徐靜波,劉杰,俞超杰
(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院,廣州510000;2.中交第二航務(wù)工程局有限公司,武漢430040;3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,南京210098)
在盾構(gòu)隧道建設(shè)過(guò)程中維持開(kāi)挖面的穩(wěn)定是工程順利進(jìn)行的前提。泥水盾構(gòu)采用加壓泥漿或氣壓的方式平衡地層土水壓力以保障開(kāi)挖面的穩(wěn)定,當(dāng)開(kāi)挖面支護(hù)壓力與土水壓力相差過(guò)大時(shí),將引起開(kāi)挖面失穩(wěn)造成工程事故。如荷蘭Heinenroord 第二隧道在施工時(shí)因泥漿壓力設(shè)定過(guò)大導(dǎo)致開(kāi)挖面發(fā)生被動(dòng)破壞;南京緯三路過(guò)江通道帶壓開(kāi)艙檢修時(shí),因氣壓設(shè)定過(guò)大氣體沖破開(kāi)挖面,江底坍塌形成巨坑。開(kāi)挖面上極限支護(hù)應(yīng)力與開(kāi)挖面的破壞形式關(guān)系已成為工程界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)。
眾多學(xué)者針對(duì)泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面極限支護(hù)應(yīng)力及破壞形式進(jìn)行了大量研究。學(xué)者裴紅軍改進(jìn)了“楔形體”[1]滲透模型,解決了開(kāi)挖面存在不同土層時(shí)的泥漿滲透問(wèn)題,使用極限平衡法計(jì)算泥漿被動(dòng)破壞支護(hù)力。學(xué)者趙紅澤[2]等通過(guò)簡(jiǎn)化“楔形體”模型,引入影響開(kāi)挖面穩(wěn)定的參數(shù),采用線性擬合的方法得到極限支護(hù)力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。學(xué)者秦建設(shè)[3]采用FLAC 3D數(shù)值模擬的方法,開(kāi)展盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性研究,提出開(kāi)挖面土體位移隨支護(hù)應(yīng)力的降低而增加,當(dāng)支護(hù)應(yīng)力減小到一定程度后位移會(huì)發(fā)生突變,將此時(shí)的支護(hù)應(yīng)力作為開(kāi)挖面主動(dòng)極限支護(hù)應(yīng)力。隨著長(zhǎng)、大水下隧道的大規(guī)模建設(shè),高水壓、淺覆土、高滲透性地層等將造成泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性控制難題,有必要針對(duì)開(kāi)挖面上極限支護(hù)應(yīng)力與破壞形式間的關(guān)系進(jìn)行研究。
本文以某泥水盾構(gòu)過(guò)江隧道為例,運(yùn)用FLAC 3D 數(shù)值分析方法,對(duì)泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力與破壞形式進(jìn)行分析,以獲得基于極限平衡狀態(tài)下的開(kāi)挖面極限支護(hù)應(yīng)力范圍。
某泥水盾構(gòu)越江隧道全長(zhǎng)約3186m,過(guò)江段長(zhǎng)約1500m,過(guò)江段地層復(fù)雜多變:江中部分地段上部為粉細(xì)砂層,下部為風(fēng)化礫巖、膠結(jié)礫巖等復(fù)合地層。
選取江中段帶壓開(kāi)艙處位置為計(jì)算斷面,該斷面上部為6.1m 粉細(xì)砂層,下部為6m 強(qiáng)風(fēng)化礫巖層。取隧道豎向中心線一側(cè)進(jìn)行分析,模型邊界設(shè)為距隧道3~5 倍洞徑。地表不受約束外其余面均固定。模型如圖1 所示,土體應(yīng)力應(yīng)變服從摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則,各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。
圖1 隧道模型
分別施加全斷面加壓泥漿和氣壓+加壓泥漿2 種不同支護(hù)作用,以模擬泥水盾構(gòu)正常掘進(jìn)、帶壓開(kāi)艙2 種不同工況。逐級(jí)減小(增大)開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力,當(dāng)開(kāi)挖面中心點(diǎn)位移發(fā)生急劇變化時(shí),說(shuō)明開(kāi)挖面發(fā)生失穩(wěn)破壞,此時(shí)中心點(diǎn)的支護(hù)應(yīng)力即為主動(dòng)(被動(dòng))極限支護(hù)應(yīng)力。
表1 土層物理力學(xué)參數(shù)
支護(hù)應(yīng)力比γ 和位移直徑比可反映支護(hù)應(yīng)力與地層土水應(yīng)力的差異以及開(kāi)挖面中心位移變化程度:
式中,σs為中心點(diǎn)支護(hù)應(yīng)力;σ0為中心點(diǎn)土水應(yīng)力;Sy為中心點(diǎn)軸向位移;D 為隧道直徑。
在泥水盾構(gòu)帶壓開(kāi)艙工況下,繪制支護(hù)應(yīng)力比γ 與中心點(diǎn)位移直徑比δ 的曲線如圖2 所示。
圖2 氣壓+加壓泥漿支護(hù)作用下δ-γ 曲線
開(kāi)挖面主動(dòng)(被動(dòng))破壞過(guò)程可分為3 個(gè)階段,以開(kāi)挖面被動(dòng)破壞為例:隨著支護(hù)應(yīng)力逐漸增大,開(kāi)挖面中心點(diǎn)位移緩慢增加,此階段支護(hù)應(yīng)力變化引起的開(kāi)挖面中心位移變化不明顯,開(kāi)挖面處于“穩(wěn)定階段”;此后開(kāi)挖面中心點(diǎn)位移對(duì)支護(hù)應(yīng)力的變化較為敏感,微小的支護(hù)應(yīng)力變化引起開(kāi)挖面中心點(diǎn)位移持續(xù)增加,為“屈服階段”;隨著支護(hù)應(yīng)力的繼續(xù)增大,隧道開(kāi)挖面中心點(diǎn)位移急劇增加,該階段開(kāi)挖面已發(fā)生失穩(wěn)破壞,為“破壞階段”。沿“穩(wěn)定階段”與“破壞階段”做兩曲線的切線,切線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為主動(dòng)(被動(dòng))極限支護(hù)應(yīng)力比λ。2 種不同支護(hù)作用下開(kāi)挖面主動(dòng)(被動(dòng))破壞極限支護(hù)應(yīng)力如表2 所示。
表2 不同支護(hù)作用下開(kāi)挖面極限支護(hù)應(yīng)力
根據(jù)FLAC3D 計(jì)算結(jié)果,生成2 種不同支護(hù)作用下的開(kāi)挖面位移圖如圖3 和圖4 所示。
圖3 全斷面加壓泥漿支護(hù)下開(kāi)挖面位移圖
圖4 氣壓+加壓泥漿支護(hù)下開(kāi)挖面位移圖
從2 種不同支護(hù)作用下開(kāi)挖面位移云圖可以看出:當(dāng)開(kāi)挖面發(fā)生主動(dòng)破壞時(shí),滑裂面從隧道底部貫通至地表,開(kāi)挖面土體位移較大的區(qū)域集中在開(kāi)挖面的中部和下部;當(dāng)開(kāi)挖面發(fā)生被動(dòng)破壞時(shí),滑裂面從隧道中部貫通至地表,開(kāi)挖面土體位移較大的區(qū)域集中在隧道上半部分,最大位移區(qū)域在隧道拱頂處,表明當(dāng)開(kāi)挖面發(fā)生被動(dòng)破壞時(shí)首先破壞的部位在隧道拱頂處。
以某泥水盾構(gòu)過(guò)江隧道工程為例,對(duì)2 種支護(hù)作用下開(kāi)挖面的極限支護(hù)應(yīng)力及主動(dòng)、被動(dòng)破壞形式差異進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:
1)泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞可分為3 個(gè)階段:“穩(wěn)定階段”“屈服階段”和“破壞階段”;通過(guò)不同階段間的曲線變化關(guān)系能得到開(kāi)挖面的主動(dòng)(被動(dòng))破壞極限支護(hù)應(yīng)力。
2)泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面發(fā)生主動(dòng)破壞時(shí),土體滑裂面從隧道底部貫通至地表,土體位移較大的區(qū)域集中在開(kāi)挖面中、上部;開(kāi)挖面發(fā)生被動(dòng)破壞時(shí),土體滑裂面從隧道中部貫通至地表,土體位移較大的區(qū)域集中在開(kāi)挖面上部,最大土體位移發(fā)生在隧道的拱頂處。
3)本過(guò)江段隧道開(kāi)挖面發(fā)生主動(dòng)破壞的最大極限支護(hù)應(yīng)力為261.3kPa,發(fā)生被動(dòng)破壞最小極限支護(hù)應(yīng)力為1206.9kPa,為保證江底段隧道順利通過(guò),泥水盾構(gòu)氣壓及泥漿壓力大小設(shè)置可參考此范圍。