周利梅，田衛(wèi)明

(重慶電訊職業(yè)學院 重慶 402247)

當下，地下空間的開發(fā)隨著城市的急劇擴張越來越廣泛，大直徑、埋置深、地下水位高等復雜地質條件的盾構隧道越來越多，而當盾構隧道施工行進到復雜地質條件區(qū)段時多會發(fā)生由于支護力支持不足引發(fā)的周圍土體坍塌或地面突起等問題，由于支護力不足導致開挖面失穩(wěn)的影響因素很多且不同因素的影響嚴重程度也大大不同，因此，本文針對這些影響因素在砂性土復雜地層當中的作用利用Flac3D展開分析，可以提前掌握隧道施工過程中各種因素導致支護力的變化對土體變形造成的影響和土體失穩(wěn)時的狀態(tài)，從而指導施工以降低事故發(fā)生的概率。

很多國外學者對開挖面穩(wěn)定性問題做了大量地理論和試驗性研究且已經(jīng)取得不少研究成果。[1-3]徐前衛(wèi)等人[4]引入條分法思想推導出可以求得極限支護壓力的開挖面穩(wěn)定極限狀態(tài)方程。李姣陽[5]利用塑性極限分析上限法推導出了純粘性土地層開挖面極限支護壓力上限解的計算公式，同時結合實例計算得到土體參數(shù)影響的規(guī)律。李清川、孫志彬、高健、梁禹等人[6-9]依據(jù)極限分析上限定理通過試驗、數(shù)值模擬等方法研究了滲流作用對極限支護壓力影響的變化規(guī)律。大多學者對單一條件開挖面穩(wěn)定極限狀態(tài)進行分析，較少關注各種因素的綜合影響，本文對此進行深入分析。

1 模型建立

1.1 模型建立

某工程隧道采用盾構法開挖，開挖直徑達13.5m，隧道掘進過程中穿越以砂性土為主的具有豐富地下水的復雜地層，且隧道上部覆蓋土層厚度最小為8m，最大可達40余米深。本文結合工程實例具體情況選定隧道直徑D為10m。為減小模型

邊界效應以及施工中其他因素對計算結果產(chǎn)生的干擾，計算模型尺寸及網(wǎng)絡劃分如圖1所示，隧道上部至地表處即埋深C為20m，地表處也是地下水位所處高度；橫向與縱向尺寸分別為60m、90m，垂直方向下方邊界距離隧道底部40m，上取至隧道頂部以上20m即地表處；隧道開挖過程模擬一次性開挖長度為20m并對模型邊界進行位移和滲流約束。

模型網(wǎng)絡采用8節(jié)點且被剖分為11610個單元，13113個節(jié)點的等參元網(wǎng)絡。含地下水的砂土地層考慮為Mohr-Coulomb材料，管片材料采用厚度為0.6m的C50彈性鋼筋混凝土材料，并采用liner單元進行模擬。土體材料參數(shù)見表1。

圖1 LIN總線幀頭詳細結構

表1 數(shù)值模擬土層參數(shù)表

1.2 計算說明

2 開挖面失穩(wěn)破壞模式

通過模型計算分析，當支護比下降至0.425時的土體塑性區(qū)單元變化如圖2所示，土體位移變化量曲線如圖3所示。

圖

圖3 開挖面中心點位移變化圖

圖2、圖3顯示，支護應力比下降到0.425時會突然引起內部應力的大量釋放而造成前方土體變形，主要表現(xiàn)為開挖面前方及上部塑性區(qū)單元激增，并有急劇擴大至地表的趨勢，此時可以認定隧道開挖面前方土體已失穩(wěn)破壞，其破壞規(guī)律大致總結如下：初始支護應力比在0.5～1范圍內時施工面前方土體變形量幾乎很少，對支護應力比的變化不太敏感；當支護應力比降至0.425～0.5的范圍內時，施工面前方土體變形量開始增加且增加的速度較快，對支護應力的變化已經(jīng)非常敏感，支護力的微量變化都會導致土體位移變化值的急劇增大，恰與模型中塑性區(qū)擴大的趨勢基本一致；第三階段隧道所處地層已基本處于失效破壞階段，此時的極

3 開挖面穩(wěn)定的影響因素分析

3.1 隧道埋深

在本文中為避免干擾項對分析結果的影響，故只改變隧道埋深而設置其他因素不變，現(xiàn)取埋深C分別為20m、25m、30m、35m、40m五種工況來進行分析。

五種工況條件下極限支護力變化以及土體位移變化量如圖4、表2所示，埋深比C/D分別為2和4時施工面破壞后的位移等值線圖以及塑性區(qū)發(fā)展如圖5所示。

圖4 五種工況對比圖

表2 五種工況條件下極限支護力

圖5 C/D=2、C/D=4時位移等值線圖及塑性圖

圖4、表2顯示，五種工況的破壞失穩(wěn)趨勢基本一致且呈線性關系，C/D由2增加到4時其極限支護力增加了14.4%。由圖5顯示，當C/D=2時，開挖面前方失穩(wěn)形態(tài)接近于傾角較大的楔形狀，破壞地域形似煙囪狀并逐步發(fā)展到地表；隨著埋深比的增大，楔形體的傾角逐漸變小且破壞區(qū)域很難發(fā)展到地表，對地表擾動較小。這些結論與離心機模型試驗結果[10]和文獻[11]的計算模型結果較為接近從而驗證了此研究方法的合理性。

3.2 土層材料

本文主要研究對施工影響最為敏感的參數(shù)內摩擦角，現(xiàn)分析內摩擦角φ分別為25°、30°、35°、40°、45°五種工況時對極限支護力以及失穩(wěn)狀態(tài)的影響，分析結果如圖6、圖7所示。

圖6 五種工況對比圖

圖7 φ分別為25°、45°時開挖面失穩(wěn)狀態(tài)

由圖6、圖7顯示，當φ為25°時極限支護力為175kPa，而當φ為45°時其僅為118.75kPa，極限支護力下降明顯，降低了32.14%，且與內摩擦角的變化成反相關；當支護比為0.75時，φ為25°的開挖面中心水平位移已接近1m，而當φ為45°時該位移只有56mm，說明在支護力保持一致時，土體的位移變化量值與內摩擦角的變化成反相關且變化

幅度顯著。楔形體形狀隨著內摩擦角的增大發(fā)生明顯變化，傾角逐漸變大但寬度越來越窄且破壞區(qū)域離地表越來越遠，不容易擴散發(fā)展至地表。

3.3 隧道直徑

保證模型其他參數(shù)不變，隧道直徑D依次選取6m、8m、10m、12m、14m五種工況進行對比分析，結果如圖8、表3所示。

表3 五種工況條件下極限支護力

由圖8、表3可知，隧道直徑由6m增大至14m時，其極限支護力增加了134.78%。當支護比為0.475時隧道直徑為6m的水平位移量僅為37mm，而此時隧道直徑為14m的位移量已達1m，已處于失穩(wěn)狀態(tài)。這充分說明該因素對開挖面穩(wěn)定的影響非常顯著，因此在施工中對于大直徑隧道要加強監(jiān)控量測，保證施工安全。

3.4 地下水位

保證模型其他參數(shù)不變，選取水位線分別距離隧道上方0m，5m，10m，15m，20m(地表處)五種工況，分析結果如圖9、表4所示。

圖9 五種工況對比圖

表4 五種工況條件下極限支護力

由圖9、表4所示，當水位線由距隧道上方0m上升至地表處時，極限支護力增加了418.29%，由此可見地下水水位高低對施工穩(wěn)定的影響極大；由表4還可看出，當水位只位于隧道上方0m時，孔隙水壓力占極限支護應力的比重為5.49%；而當水位線處于地表處時，砂土呈飽和狀態(tài)，此時孔隙水壓力所占比重上升至22.5%。由此可得出，地下水位的高低決定了滲透力所占比重，兩者呈正相關，滲透力對開挖面穩(wěn)定影響很大。這正好與文獻[8]中所得結論相互契合，說明施工中必須要考慮滲透對開挖穩(wěn)定的影響。

4 結論

本文通過Flac3D軟件分析了砂土地層條件下隧道埋深、土層材料、隧道直徑以及地下水位因素對盾構隧道開挖面穩(wěn)定性的影響，得出以下結論：

(1)土體破壞失穩(wěn)大致有以下規(guī)律：初始支護應力比在下降時施工面前方土體位移變化量幾乎很少，對支護比的改變不敏感；當支護比降至一定范圍內時，施工面前方土體變形量開始增加且增加的速度較快，對支護應力的變化已經(jīng)非常敏感，支護力的微量變化都會導致土體位移變化值的急劇增大；第三階段隧道所處地層已基本處于失效破壞階段，其失穩(wěn)形態(tài)接近于楔形狀。

(2)隨著隧道埋深的增加，楔形體的傾角逐漸變小且破壞區(qū)域很難發(fā)展到地表，對地表擾動較小。

(3)在支護力保持一致時，土體的位移與內摩擦角的變化成反相關且變化幅度顯著。楔形體形狀隨著內摩擦角的增大發(fā)生明顯變化，傾角逐漸變大但寬度越來越窄且破壞區(qū)域離地表越來越遠，不容易擴散發(fā)展至地表。

(4)在砂土地層中隧道直徑的大小對開挖面穩(wěn)定的影響非常顯著，在施工中對于大直徑隧道要加強監(jiān)控量測，保證施工安全。

(5)地下水位的高低對開挖面穩(wěn)定的影響非常顯著，而滲透力所占比重也隨著水位的升高隨之增大。