■彭小慶

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心（有限公司），太原 030032）

盾構(gòu)隧道施工過程中，當(dāng)開挖面遇到特殊巖土?xí)r，容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，研究影響隧道開挖面失穩(wěn)的因素對于工程建設(shè)具有重要的意義。 現(xiàn)階段，已有學(xué)者在隧道開挖失穩(wěn)方面進(jìn)行了不少研究，如李?yuàn)W等[1]、李鳳濤等[2]以某黏土層隧道施工為例，采用數(shù)值分析及離心試驗(yàn)的方法對隧道失穩(wěn)形態(tài)進(jìn)行分析， 將數(shù)值模擬與離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該方法的合理性和適用性。 喬金麗等[3]、傅鶴林等[4]重點(diǎn)研究了滲流作用下的隧道開挖面穩(wěn)定性，推導(dǎo)得到了深流作用下盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)壓力計(jì)算公式。 唐濤等[5]、加武榮等[6]以某地鐵線路類矩形盾構(gòu)試驗(yàn)段工程為研究對象，采用理論分析和數(shù)值模擬的手段，對類矩形盾構(gòu)隧道的開挖施工問題進(jìn)行了詳細(xì)研究。 唐振等[7]、龔文等[8]以某運(yùn)營隧道為研究對象，對盾構(gòu)隧道的橫向變形進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，研究結(jié)果可為處理隧道橫向變形提供建議。 本文以某盾構(gòu)隧道施工為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，討論開挖面水平位移隨支護(hù)應(yīng)力比的變化規(guī)律，并以隧道開挖面主動(dòng)失穩(wěn)破壞為分析對象，重點(diǎn)探析了隧道埋深、土體粘聚力及內(nèi)摩擦角對開挖面位移及極限支護(hù)力影響規(guī)律，以期為同類隧道建設(shè)工程的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程背景

以某全長1.6 km 的城市盾構(gòu)隧道工程為例，該隧道圍巖以砂粉土為主，整體結(jié)構(gòu)較為松散，圍巖穩(wěn)定性較差。 隧道埋深16.1～22.3 m，直徑8.0 m，襯砌厚度30 cm； 擬采用數(shù)值模擬的方法探究隧道開挖面主動(dòng)失穩(wěn)破壞因素。

2 數(shù)值建模

采用大型有限元軟件ABAQUS 軟件建立隧道數(shù)值模型如圖1 所示。 根據(jù)實(shí)際隧道的大小及開挖影響范圍等情況，建立長50 m、寬20 m、高40 m 的模型，除模型上邊界外，其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束。襯砌長度15 m，厚度30 cm。隧道均采用摩爾庫倫本構(gòu)模型， 圍巖與襯砌分別建立實(shí)體單元、結(jié)構(gòu)單元，圖中模型網(wǎng)格分別為35268 個(gè)，襯砌采用shell 單元，地層模型為C3D8 單元。 為著重研究隧道支護(hù)力不當(dāng)造成的支護(hù)面破壞規(guī)律，故不考慮盾尾間隙及注漿層的作用及其對隧道開挖面的影響。 表1 為土體的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

圖1 隧道計(jì)算模型

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 不同λ 時(shí)的開挖面主動(dòng)失穩(wěn)分析

作用于開挖面的支護(hù)力是呈梯形分布的，因此初始支護(hù)力等同于靜止的水壓力和土壓力之和，開挖面初始位移可視為0。 為了考慮最不利因素的影響，在計(jì)算極限支護(hù)力過程中，以隧道中軸線位置處的支護(hù)力為分析對象，并定義支護(hù)應(yīng)力比λ：

式中：σ0表示盾構(gòu)隧道軸線位置處的靜止水壓力與土壓力之和。

當(dāng)考慮地下水的作用時(shí)，σ0可以表示為：

式中：γ 表示土層加權(quán)容重；K0表示土層加權(quán)靜止土壓力系數(shù)；hw表示水頭高度；η 表示水壓力折減系數(shù)，該值與土體滲透系數(shù)有關(guān)。

圖2 為λ 分別等于0.7、0.5、0.3 以及0.1 時(shí)的開挖面水平位移云圖。

圖2 不同λ 時(shí)開挖面主動(dòng)失穩(wěn)過程中位移云圖

由圖2 可知，隨著開挖面支護(hù)應(yīng)力的減小，開挖面向隧道內(nèi)部方向位移，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力減小至一定值時(shí)，開挖面前方的土體發(fā)生塑性變形。 隨著支護(hù)應(yīng)力減小，隧道開挖面位移迅速增大，由“半圓形”大應(yīng)變區(qū)發(fā)展為“煙囪形”破壞區(qū)，此外，開挖面的最大水平位移值位于隧道開挖面中心位置。

圖3 為隧道在主動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)開挖面水平位移隨支護(hù)應(yīng)力比變化曲線。 由圖3 可知，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力比＞0.3 時(shí)，開挖面位移增長較為緩慢，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力比處于0.25～0.3 時(shí)，水平位移增速逐漸加快。 當(dāng)支護(hù)應(yīng)力比＜0.25 時(shí)，開挖面水平位移則呈現(xiàn)出迅速增大變化，即此時(shí)開挖面已處于主動(dòng)失穩(wěn)破壞狀態(tài)。

圖3 開挖面水平位移隨支護(hù)應(yīng)力比變化曲線

3.2 隧道開挖面穩(wěn)定性影響因素分析

影響隧道開挖面位移及支護(hù)力的因素有很多，本節(jié)主要以隧道埋深、土體內(nèi)摩擦角以及粘聚力為對象進(jìn)行分析。

3.2.1 隧道埋深

圖4 為取隧道上覆土層厚度C 與隧道直徑D的比值為變量條件下不同隧道埋深時(shí)開挖面水平位移隨λ 變化規(guī)律。

圖4 不同隧道埋深時(shí)開挖面水平位移隨λ 變化曲線

由圖4 可知，隧道埋深變化時(shí)，曲線變形規(guī)律均相同。 且隨著隧道埋深的增加，發(fā)生主動(dòng)破壞時(shí)的開挖面水平位移越大， 對應(yīng)的臨界支護(hù)應(yīng)力比越小。

圖5 為開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力隨隧道埋深比變化曲線，以粘聚力5 kPa，內(nèi)摩擦角30°進(jìn)行分析。由圖5 可知，當(dāng)隧道埋深在2D 內(nèi)時(shí)，隨隧道埋深增大，開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力逐漸增大，而當(dāng)隧道埋深繼續(xù)增大時(shí)，隧道開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力基本不再增大且呈趨于定值的趨勢，這與“土拱”效應(yīng)有關(guān)。

圖5 開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力隨隧道埋深比變化曲線

3.2.2 土體內(nèi)摩擦角

圖6 為取土體內(nèi)摩擦角為變量條件下不同土體內(nèi)摩擦角時(shí)開挖面水平位移隨λ 變化規(guī)律。

圖6 不同內(nèi)摩擦角時(shí)開挖面水平位移隨λ 變化曲線

由圖6 可知，土體內(nèi)摩擦角變化時(shí)，曲線變形規(guī)律相差較大。 隨著土體內(nèi)摩擦角的減小，同支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)下的隧道開挖面水平位移越大，即土體內(nèi)摩擦角越小，隧道開挖面越早進(jìn)入極限平衡狀態(tài)。

圖7 為開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力隨土體內(nèi)摩擦角變化曲線，可以看出，隨著土體的內(nèi)摩擦角的增大， 開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力呈逐漸減小趨勢，其中當(dāng)土體內(nèi)摩擦角≥40°時(shí)，對應(yīng)隧道開挖面主動(dòng)極限支護(hù)應(yīng)力比接近0，即土體強(qiáng)度較高時(shí)，即使在開挖面不施加支護(hù)力，隧道開挖面也能保持穩(wěn)定。

圖7 開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力隨土體內(nèi)摩擦角變化曲線

3.2.3 土體粘聚力

以土體粘聚力為變量，分析不同土體粘聚力時(shí)開挖面水平位移隨λ 變化規(guī)律，如圖8 所示。

圖8 不同粘聚力時(shí)開挖面水平位移隨λ 變化曲線

由圖8 可知，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力＞0.5 時(shí)，各曲線基本重合，即此時(shí)土體粘聚力的變化對隧道開挖面水平位移基本無影響。 當(dāng)支護(hù)應(yīng)力比＜0.5 時(shí)，隨著土體內(nèi)摩擦角的減小，開挖面失穩(wěn)破壞時(shí)產(chǎn)生的水平位移越小，即土體粘聚力越小，隧道開挖面越早進(jìn)入極限平衡狀態(tài)。

圖9 為開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力隨土體粘聚力變化曲線。 由圖可知，開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力隨土體內(nèi)摩擦角的增大而減小。 對比圖7 和圖9 可知，土體內(nèi)摩擦角比土體粘聚力對隧道開挖面主動(dòng)極限支護(hù)應(yīng)力影響更大。

圖9 開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力隨土體粘聚力變化曲線

4 結(jié)論

以某盾構(gòu)隧道施工為例， 采用數(shù)值模擬的方法，討論了開挖面水平位移隨支護(hù)應(yīng)力比的變化規(guī)律，并以隧道開挖面主動(dòng)失穩(wěn)破壞為對象，重點(diǎn)分析了隧道埋深、土體粘聚力及內(nèi)摩擦角對開挖面位移及極限支護(hù)應(yīng)力的影響，得到以下結(jié)論：（1）隨著支護(hù)應(yīng)力減小，隧道開挖面位移迅速增大，由“半圓形”大應(yīng)變區(qū)發(fā)展為“煙囪形”破壞區(qū)；當(dāng)支護(hù)應(yīng)力比＞0.3 時(shí)，開挖面位移增長較為緩慢，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力比處于0.25～0.3 時(shí)，隨著支護(hù)應(yīng)力比的減小，隧道開挖面土體由彈性變形過渡到塑性變形，直至發(fā)生主動(dòng)失穩(wěn)破壞。 （2）隨著隧道埋深的增加，發(fā)生主動(dòng)破壞時(shí)的開挖面水平位移越大，對應(yīng)的臨界支護(hù)應(yīng)力比越小；當(dāng)隧道埋深在2D 內(nèi)時(shí)，主動(dòng)極限支護(hù)力隨隧道埋深增大而增大； 當(dāng)隧道埋深繼續(xù)增大時(shí)，隧道開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力基本不再增大且呈趨于定值的趨勢，這與“土拱”效應(yīng)有關(guān)。 （3）土體內(nèi)摩擦角和粘聚力越小，隧道開挖面越早進(jìn)入極限平衡狀態(tài)；開挖面主動(dòng)極限支護(hù)力隨土體內(nèi)摩擦角和粘聚力的增大而減小，土體內(nèi)摩擦角比土體粘聚力對隧道開挖面主動(dòng)極限支護(hù)應(yīng)力影響更大；且當(dāng)土體強(qiáng)度較高時(shí)，即使在開挖面不施加支護(hù)力，隧道開挖面也能保持穩(wěn)定。