沈 雯

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

盾構(gòu)法憑借自身的突出優(yōu)勢(shì)，成為了目前城市地鐵建設(shè)中最主要的一種施工技術(shù)，在實(shí)際施工過程中，能否穩(wěn)定控制開挖面，決定了開挖能否安全順利地進(jìn)行，而開挖面的穩(wěn)定性又取決于開挖面支護(hù)力的控制和確定。通常情況下，支護(hù)力過大會(huì)使土體隆起，支護(hù)力過小則會(huì)引起土體發(fā)生沉降，甚至造成地層的坍塌。近些年來，我國由于盾構(gòu)施工過程中開挖面支護(hù)力施加不當(dāng)而造成的施工事故屢次發(fā)生。

國內(nèi)外學(xué)者在研究開挖面失穩(wěn)破壞模式的基礎(chǔ)上總結(jié)了許多理論計(jì)算模型，主要包括塑性極限分析理論和楔形體計(jì)算模型理論。Broms等[1]最早提出了黏土地基不排水開挖面穩(wěn)定系數(shù)法；Horn[2]提出了三維楔形體模型的概念，指出通過對(duì)楔形體的力學(xué)特征進(jìn)行分析可以求得作用在楔形體上的泥漿支護(hù)力的取值范圍；Anagnostou等[3]基于上述的三維楔形體計(jì)算模型，假定土層為均質(zhì)的，提出了考慮土壓平衡盾構(gòu)施工過程中，地下水滲流產(chǎn)生的滲透力對(duì)楔形體的影響；魏綱等[4]對(duì)三維楔形體計(jì)算模型進(jìn)行了修正，提出了梯形楔體計(jì)算模型。通過算例分析表明，梯形楔體計(jì)算模型計(jì)算得到的最小支護(hù)應(yīng)力小于楔形體計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果更接近離心模型試驗(yàn)結(jié)果[5]；Mair[6]采用離心模型試驗(yàn)研究了飽和軟黏土地層的開挖面穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明：由于黏聚力的存在，開挖面失穩(wěn)的區(qū)域大大增加，呈現(xiàn)出“盆”狀沉降槽；湯旅軍等[7]基于離心模型試驗(yàn)對(duì)密實(shí)砂土地層中盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：隨著開挖面位移的增大，開挖面支護(hù)力先減小為極限值，而后逐漸增大并最終趨于殘余值；丁菲[8]采用離心模型試驗(yàn)對(duì)水下盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬，揭示了盾構(gòu)隧道在開挖面失穩(wěn)過程中前方區(qū)域土拱效應(yīng)的發(fā)展及開挖面漸進(jìn)破壞過程；馬忠武等[9]基于透明土技術(shù)開展模型試驗(yàn)，研究了隧道前方縱斷面土體位移矢量、沉降槽和破壞模式，研究結(jié)果表明：開挖面失穩(wěn)后土體以垂直位移為主，淺埋時(shí)土體破壞呈現(xiàn)“楔”形，破壞面延伸至地表，深埋時(shí)擾動(dòng)范圍向開挖面變窄，并出現(xiàn)壓力拱，擾動(dòng)體呈現(xiàn)為“筒倉”形。

朱偉等[10]采用FLAC 3D研究了砂土中盾構(gòu)開挖面變形與破壞模式，研究結(jié)果表明：砂土地層開挖面失穩(wěn)時(shí)，開挖面附近破壞區(qū)域呈“楔”形，其上為“煙囪”狀，當(dāng)埋深較大時(shí)，開挖面破壞發(fā)展不到地表面，表現(xiàn)為局部破壞；秦建設(shè)等[11]采用FLAC 3D研究了黏土中盾構(gòu)開挖面變形與破壞模式，研究結(jié)果表明：黏土開挖面失穩(wěn)表現(xiàn)為“鼓出”狀，開挖面失穩(wěn)影響區(qū)域較大。由于土拱作用的存在，開挖面破壞表現(xiàn)為局部破壞，使開挖面坍塌未發(fā)展到地表；許春彥[12]基于FLAC 3D軟件建立了數(shù)值計(jì)算模型，分別研究了在砂土和黏土地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)開挖面穩(wěn)定性問題，同時(shí)對(duì)隧道埋深、直徑及土層材料對(duì)地表沉降規(guī)律、開挖面極限支護(hù)力、開挖面失穩(wěn)后隧道地層變形狀態(tài)進(jìn)行了敏感性分析；陳東海[13]依托長沙市某盾構(gòu)隧道工程，建立了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中顆粒的離散元力學(xué)模型，通過改進(jìn)掘進(jìn)面支護(hù)壓力，研究了砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)面的失穩(wěn)機(jī)理。

綜上所述，既有相關(guān)研究主要集中于不考慮地表建筑荷載條件下的盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)機(jī)制，而實(shí)際上盾構(gòu)在城市核心區(qū)施工過程中，將不可避免地接近既有建筑物結(jié)構(gòu)，位于盾構(gòu)側(cè)方的建筑物無疑會(huì)造成地表偏載。建筑物結(jié)構(gòu)荷載無疑會(huì)增加地層的附加荷載，造成開挖面的不平衡荷載，對(duì)開挖面的控制產(chǎn)生影響。因此，有必要進(jìn)一步研究在建筑偏載作用下的盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)演化規(guī)律，為盾構(gòu)隧道開挖面控制提供技術(shù)支撐。

1 大直徑盾構(gòu)隧道開挖面數(shù)值建模

通過采用Plaxis 3D數(shù)值模型，構(gòu)建在受建筑偏載下的大直徑盾構(gòu)隧道開挖面演化三維數(shù)值模型。構(gòu)建的三維模型尺寸為150 m（長）×100 m（寬）×80 m（高），采用大直徑盾構(gòu)施工，盾構(gòu)已經(jīng)掘進(jìn)15 m，直徑為14.26 m，盾構(gòu)隧道軸線埋深也為14.26 m，即考慮盾構(gòu)埋深在0.5D（D為隧道直徑）淺埋工況下。地表建筑為民房建筑，基礎(chǔ)為矩形平面的淺基礎(chǔ)，建筑物的長邊和短邊分別為30 m和20 m，盾構(gòu)開挖面到建筑物邊緣的距離為2 m，建筑物長邊和盾構(gòu)外緣在同一線上。建筑物和盾構(gòu)相關(guān)平面和三維有限元模型如圖1、圖2所示?？紤]到建筑物為8層，其地基荷載為350 kPa。

圖1 建筑物與盾構(gòu)平面相對(duì)位置示意（單位：m）

圖2 三維有限元模型

大直徑盾構(gòu)位于上海軟黏土層施工，由于本文主要為研究開挖面與地表建筑偏載的影響，因此假定土層為均一的上海軟黏土地層。淤泥質(zhì)黏土具有應(yīng)變軟化、剛度下降的特點(diǎn)，因此，小應(yīng)變（HS-Small）模型土體本構(gòu)模型考慮土體的受力變形。該本構(gòu)模型可以反映土體在受力過程中剛度弱化的效應(yīng)。相關(guān)土體參數(shù)取值如表1所示。本文暫不考慮盾構(gòu)本身的變形，因此考慮其為剛度結(jié)構(gòu)。為對(duì)比分析建筑荷載對(duì)開挖面的影響，同時(shí)對(duì)地表無建筑的情況進(jìn)行建模分析。

表1 淤泥質(zhì)黏土的HS-Small模型參數(shù)

開挖面支護(hù)壓力分布考慮為均布，這和泥水盾構(gòu)施加的均勻泥水壓力一致。計(jì)算模型考慮支護(hù)比從1.0減少到0.1之間變化過程中，大直徑盾構(gòu)開挖面的演化發(fā)展歷程。

2 結(jié)果分析

2.1大直徑開挖面變形演化分析

圖3為地表無建筑荷載時(shí)大直徑盾構(gòu)開挖面總位移發(fā)展演化云圖。

圖3 地表無建筑荷載時(shí)開挖面總位移發(fā)展演化云圖

由圖3可見，當(dāng)開挖面支護(hù)壓力與地層靜止側(cè)向壓力相等時(shí)，開挖面總位移僅為1～2 mm，開挖面穩(wěn)定性極好，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)??；隨著開挖面支護(hù)比從1.0下降至0.4時(shí)，開挖面正前方的土體位移逐漸發(fā)展，但是開挖面基本保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，最大開挖面位移從2 mm增加值10 mm。當(dāng)開挖面支護(hù)壓力進(jìn)一步減小為0.2時(shí)，發(fā)現(xiàn)開挖面前方土體位移迅速發(fā)展，最大土體位移在開挖面前方，最大位移達(dá)到了56 mm，此時(shí)土體位移場(chǎng)仍然集中于開挖面前方；而當(dāng)開挖面支護(hù)壓力比降至0.1時(shí)，土體位移發(fā)展至地表，影響范圍明顯增大，在開挖面前方土體位移達(dá)到260 mm，此時(shí)開挖面有失穩(wěn)的趨勢(shì)。

圖4為地表有建筑荷載時(shí)開挖面總位移發(fā)展演化云圖。對(duì)比圖3可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)前方建筑的存在對(duì)開挖面變形演化有重要的影響。觀察圖4（a）～圖4（d）可見，地表建筑物引發(fā)地層附加荷載和附加位移，當(dāng)開挖面支護(hù)比為0.6～1.0時(shí)，地表建筑的存在對(duì)開挖面位移發(fā)展影響不大，而開挖面支護(hù)比進(jìn)一步降低時(shí)，地表建筑荷載逐步與開挖面相互影響，逐漸形成位移的貫通區(qū)域，且開挖面前方最大荷載高達(dá)20 mm，大于無建筑的情況。這也說明，盡管開挖面前方存在荷載，只要開挖面支護(hù)壓力保持在靜止側(cè)向土壓力附近，盾構(gòu)前方開挖面依然能保持較好的穩(wěn)定性。

圖4 地表有建筑荷載時(shí)開挖面總位移發(fā)展演化云圖

當(dāng)開挖面支護(hù)比降至0.2時(shí)，開挖面前方與地表已經(jīng)形成了類似“喇叭”狀的位移貫通區(qū)域，土體位移明顯增大，開挖面前局部土體位移在110 mm附近；當(dāng)支護(hù)比為0.1時(shí)，此時(shí)開挖面已經(jīng)失穩(wěn)，最大土體位移高達(dá)480 mm。對(duì)比圖4（f）與圖3（f）發(fā)現(xiàn)，有建筑荷載情況下開挖面失穩(wěn)影響區(qū)域明顯大于無建筑的情況。可見，當(dāng)?shù)乇泶嬖诓黄胶饨ㄖ奢d時(shí)，盾構(gòu)開挖面前方土體位移增大，且失穩(wěn)影響區(qū)域遠(yuǎn)大于無建筑的情況。

2.2開挖面位移分析

進(jìn)一步對(duì)盾構(gòu)軸線前方側(cè)向位移、深層側(cè)向位移和地表沉降進(jìn)行分析，以探究地表不平衡建筑荷載對(duì)開挖面穩(wěn)定的影響。圖5為盾構(gòu)開挖面軸線前方土體側(cè)向位移隨支護(hù)比變化的發(fā)展曲線。由圖5可見，當(dāng)支護(hù)比大于0.8時(shí)，有無地表建筑物2種情況下，軸線處側(cè)向位移基本一致，可見，當(dāng)盾構(gòu)開挖面在建筑物下方時(shí)，開挖面支護(hù)壓力比若調(diào)整為0.8以上，開挖面可保持較好的穩(wěn)定性；當(dāng)支護(hù)比逐漸減小時(shí)，盾構(gòu)軸線前方的側(cè)向位移逐步增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)地表存在建筑時(shí)，側(cè)向位移大于無建筑情況下的位移。由側(cè)向位移發(fā)展曲線可見，當(dāng)支護(hù)比為0.3時(shí)，側(cè)向位移曲線發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折；當(dāng)支護(hù)比大于0.3，在有無建筑荷載的情況下，開挖面前方的側(cè)向土體位移相差不大；而當(dāng)支護(hù)比小于0.3時(shí)，側(cè)向土體位移迅速發(fā)展，且有無建筑的情況下側(cè)向土體位移差進(jìn)一步增加。可見，支護(hù)比為0.3是關(guān)鍵的控制性支護(hù)比，實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，開挖面的支護(hù)比不應(yīng)小于該值，否則將會(huì)導(dǎo)致開挖面的失控發(fā)展。

圖5 不同支護(hù)比下盾構(gòu)開挖面軸線前方土體側(cè)向位移曲線

由圖5發(fā)現(xiàn)，當(dāng)支護(hù)比從0.2降到0.1時(shí)，地表無建筑情況下，側(cè)向位移從50 mm迅速發(fā)展到172 mm；同樣地，在地表存在建筑的情況下，側(cè)向位移從96.6 mm急劇發(fā)展到306.7 mm。可見，此時(shí)開挖面穩(wěn)定性遭到破壞，開挖面前方土體失穩(wěn)崩塌。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在存在建筑物的情況下，開挖面前方土體位移發(fā)展遠(yuǎn)大于無建筑的情況，地表建筑物的存在加劇了開挖面的失穩(wěn)破壞，因此，在實(shí)際軟土地基施工過程中，當(dāng)上方存在建筑物時(shí)，較小的支護(hù)壓力將會(huì)造成嚴(yán)重的開挖失穩(wěn)破壞。

圖6和圖7分別為地表有建筑和無建筑情況下，盾構(gòu)開挖面前方土體側(cè)向位移隨深度的變化發(fā)展曲線。由圖6和圖7可見，隨著支護(hù)比降低，深層土體側(cè)向位移逐步發(fā)展，側(cè)向位移曲線類似于“凸肚”形，且位移變化范圍主要在盾構(gòu)開挖面范圍內(nèi)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)支護(hù)比大于0.3時(shí)，土體側(cè)向位移相對(duì)較小，而當(dāng)支護(hù)比小于0.3時(shí)，土體側(cè)向位移迅速發(fā)展。

圖6 地表有建筑情況下盾構(gòu)開挖面前方土體側(cè)向位移隨深度的變化發(fā)展曲線

圖7 地表無建筑情況下盾構(gòu)開挖面前方土體側(cè)向位移隨深度的變化發(fā)展曲線

為進(jìn)一步對(duì)比建筑是否存在對(duì)深層土體的側(cè)向位移的影響，給出了0.1～0.4支護(hù)比下深層土體的側(cè)向位移曲線，如圖8所示。

圖8 不同支護(hù)比下有無建筑物的盾構(gòu)開挖面前方土體側(cè)向位移曲線

總體而言，地表存在建筑的情況下，深層土體的側(cè)向位移大于無建筑物的情況。當(dāng)支護(hù)比從0.4下降至0.1時(shí)，地表有建筑時(shí)的最大土體深層位移分別是無地表荷載的2.0、1.8、2.0和1.9倍。可見，地表建筑物將會(huì)加劇深層土體的側(cè)向位移發(fā)展。

2.3開挖面前方地表沉降分析

當(dāng)開挖面支護(hù)壓力下降，將會(huì)導(dǎo)致前方土體位移發(fā)展。圖9和圖10分別為無地表建筑和有地表建筑物開挖面前方的地表沉降發(fā)展曲線。由圖9可見，在地表無建筑時(shí)，隨著支護(hù)比下降，開挖面前方土體逐步發(fā)生沉降，沉降曲線類似于“勺子”形，最大沉降點(diǎn)在盾構(gòu)開挖面前方5 m位置處，沉降發(fā)生范圍在盾構(gòu)開挖面前方15 m范圍內(nèi)，約為1倍盾構(gòu)隧道直徑。當(dāng)支護(hù)比為0.2時(shí)，地表沉降最大，最大沉降值為5.3 mm。

圖9 無地表建筑時(shí)盾構(gòu)開挖面前方的地表沉降發(fā)展曲線

圖10 有地表建筑時(shí)盾構(gòu)開挖面前方的地表沉降發(fā)展曲線

當(dāng)存在地表建筑物時(shí)，盾構(gòu)開挖面前方地表沉降槽曲線略有波動(dòng)，可能是受到附近建筑荷載影響所致，但是整體上地表沉降曲線類似于“勺子”形分布。同時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有建筑物時(shí)地表沉降量均遠(yuǎn)大于無建筑時(shí)地表沉降量。當(dāng)支護(hù)比為0.2時(shí)，地表最大沉降量達(dá)到26.6 mm，是無建筑條件下沉降的5倍左右。可見當(dāng)?shù)乇泶嬖诮ㄖr(shí)，其地表沉降量明顯增大。

圖11為支護(hù)比為0.1時(shí)盾構(gòu)開挖面前方的地表沉降分布示意。當(dāng)支護(hù)比為0.1時(shí)，盾構(gòu)開挖面已經(jīng)失穩(wěn)。此時(shí)，有無地表建筑的沉降槽曲線基本一致，最大沉降量分別為75 mm和81 mm，二者相差不大，最大沉降均位于開挖面前方5 m處。

圖11 支護(hù)比為0.1時(shí)盾構(gòu)開挖面前方的地表沉降分布示意

3 結(jié)語

通過建立地表偏載下盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性分析三維模型，分析了在軟黏土地層中地表有無建筑荷載下盾構(gòu)隧道的受力演化規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)支護(hù)比在0.6～1.0時(shí)，地表是否存在建筑對(duì)開挖面位移發(fā)展影響不大；當(dāng)開挖面支護(hù)比降至0.2時(shí)，開挖面前方與地表已經(jīng)形成了類似“喇叭”狀的位移貫通區(qū)域，盾構(gòu)開挖面前方土體位移增大，且失穩(wěn)影響區(qū)域遠(yuǎn)大于無建筑的情況。

2）當(dāng)支護(hù)比為0.3時(shí)，側(cè)向位移曲線發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折；當(dāng)支護(hù)比大于0.3時(shí)，對(duì)于有無建筑荷載的情況而言，開挖面前方的側(cè)向土體位移相差不大；而當(dāng)支護(hù)比小于0.3時(shí)，側(cè)向土體位移迅速發(fā)展，且有無建筑的側(cè)向土體位移差進(jìn)一步增加。支護(hù)比為0.3是關(guān)鍵的控制性支護(hù)比，實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，開挖面的支護(hù)比不應(yīng)小于該值，否則將會(huì)導(dǎo)致開挖面的失控發(fā)展。

3）隨著支護(hù)比降低，深層土體側(cè)向位移逐步發(fā)展，側(cè)向位移曲線類似于“凸肚”形，且位移變化范圍主要在盾構(gòu)開挖面范圍內(nèi)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)支護(hù)比大于0.3時(shí)，土體側(cè)向位移相對(duì)較小，而當(dāng)支護(hù)比小于0.3時(shí)，土體側(cè)向位移迅速發(fā)展。

4）隨著支護(hù)比下降，開挖面前方土體逐步發(fā)生沉降，沉降曲線類似于“勺子”形，最大沉降點(diǎn)在盾構(gòu)開挖面前方5 m位置處，有建筑情況的沉降范圍和沉降量均大于無建筑的情況。