曹校勇，劉永強(qiáng)，孫海東，李 鐸

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068； 2.中交隧道工程局有限公司，北京 100024)

0 引言

盾構(gòu)法具有對(duì)周邊環(huán)境影響小、地質(zhì)條件適應(yīng)能力強(qiáng)、施工相對(duì)安全且迅速的特點(diǎn)，成為修建水下隧道的首選。國(guó)內(nèi)外越江海軟土隧道幾乎均采用了泥水盾構(gòu)修建，如英法海峽隧道、東京灣隧道、武漢長(zhǎng)江隧道、獅子洋隧道等。已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，在軟弱地層隧道工程施工過(guò)程中，合理地選擇支護(hù)壓力對(duì)地層周邊環(huán)境的影響意義重大。故泥水盾構(gòu)在越江海軟土層中掘進(jìn)時(shí)，確保開(kāi)挖面穩(wěn)定是保證工程安全最重要的問(wèn)題。

盾構(gòu)法發(fā)展至今，關(guān)于盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性的研究方法較多，主要有穩(wěn)定系數(shù)法、極限平衡法、試驗(yàn)研究法、強(qiáng)度折減法和數(shù)值模擬法等，其中以試驗(yàn)研究法和數(shù)值模擬法為主，研究成果豐碩。Buhan 等考慮地下水滲流作用，建立了數(shù)值仿真模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響較大；康志軍等對(duì)考慮完全流固耦合效應(yīng)的盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證；Schweiger等通過(guò)分析考慮滲流力影響的開(kāi)挖面支護(hù)壓力，發(fā)現(xiàn)平衡滲流力是開(kāi)挖面支護(hù)壓力的重要組成部分；繆林昌等采用顆粒流軟件從微觀角度分析了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程開(kāi)挖面失穩(wěn)機(jī)理及砂土中盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體破壞形態(tài)與分布范圍；黃正榮等采用數(shù)值模擬方法分析了地下水水位對(duì)支護(hù)壓力的影響，研究結(jié)果表明，開(kāi)挖面穩(wěn)定所需的支護(hù)壓力與地下水水位有著密切關(guān)系，且水頭壓力對(duì)隧道開(kāi)挖面支護(hù)壓力的影響較大；高健等基于極限平衡法研究了地下水穩(wěn)態(tài)滲流對(duì)開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力的影響，研究結(jié)果表明，隨著地下水水位的升高，穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)產(chǎn)生的滲透壓力對(duì)平衡開(kāi)挖面支護(hù)壓力具有較明顯的作用；王浩然等建立考慮穩(wěn)態(tài)滲流影響的彈塑性有限元計(jì)算模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究結(jié)果表明，滲流力將使隧道開(kāi)挖面底部的大主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

綜上所述，已有研究多從開(kāi)挖面失穩(wěn)機(jī)理和滲流場(chǎng)對(duì)開(kāi)挖面的影響方面展開(kāi)，且模擬和試驗(yàn)地層多為均一地層，未考慮復(fù)雜地層的影響。鑒于此，本文依托中寧穿黃隧道工程，開(kāi)展復(fù)雜地層條件和流固耦合作用下，不同支護(hù)壓力比對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響研究。

1 工程概況

中寧穿黃隧道采用泥水盾構(gòu)施工，北岸始發(fā)豎井位于石空鎮(zhèn)東黃莊南，距黃河大堤堤腳(濱河大道)約233m。南岸接收豎井位于中寧縣縣城莫嘴村北，距黃河大堤堤腳(濱河南路)約126m。盾構(gòu)從黃河北岸始發(fā)井始發(fā)，由南岸接收井吊出。管片采用通用環(huán)，內(nèi)徑為5 500mm，外徑為6 200mm，厚度為350mm，環(huán)寬為1 200mm。

根據(jù)該區(qū)間縱斷面設(shè)計(jì)、工程地質(zhì)報(bào)告及汛期統(tǒng)計(jì)，選取3種工況進(jìn)行開(kāi)挖面穩(wěn)定性研究，其中，工況1為隧道覆土厚度最小(26.0m)，工況2為隧道覆土厚度最大(34.1m)，工況3為隧道處于百年一遇洪水情況下。所選工況地質(zhì)剖面如圖1所示。

2 模型建立與參數(shù)選取

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本文采用有限差分軟件FLAC 3D對(duì)不同工況、支護(hù)壓力比下開(kāi)挖面穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)不同工況的地質(zhì)剖面，利用MIDAS GTS NX軟件建立單元網(wǎng)格模型，所有模型單元均采用實(shí)體單元，如圖2所示，將模型導(dǎo)入FLAC 3D軟件中進(jìn)行流固耦合計(jì)算。

2.2 邊界條件與模型參數(shù)

為更好地模擬實(shí)際工程情況，對(duì)于位移邊界，模型四周及底面設(shè)置法向位移約束，模型上表面設(shè)置為自由面，不施加約束?？紤]隧道埋深條件和地應(yīng)力場(chǎng)分布，在模型上表面和內(nèi)部單元施加相應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力，以模擬地層真實(shí)的自重應(yīng)力場(chǎng)；對(duì)于模型的流體邊界，設(shè)定隧道掌子面為透水邊界，注漿層固結(jié)需要一定時(shí)間，也設(shè)為透水邊界，管片襯砌設(shè)為不透水邊界。本文計(jì)算涉及的地層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬過(guò)程與監(jiān)測(cè)斷面選取

管片幅寬1.2m，共50環(huán)，盾構(gòu)掘進(jìn)步長(zhǎng)取1個(gè)幅寬，每開(kāi)挖1環(huán)進(jìn)行1次流固耦合平衡計(jì)算，開(kāi)挖面超前管片拼裝2環(huán)，每完成1步開(kāi)挖，同時(shí)進(jìn)行壁后注漿和盾尾管片拼裝，針對(duì)開(kāi)挖面泥漿壓力對(duì)地層的作用，在開(kāi)挖面上固定孔隙水壓力模擬泥漿壓力對(duì)開(kāi)挖面孔隙水壓的作用，并提取開(kāi)挖面在自重作用下的節(jié)點(diǎn)法向最大不平衡力，以一定系數(shù)反向施加于開(kāi)挖面，模擬泥漿對(duì)開(kāi)挖面的支護(hù)作用。

為消除邊界效應(yīng)的影響，選取隧道中間位置處作為監(jiān)測(cè)斷面。

3 結(jié)果分析

不同工況下，以泥漿支護(hù)壓力比為計(jì)算條件，進(jìn)行開(kāi)挖面穩(wěn)定性流固耦合分析，其中泥漿支護(hù)壓力比分別為0.6，0.7，0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6。

3.1 開(kāi)挖面中心前方地層滲流場(chǎng)

孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于開(kāi)挖面中心前方0～30m位置，不同支護(hù)壓力比下開(kāi)挖面中心前方地層孔隙水壓力變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比為1.0時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的地層孔隙水壓力基本不變，說(shuō)明該支護(hù)壓力比條件下，盾構(gòu)開(kāi)挖基本不對(duì)地層滲流場(chǎng)造成擾動(dòng)；當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比<1.0時(shí)，開(kāi)挖面前方地層孔隙水壓力小于原地層孔隙水壓力，這是因?yàn)榈叵滤趬毫Σ钭饔孟孪蜷_(kāi)挖面回涌，使開(kāi)挖面處孔隙水壓力降低；當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比>1.0時(shí)，開(kāi)挖面前方地層孔隙水壓力大于原地層孔隙水壓力，這是因?yàn)槟酀{在壓力差作用下涌入地層，對(duì)地層水造成擠壓；各泥漿支護(hù)壓力比下，隨著距開(kāi)挖面距離的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的地層孔隙水壓力逐漸恢復(fù)到原地層孔隙水壓力，且恢復(fù)速率基本一致，說(shuō)明在該泥漿支護(hù)壓力比范圍內(nèi)，泥漿壓力對(duì)開(kāi)挖面前方地層的影響范圍基本一致，長(zhǎng)度約為15m；當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比為1.6時(shí)，工況2開(kāi)挖面位置的地層孔隙水壓力與原地層孔隙水壓力差為0.213MPa，遠(yuǎn)大于工況1，3的地層孔隙水壓力差，說(shuō)明隧道埋深越大，泥漿支護(hù)壓力比對(duì)開(kāi)挖面孔隙水壓力的影響越大。

3.2 開(kāi)挖面中心正上方地層豎向應(yīng)力

地層土應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于開(kāi)挖面中線處，工況1，2監(jiān)測(cè)范圍為開(kāi)挖面中心至上方29m，工況3監(jiān)測(cè)范圍為開(kāi)挖面中心至地表。不同支護(hù)壓力比下開(kāi)挖面中心正上方地層豎向應(yīng)力變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比為0.9時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的地層豎向應(yīng)力更接近原地層豎向應(yīng)力，說(shuō)明在該泥漿支護(hù)壓力比下，盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)地層豎向應(yīng)力場(chǎng)的影響更??；當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比<0.9時(shí)，開(kāi)挖面上方地層豎向應(yīng)力小于原地層豎向應(yīng)力，這是因?yàn)殚_(kāi)挖面泥漿支護(hù)壓力小，開(kāi)挖面處地層松動(dòng)，引起上方地層松動(dòng)；當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比>0.9時(shí)，開(kāi)挖面上方地層豎向應(yīng)力大于原地層豎向應(yīng)力，這是因?yàn)殚_(kāi)挖面泥漿支護(hù)壓力大，對(duì)前方地層造成擠壓，從而擠壓上方地層；各泥漿支護(hù)壓力比下，隨著距開(kāi)挖面距離的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的地層豎向應(yīng)力逐漸恢復(fù)到原地層豎向應(yīng)力；不同工況下，隨著距開(kāi)挖面距離的增大，地層豎向應(yīng)力恢復(fù)速率不同。工況1～3下泥漿壓力影響范圍分別約為8，5，8m，說(shuō)明隧道埋深越大，泥漿壓力對(duì)地層豎向應(yīng)力的影響范圍越小。

3.3 開(kāi)挖面中心正上方地表豎向位移

一般情況下，隧道正上方地表豎向位移最大，故選擇開(kāi)挖面中心正上方地表作為地表豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。開(kāi)挖面中心正上方地表豎向位移變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨著泥漿支護(hù)壓力比的增大，工況1，2開(kāi)挖面中心正上方地表豎向位移呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)槟酀{支護(hù)壓力比增大會(huì)造成地層隆起；工況3開(kāi)挖面中心正上方地表豎向位移呈增大趨勢(shì)，這是因?yàn)樗淼郎戏降貙又饕獮榧?xì)砂且位于水下，地層松散，泥漿壓力增大時(shí)，細(xì)砂層被擠開(kāi)，地表層下降；隧道埋深越大，泥漿壓力對(duì)地表豎向位移的影響越小。

3.4 開(kāi)挖面中心上方地表縱向位移

開(kāi)挖面中心上方地表縱向位移變化曲線如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比為1.0時(shí)，開(kāi)挖面中心上方地表縱向位移基本為0，說(shuō)明該泥漿支護(hù)壓力比下，盾構(gòu)開(kāi)挖基本不引起開(kāi)挖面縱向移動(dòng)，開(kāi)挖面穩(wěn)定性較好；當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比<1.0時(shí)，開(kāi)挖面土體向開(kāi)挖面內(nèi)側(cè)移動(dòng)，這是因?yàn)槟酀{支護(hù)壓力小于地層壓力，在壓力差作用下開(kāi)挖面土體向開(kāi)挖面內(nèi)側(cè)移動(dòng)；當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比>1.0時(shí)，開(kāi)挖面土體向開(kāi)挖面外側(cè)移動(dòng)，這是因?yàn)槟酀{支護(hù)壓力大于地層壓力，對(duì)開(kāi)挖面土體造成擠壓；隧道埋深越大，相同支護(hù)壓力比下，開(kāi)挖面中心上方地表縱向位移越大，這是因?yàn)樗淼缆裆钤酱?，開(kāi)挖面中心原地層應(yīng)力越大，乘以相應(yīng)系數(shù)后，與原應(yīng)力的差值越大，故引起的開(kāi)挖面中心上方地表縱向位移越大；開(kāi)挖面中心上方地表縱向位移與泥漿支護(hù)壓力比基本呈線性關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬手段，對(duì)中寧穿黃隧道盾構(gòu)區(qū)間3種工況、8種泥漿支護(hù)壓力比下的開(kāi)挖面穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

1)當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比為1.0時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的地層孔隙水壓力和開(kāi)挖面中心上方地表縱向位移更接近原始狀態(tài)；當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比為0.9時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的地層豎向應(yīng)力更接近原始狀態(tài)。

2)不同泥漿支護(hù)壓力比下，隨著距開(kāi)挖面距離的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的地層孔隙水壓力均逐漸恢復(fù)到原地層孔隙水壓力，且恢復(fù)速率基本一致，說(shuō)明在該泥漿支護(hù)壓力比范圍內(nèi)，泥漿壓力對(duì)開(kāi)挖面前方地層的影響范圍基本一致，約為15m。

3)不同泥漿支護(hù)壓力比下，隨著距開(kāi)挖面距離的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的地層豎向應(yīng)力逐漸恢復(fù)到原地層豎向應(yīng)力，但不同工況下的地層豎向應(yīng)力恢復(fù)速率不同。

4)工況1～3泥漿壓力對(duì)開(kāi)挖面中心上方地層豎向應(yīng)力的影響范圍分別約為8，5，8m。

5)隨著泥漿支護(hù)壓力比的增大，工況1，2開(kāi)挖面中心正上方地表豎向位移呈減小趨勢(shì)，工況3開(kāi)挖面中心正上方地表豎向位移呈增大趨勢(shì)。

6)開(kāi)挖面中心上方地表縱向位移與泥漿支護(hù)壓力比基本呈線性關(guān)系。

7)隧道埋深會(huì)對(duì)泥漿支護(hù)壓力作用產(chǎn)生影響。

8)綜合來(lái)講，當(dāng)泥漿支護(hù)壓力比為1.0時(shí)，開(kāi)挖面穩(wěn)定性最好。