàn)場設(shè)計項目部， 以色列 特拉維夫 67017)

基于歐洲規(guī)范體系下的EPB盾構(gòu)隧道掌子面穩(wěn)定性分析與研究

何愛華1， 陳岳南2， 謝家化2， 丁遠見2

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司， 天津 300133； 2.“Red Line Project”現(xiàn)場設(shè)計項目部， 以色列 特拉維夫 67017)

立足于以色列“Red Line Project”工程實際，以常年駐海外巖土-結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作經(jīng)驗為支撐，分析總結(jié)了暗挖盾構(gòu)隧道掘進過程中，歐洲規(guī)范體系下掌子面穩(wěn)定性分析的設(shè)計理念與設(shè)計流程；采用國際普遍認可的分析理論，對EPB盾構(gòu)隧道推進過程中，所需的各項工程參數(shù)(包括掌子面支承壓強、注漿壓強、壓縮空氣壓強等)進行了適宜的分析與計算，為盾構(gòu)掘進過程中的穩(wěn)定性評定提供了強有力的依據(jù)，實現(xiàn)了盾構(gòu)隧道掘進的全信息化監(jiān)控，而不再局限于盾構(gòu)操縱人員的個人經(jīng)驗；針對多層地質(zhì)以及混合掌子面條件下的穩(wěn)定性分析，給出了適宜的解決方案，以滿足實際工程復(fù)雜地質(zhì)的要求；采用Plaxis 3D巖土有限元分析軟件，對不同的掌子面支承壓界限值下所引起的地面沉降/隆起進行了數(shù)值分析，結(jié)果顯示：各項界限壓力值下所引起的地面沉降/隆起以及地層體積損失率均符合歐洲規(guī)范要求，所采用的分析理論與計算方法正確適用，對海外設(shè)計工作者具有一定的指導(dǎo)意義。

EPB盾構(gòu)隧道； 歐洲規(guī)范； 掌子面； 穩(wěn)定性； 設(shè)計理念； 設(shè)計流程； 工程參數(shù)； 有限元分析

0 引言

暗挖盾構(gòu)隧道因其施工速度快、對環(huán)境影響小、信息化程度高、受不良地表地形條件影響小且經(jīng)濟性較好等特點，在全世界范圍地下基礎(chǔ)工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但大量工程實踐表明，盡管盾構(gòu)隧道在地下工程中具有獨特的優(yōu)勢，其掘進過程中對土體擾動而引起的可能的地表沉降/隆起、坍塌、沉陷、“噴涌”、“溢流”等仍會帶來嚴重的工程事故。因此，盾構(gòu)掘進過程中如何保證掌子面的穩(wěn)定，確定各壓力值的上下界限值，減少對地層的擾動和對地表建筑物、相鄰地下結(jié)構(gòu)的影響，以及達到盾構(gòu)刀盤磨損和盾構(gòu)姿態(tài)控制的要求，仍然是全世界工程師關(guān)注的重點。

“Red Line Project”是特拉維夫(Tel Aviv)第一條城市地下鐵路，全長22 km。其中西段沿線共有6個地下車站，區(qū)間長度5.5 km。該地段地質(zhì)條件主要為無粘性顆粒狀巖土體，區(qū)間沿線地下水位普遍很低(以色列全年基本無降雨)，局部地區(qū)低于掌子面。盾構(gòu)區(qū)間均采用EPB盾構(gòu)，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用歐洲規(guī)范體系[1，2]。針對以色列“Red Line Project”工程實際，對隧道掘進過程中所需的“Excavation pressures”、“Intervention Pressures”、“Grouting Pressures”等設(shè)計參數(shù)進行了分析研究。同時，針對多層地質(zhì)條件以及混合掌子面條件[3]下的掌子面穩(wěn)定，給出了適用的計算方法，直觀地解決了盾構(gòu)掘進過程中所需參數(shù)問題，實現(xiàn)了盾構(gòu)掘進的全信息化控制，對實際工程具有指導(dǎo)意義。

1 掌子面穩(wěn)定性設(shè)計理念與設(shè)計流程

1.1 掌子面穩(wěn)定性分析模型

目前，盾構(gòu)隧道的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，國內(nèi)外已有的盾構(gòu)隧道掌子面穩(wěn)定性分析理論有“極限分析法-上、下限解法”、“三維楔形體滑動理論”、“對數(shù)螺旋理論”、“經(jīng)驗公式法”等。針對其不同的局限性和適用范圍，推薦采用Anagnostou和Kovari(1994，1996)提出的霍恩模型(3D楔形體滑動模型)[4]，如圖1。在楔形體滑動理論中，圓形盾構(gòu)將等效為矩形截面進行計算，由盾構(gòu)提供的壓力將用于保持前方楔形體的穩(wěn)定，以達到掌子面穩(wěn)定的效果。

圖1 3D楔形體滑動模型

1.2 歐洲規(guī)范體系下掌子面支承壓設(shè)計分析流程

1) 計算模型與計算理論選取。

相對于其他計算模型，“楔形體滑動理論模型”具有簡單、高效等特點，對于多層土體以及混合掌子面地質(zhì)條件均有很好的適用性，其計算結(jié)果滿足工程實際應(yīng)用的精度要求，是盾構(gòu)隧道項目常采用的掌子面穩(wěn)定性分析計算模型。

掌子面所需壓力值的計算應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件選用不同的計算理論。針對粘性土體，應(yīng)采用不排水土體強度計算掌子面的整體穩(wěn)定性；非粘性土體應(yīng)采用有效應(yīng)力模型計算其所需有效掌子面支承壓。同時，應(yīng)該根據(jù)不同的土體強度、地質(zhì)分層、地下水分布、掌子面土體混合情形、隧道埋深、掌子面尺寸選取不同的計算理論。例：在土體強度較高，隧道埋深較深，掌子面尺寸較小的情形下，考慮隧道拱頂顯著的土拱效應(yīng)來計算所需掌子面支承壓是適宜的。值得一提的是，針對非粘性土體、高地下水位、高滲透系數(shù)的情形，僅僅考慮掌子面前方的靜水壓強是不夠的，還應(yīng)考慮因水的滲流引發(fā)的動水壓強[4]。動水壓強的忽視，將會帶來更大的地表沉降和地層體積損失率，甚至有坍塌、沉陷，盾構(gòu)卡頓的風(fēng)險。

2) 掌子面掘進支承壓界限值。

① 掌子面支承壓下限值。

掌子面支承壓下限值：即防止掌子面前方出現(xiàn)土體坍塌、沉陷等嚴重工程災(zāi)害的最小掌子面支承壓。掌子面最小支承壓力值是盾構(gòu)隧道掌子面支承壓的界限值，是為了防止土體下滑引起的地表建筑物/相鄰地下結(jié)構(gòu)的顯著破壞；同時，也是避免出現(xiàn)盾構(gòu)卡頓，刀盤劇烈磨損，盾構(gòu)姿態(tài)失控等現(xiàn)象的下限值。

② 目標(biāo)掌子面支承壓。

目標(biāo)掌子面支承壓應(yīng)理解為：達到最小地表沉降以及最小地層體積損失率的適宜壓強[5]，是盾構(gòu)掘進過程中的直接控制參數(shù)。目標(biāo)掌子面壓強的計算應(yīng)該取刀盤壓力監(jiān)測器的所在位置，同時考慮上下0.02 MPa的波動值[6]。

③ 掌子面支承壓上限值。

掌子面支承壓上限值：防止掌子面前方出現(xiàn)土體顯著上浮、隆起等嚴重工程災(zāi)害的最大掌子面支承壓。顯著的土體隆起會破壞地表路面/建筑物以及相鄰地下結(jié)構(gòu)物。同時，過大的掌子面支承壓還要求更大的盾構(gòu)推力、油壓、刀盤扭矩、切削力等，引發(fā)器械破壞、刀盤磨損嚴重、螺旋輸送管堵塞等現(xiàn)象。在混合地質(zhì)條件下，過大的掌子面支承壓還會造成掌子面前方土體顯著的受力不均，導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)失控、線路偏移、盾構(gòu)卡頓、刀盤磨損嚴重等。

3) 盾構(gòu)土倉壓縮空氣壓強。

盾構(gòu)土倉壓縮空氣壓強，是指在盾構(gòu)維護、檢修或換刀過程中，為保持掌子面前方土體穩(wěn)定所需的空氣壓強。當(dāng)空氣壓強較小時，壓縮空氣不對掌子面骨料即土體進行支撐，主要用來平衡土體孔隙水壓與土體殘留氣壓。隨著空氣壓強增大，壓縮空氣壓入土體孔隙的趨勢漸趨穩(wěn)定，土體孔隙被填滿，土體水頭被平衡，壓縮空氣將對掌子面土體進行支承，最終實現(xiàn)掌子面水土壓的平衡。因此，壓縮空氣的最小極限值應(yīng)大于掌子面水頭，最終所需空氣壓強應(yīng)根據(jù)掌子面目標(biāo)壓強進行等效換算。同時，應(yīng)對壓縮空氣進行“Blow out”驗算。

4) 盾尾注漿壓強。

有效的盾尾注漿，可及時控制地面沉降以及降低地層體積損失率，同時潤滑盾構(gòu)與周圍土體的接觸面，防止出現(xiàn)盾構(gòu)卡頓，避免隧道內(nèi)襯高度不均勻受力。同樣的，盾尾注漿壓強最小極限值應(yīng)大于管片與周圍土體接觸面的水頭，但不宜過大或過小。不合理的注漿壓強，會使壓漿通道聯(lián)通掌子面，引發(fā)掌子面瞬間失壓、掌子面漿體回流，帶來嚴重的工程事故。目前，海外普遍接受的適宜盾尾注漿壓強為目標(biāo)掌子面壓強+0.05 MPa。

5) 倉內(nèi)膨潤土與添加劑設(shè)計。

此處不詳述。

6) 有限元模擬驗證。

對于計算所得的各項設(shè)計支承壓，特別是區(qū)間“敏感地帶”的支承壓界限值，應(yīng)采用有限元模型驗證其計算結(jié)果。

2 EPB盾構(gòu)隧道掌子面穩(wěn)定性分析與計算

2.1 掌子面支承壓計算

1) 掌子面支承壓下限值。

Anagnostou & Kovari(1996)提出極限平衡計算法[4]式(1)，計算中考慮土拱效應(yīng)以及因水頭差引起的動水壓強?；跉W洲規(guī)范體系下，考慮ULS工況以及地面超載q，式(1)轉(zhuǎn)換為式(2)(本工程實際遠程水位較低，與掌子面水位差很小，不考慮動水壓強)。同時，為了實現(xiàn)盾構(gòu)參數(shù)的全信息化控制，所求最小壓強的位置應(yīng)以刀盤壓力監(jiān)測器位置為準(zhǔn)，如式(3)。

σmin=F0γ′D-F1C+F2γ′Δh-F3CΔh/D

(1)

σmin=F0γ′Drγ-F1C/γc+(Z0-Z2)γw+

kaqγq

(2)

(Z0-Z2)γw+kaqγq

(3)

2) 目標(biāo)掌子面支承壓值。

[5]中提出，掌子面有效平衡壓強應(yīng)略大于掌子面主動水土壓，見式(4)。針對以色列工程實際，采用歐洲設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，基于SLS工況，同時考慮地面超載，對式(4)進行轉(zhuǎn)換，見式(5)。

(4)

(5)

3) 掌子面支承壓上限值。

當(dāng)隧道埋深較淺，在隧道掘進過程中應(yīng)用過大的掌子面平衡壓強，將導(dǎo)致地表顯著的隆起破壞；同時，當(dāng)楔形體上方抗力不足以平衡壓縮空氣壓強時，將導(dǎo)致壓縮空氣瞬間“溢流”，掌子面瞬間失壓力。因此，楔形體上方土體的重度G以及兩側(cè)土體摩阻力的合力必須大于掌子面維穩(wěn)壓力值，達到一定的安全系數(shù)，如圖2。最大允許壓力值計算見式(6)，壓力監(jiān)測器位置處的最大壓力允許值見式(7)。

(6)

rbd′+q/rq

(7)

圖2 考慮土體邊界摩阻力的Blow-out模型

2.2 荷載分項系數(shù)與材料強度安全系數(shù)

歐洲規(guī)范體系[1]下荷載分項系數(shù)與材料強度安全系數(shù)，如表1。地面超載取q=15 kPa。

2.3 多層地質(zhì)與混合掌子面條件支撐壓分析與計算

掌子面穩(wěn)定性分析的計算模型針對的是均一單

表1 荷載分項系數(shù)與材料強度安全系數(shù)描述SLS工況ULS工況γq-地面超載分項系數(shù)1015γγ-土體重度分項系數(shù)1010γc-土體粘聚力安全系數(shù)10125γφ-土體摩擦角安全系數(shù)10125

層地質(zhì)條件，而實際工程中，地質(zhì)條件往往是多層且復(fù)雜多變的。本工程針對多層地質(zhì)情形下土體性能建議采用的是多層加權(quán)平均值。而混合掌子面(指掌子面存在兩種或兩種以上具有顯著性能差異的土體，例：極軟和極硬交替)條件下，應(yīng)該考慮其最不利地質(zhì)條件。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對混合掌子面土體強度進行人為折減后，其所需維穩(wěn)壓強更大，而“溢流”安全系數(shù)更低；當(dāng)采用人為增強后的土體參數(shù)，其所需穩(wěn)壓壓強變小，而“溢流”安全系數(shù)變高。因此，針對混合掌子面條件，建議采用適度折減后的均質(zhì)土體進行計算，以尋求更為安全嚴格的計算結(jié)果。

3 注漿壓強分析與計算

隧道掘進過程中，同步的盾尾注漿是必不可少，其主要功效有： ①防止管片高度不均勻受力引起的開裂甚至坍塌；②及時填充背后空隙，減少地表沉降與體積損失率；③保持管片位置，在軟弱土體及混合掌子面條件下有利于控制盾構(gòu)姿態(tài)；④均勻傳遞盾殼荷載。

3.1 最小極限注漿壓強

最小極限注漿壓強應(yīng)大于孔隙水壓，滿足1.2的安全系數(shù)，同時考慮地面超載。

σmin-tv=1.2σGw+q

(8)

式中： σmin-tv為最小極限注漿壓強；q為地面超載；σGw為孔隙水壓。

3.2 目標(biāo)注漿壓強

目前，海外普遍認可的目標(biāo)注漿壓強為目標(biāo)掌子面壓強+0.05 MPa。

σtar-tv=σT+50 kPa

(9)

式中：σtar-tv為目標(biāo)注漿壓強；σT為隧道頂目標(biāo)壓力值。

4 壓縮空氣壓強

4.1 最小極限空氣壓強

最小極限壓縮空氣壓強應(yīng)大于孔隙水壓，滿足1.1的安全系數(shù)，同時考慮地面超載。

σmin-air=1.1σGw+q

(10)

4.2 “半填充”、“全填充”壓縮空氣計算

空氣壓強的計算是基于掌子面所需平衡水土壓的總推力不變，與掌子面支承壓強進行等效變換，見式(11)～式(14)。僅示意“半填充”、“全填充”情形下目標(biāo)空氣壓強的計算。實際上也應(yīng)對最小、最大壓縮空氣界限值進行計算，其原理相同，此處不再贅述。

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：σface為掌子面支承壓；γb為倉內(nèi)渣土重度；D為隧道開挖直徑；σhalf-air為目標(biāo)壓強下半填充空氣壓力值；σtotal-air為目標(biāo)壓強下全填充空氣壓力值。

4.3 土體“溢流”分析與驗算

如果掌子面提供的推力過大，在填充壓縮空氣的情形下，上方土體被強行“打通”溢流通道，保壓空氣瞬間流失，土體坍塌。因此必須檢查掌子面“溢流”安全系數(shù)，建議應(yīng)用簡單的垂直平衡模型，不考慮摩擦力，取η≥1.1進行驗算。

η=σmax/max(σtotal-air，σhalf-air)

(15)

式中：σmax為隧道頂最大允許壓強。

5 掌子面支承壓例證與有限元分析驗算

5.1 地質(zhì)描述

根據(jù)已有的地勘資料以及業(yè)主提供的地質(zhì)解析報告，以色列“Red Line Project” 隧道西段沿線主要是由Kurkar組組成的第四紀(jì)土體，可細分為K1、K2、K3、K4類土體，以及由以色列土體統(tǒng)一分類體系定義的CL-CH、 SC、SP、SP-SM 和 SP-SC類組等，其分類及主要性能描述如表2。

5.2 隧道斷面實例計算

以色列盾構(gòu)支承壓設(shè)計中，要求區(qū)間沿線每10 m即作為一個計算斷面。選取以色列“Red Line Project”西段里程18+540處斷面進行實例計算，根據(jù)讀取該斷面處最近的鉆孔的地質(zhì)情況，其土體特性從上至下的分布描述如表3。計算結(jié)果見表4。

表2 “RedLineProject”西段沿線地質(zhì)描述組土體分類一般描述主要性能IIaSM，SC-SM，，SC>50%的粗顆粒土體(粒徑>200目篩)，>15%的細顆粒土體砂性土體，粘聚力很小，塑性低IbSC-CL，CL，CH-CL，CH>50%的細顆粒土體(粒徑<200目篩)粘性土體，中-高塑性IISP-SM，SP，SP-K1，K1，K2，K1-K2粗顆粒土、沙混雜鈣質(zhì)砂巖/礫石(K1)沙夾雜薄膠結(jié)鈣質(zhì)砂巖(K1-K2，K2)無粘性土體IIIK2-K3，K3，K3-K4，K4高凝結(jié)硬質(zhì)巖(K3)/硬質(zhì)巖(K4)/鈣質(zhì)砂巖與沙交替取決于各成分的百分比，可看做無粘性土體或小粘聚力的巖石IV回填土、路基土等通常包括：瀝青、黃-棕色沙、棕色粘土等—

表3 18+540斷面地質(zhì)描述地層層厚/m土體重度/(kN·m-3)排水重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa有效摩擦角/(°)CH7117 7 1521K15518585034SC3319 9 028水平系數(shù)滲透率/(m·s-1)彈性模量/MPa泊松比類組0879E-061504GroupIb0542E-064503GroupII0625E-0552035GroupIa 注：地表高程113m，水位-01m，開挖直徑745m，覆土深度195m。

表4 計算結(jié)果里程掌子面支承壓/kPa壓縮空氣壓強/kPa下限目標(biāo)上限情形極限小下限18+540106226±20462半填充全填充51133147壓縮空氣壓強/kPa注漿壓強/kPa目標(biāo)上限極限小目標(biāo)安全系數(shù)η說明254490267503112264169壓力監(jiān)測器處

5.3 有限元分析模擬驗證

采用Plaixs 3D軸對稱模型，對以上計算結(jié)果進行驗證，其模型簡圖如圖3。X=40 m，Y=80 m，盾構(gòu)沿Y方向前進，管片寬度每環(huán)1.5 m。在模型的第一階段，假設(shè)盾構(gòu)已經(jīng)掘進了25 m，以盡量減少模型邊界對模型結(jié)果的影響。此后，以每一個管片寬度作為一個進程進行開挖。

圖3 Plaxis 3D對稱有限元模型

從模型結(jié)果可以看出，應(yīng)用不同的掌子面界限值，土體體積損失率均<0.5%，地表沉降均<10 mm，無隆起現(xiàn)象，其計算結(jié)果(表5)滿足歐洲規(guī)范要求，分析模型與計算方法滿足工程要求，普遍適用。

表5 Plaxis3D模型計算結(jié)果里程掌子面應(yīng)用壓強/kPa體積損失率/%地面沉降/mm106(下限值)043-7718+540226(目標(biāo)值)035-64462(上限值)034-62

6 結(jié)語

1) 總結(jié)了歐洲規(guī)范體系下，掌子面穩(wěn)定性分析的設(shè)計理念與設(shè)計流程，對海外地下結(jié)構(gòu)工程設(shè)計具有的指導(dǎo)意義。

2) 隧道掘進過程中，掌子面支承壓強應(yīng)分別求得其“下限值”、“目標(biāo)值”、“上限值”，且滿足“下限值下地層不出現(xiàn)坍塌/沉陷”、“目標(biāo)值下能最小化地層體積損失率及地表沉降”、“上限值下土體不出現(xiàn)顯著隆起”等要求；明確給出了不同界限值的計算方法。

3) 在ULS工況下，設(shè)計應(yīng)采用歐洲規(guī)范巖土規(guī)范所規(guī)定的材料安全系數(shù)以及荷載分項系數(shù)；同時，隧道掘進應(yīng)滿足“地層體積損失率<0.5%”，以及“地表沉降<10 mm”的要求。

4) 壓縮空氣壓強以及注漿壓強均應(yīng)首先滿足最小極限值要求；空氣壓強的計算基于平衡掌子面前方水土壓總推力相等的邊界條件，與計算掌子面界限值進行等效轉(zhuǎn)換；注漿壓強采用掌子面目標(biāo)值+0.05 MPa。

5) 對于多層非均質(zhì)地質(zhì)條件，建議采用加權(quán)平均值進行計算；對于混合掌子面條件，建議考慮掌子面均質(zhì)最不利情形。經(jīng)嘗試，采用適度人為折減后的土體參數(shù)進行掌子面支承壓計算更為安全、嚴格，是適宜的。

6) 計算所得掌子面支承壓(特別是地質(zhì)敏感區(qū)域)，應(yīng)通過有限元模型的分析驗證，以證明其正確性與實用性。文中以以色列“Red Line Project”西段為工程實例，根據(jù)實際地質(zhì)情況，選取斷面里程18+540處進行了計算，并通過了Plaxis 3D有限元模型的驗證。其計算結(jié)果滿足歐洲規(guī)范要求，計算與分析方法有良好的適用性。

7) 限于篇幅，文中未給出詳細的“Spreadsheet”計算表格以及有限元模型模擬過程進行詳細描述；同時，膨潤土以及泡沫添加劑的設(shè)計要求也未在文中詳述。而事實上，這些都包含于掌子面穩(wěn)定性分析的設(shè)計流程中。有興趣的讀者可自行查閱相關(guān)資料嘗試。

參考文獻：

[1] BS EN 1997-1： 2004,Geotechnical design—Part 1： General rules[S].

[2] Israeli Standard SI 412,Loads on structures：characteristic loads(1992)[S].

[3] Broere W.Face Stability Calculation for a Slurry Shield in Hetrogeneous Soft Soils[J].Tunnels and Metropolises，1998:215-218.

[4] G.Anagostou，K.Kovari.Face Stability in Slurry and EPB Shield Tunnelling[J].Tunnels & Tunnelling,1996.

[5] Vittorio Guglielmetti，Piergiorgio Grasso，Ashraf Mahtab，Shulin Xu.Mechanized Tunnelling in Urban Areas：Design methodology and construction[M].Taylor & Francis Group,2008.

[6] HKIE Geotechnical Division Working Group on Cavern and Tunnel Engineering and Geotechnical Engineering Office.Ground Control for EPB TBM Tunnelling[R].2014.

1008-844X(2016)04-0163-06

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