南湖路湘江隧道开挖面极限支护压力计算及影响因素研究

赵顺义

（重庆工商职业学院）

南湖路湘江隧道开挖面极限支护压力计算及影响因素研究

赵顺义

（重庆工商职业学院）

本文以南湖路湘江泥水盾构隧道为工程实例，通过ANSYS建模求解了泥水盾构隧道开挖面的极限支护压力，并讨论了不同工况参数对极限支护压力的影响，结论如下：泥水平衡盾构隧道开挖面的极限支护压力随土层的粘聚力c和内摩擦角φ的增大而增大，土层的粘聚力c与极限支护力大致呈线性关系变化，随着土层内摩擦角的增大，极限支护力与内摩擦角关系曲线的斜率也逐渐增大。研究结果对控制支护压力、预估地层加固范围具有重要的指导意义。

泥水盾构隧道；极限支护压力；影响因素

引言

目前广泛采用的闭胸式盾构施工中，主要通过加气、加泥水或开挖面切削的渣土自身在压力舱内作用等措施来控制开挖面支护压力，同时控制开挖面变形和地基沉降。相对于开挖面土、水压力，压力舱支护压力较小时，会出现地基沉降甚至坍塌，支护压力较大时，则会出现地表隆起。合理的确定开挖面支护压力是盾构掘进施工中一项关键技术，开挖面支护压力大小的控制应该保证不至于压力过低发生开挖面坍塌，同时又不能压力过大而发生隆起破坏，因此目前开挖面支护压力研究中很大部分研究侧重于开挖面极限支护压力的确定。

文章以南湖路湘江泥水盾构隧道为工程实例，通过ANSYS建模求解了泥水盾构隧道开挖面的极限支护压力，并讨论了不同工况参数对极限支护压力的影响，得出了一些有用的结论，对盾构法隧道施工中合理的确定支护压力的大小具有一定的指导作用。

1、工程概况

隧道全长1422.978m，隧道东岸设置盾构始发井一座，设三个单车道匝道出口，西岸南、北线各设置一座盾构接收井。盾构隧道穿越的地层主要为：杂填土层、粉质粘土层、粉细砂层、圆砾层、卵石层、强风化砾岩、中风化砾岩。盾构到达河漫滩段粉细砂层最厚处12m，隧道顶最薄覆土7.1m。该隧道不同地层里程如表1所示。

表1 不同地层里程统计表

2 数值模拟方程及模型建立

2.1 数值模拟方法及过程

由于实际作用于开挖面的支护压力为梯形荷载，为了方便说明，取隧道中心点支护压力值来代表开挖面支护压力大学，所以文中的开挖面支护压力统一指开挖面中心点施加的支护压力，对于开挖面支护压力大小的衡量，引入支护压力比的概念。

盾构开挖是一个逐渐推进的过程，考虑到本文分析的重点是开挖面极限支护压力及开挖面稳定研究，故数值计算中采取一次开挖到一定距离 (文中取 15m)并施加支护结构。开挖面极限支护压力研究的模拟过程如下：

（1） 建立原始地层模型；

（2） 一次性开挖隧道 15m，并及时设置衬砌管片 (文中用壳单元来模拟管片)，同时在开挖面上施加大小与原始地层侧向静止土压力值相等的梯形支护作用力；

Kaldi语言模型由于其内部表示为有限状态转换器，因此要求将上述工具所训练的ARPA语言模型转换为特定于解码的二进制格式[16]。为此，需要使用了工具arpa2fst、fstcompile和多个Perl脚本等一些实用工具对ARPA语言模型进行格式转换。

（3）开挖面支护压力以缓慢的速度逐渐减小，作出支护压力比与开挖面中心点水平位移的曲线，随着支护压力比的减小开挖面中心点的水平位移逐渐增大，当支护压力比变化很小而开挖面中心点的水平位移急剧增大时，认为此时的支护压力比即为最小极限支护压力比，由于此时出现过大变形，程序中止计算。

2.2 模型建立

根据不同地质条件及单元所在地质情况，赋予土层力学材料参数。为减小模型边界效应影响，隧道模型的计算范围：上取至地面，下取至隧道底部以下15m，横向取至隧道两侧各 25m，由于研究开挖面支护压力的影响，一次性开挖长度取15m，总长度取30m。位移边界条件：两侧面限制水平位移，底部限制竖向位移，地表取为自由边界。计算模型及网格化分如图 1所示，网格采用映射网格划分，网格共剖分为10920个单元，15666个节点。

图1 ANSYS计算模型及网格划分图

2.3 计算过程分析

开挖面支护压力不足引起围岩应力释放导致地基变位，首先是开挖面附近土体单元发生向盾构机压力舱内的水平位移，通过计算开挖面支护压力变化与开挖面中心点朝向压力舱方向水平位移之间的关系，明确开挖面极限支护压力下限，如图 2所示。计算结果表明，随着开挖面支护压力的逐渐减小，开挖面前方土体水平位移量逐渐增加，当支护压力下降到一定程度，开挖面水平位移量急剧增大(在图中表现为曲线的斜率接近 0 时)，此时认为开挖面失去稳定，即可得到最小极限支护压力。

图2 开挖面中心点水平位移与支护压力比关系图示

为了得到精细化的破坏模式，文中取中风化砾岩、杂填土、粉质粘土、粉细砂和强风化砾岩来分别进行分析，得出隧道开挖面横断面及纵断面破坏图如图3、4所示，从而可看出求极限支护压力时的开挖面失稳模式。

图3 横断面破坏模式

图4 纵断面破坏模式

3 开挖面极限支护压力的确定

为了对盾构隧道施工的支护压力提出一个合理的取值范围，本文以盾构段隧道桩号为准，每隔40米选取一个隧道截面，记录其不同的材料参数，使用ANSYS模型计算每个截面支护压力的下限值与上限值。

3.1 参数选取

表2 隧道南线线盾构段截面划分及地层分布表

69608.3粉细砂/强风化砾岩9粉细砂/强风化砾岩8.8粉细砂/强风化砾岩9.2中风化砾岩/强风化砾岩9.6粉细砂/中风化砾岩/强风化砾岩9.9粉细砂/中风化砾岩/强风化砾岩12中风化砾岩/强风化砾岩12.8中风化砾岩/强风化砾岩13.5中风化砾岩/强风化砾岩13.7中风化砾岩/强风化砾岩13.2中风化砾岩/强风化砾岩11.7中风化砾岩/强风化砾岩10.3中风化砾岩/强风化砾岩9.6粉细砂/中风化砾岩/强风化砾岩9.4中风化砾岩/强风化砾岩9.4中风化砾岩/强风化砾岩9.9中风化砾岩/强风化砾岩9.4中风化砾岩/强风化砾岩8.7中风化砾岩/强风化砾岩11.4中风化砾岩/强风化砾岩SK1+000-------------740880912010160112001224013280143201536016400174401848019520205602160022640236802472025760

围岩参数分布特征如表3所示：

表3 围岩物理力学参数

3.2 计算结果

通过ANSYS建立的隧道开挖面模型对该隧道盾构区桩号每隔40米所选取的26个截面进行计算，得到每个截面的支护压力最大压力比和最小压力比，再求出其极限支护压力的下限值与上限值，如表4、图5所示。

表4 隧道开挖面极限支护压力计算结果

（附注：其中bar为压强单位，1bar=100kPa）

图5 隧道盾构段不同截面极限支护压力取值范围表

图5给出了隧道不同截面支护压力的取值范围，开挖面的实际支护压力应小于最大极限支护压力，大于最小极限支护压力，为隧道施工过程中的开挖面支护压力控制提供了取值范围的指导。

4 开挖面支护压力参数敏感性分析

由于影响泥水盾构隧道破坏的因素很多，本文假设隧道周边土体为均质，对影响隧道开挖面极限支护压力的影响因素（如隧道埋深、土体内摩擦角和粘聚力）进行计算分析。

本文取不同的隧道埋深比、土体内摩擦角和土层的粘聚力来分析隧道开挖面极限支护压力的变化情况，如表5所示

表5 隧道埋深比、土体内摩擦角和土层粘聚力的组合值

通过ANSYS建立的模型求解得出泥水盾构隧道开挖面极限支护力的数值变化曲线，如图6-8所示。

图6 不同粘聚力和埋深比组合对极限支护力的影响 图7 不同内摩擦角对极限支护力的影响

图8 不同内摩擦角和埋深比对极限支护力的影响

由图6可知，内摩擦角一定时，开挖面极限支护力随埋深增大而呈曲线增大；同一埋深下，粘聚力越大，极限支护力越大。

由图7可知，极限支护力与土层的粘聚力c大致呈线性关系变化，且随着内摩擦角的增大，极限支护力增加幅度越来越大。

由图 8可以看出，粘聚力一定，同一埋深下，开挖面极限支护力随土层内摩擦角的增大而增大；内摩擦角φ≤5°时，极限支护力随着埋深比的增加大致呈线性增加；当内摩擦角逐渐增大时，极限支护力成曲线增长，且增长幅度增加。

综上可知，可以采取增加埋深比、土层内摩擦角和粘聚力的方法防止开挖面隆起破坏，如：地表堆载，对地层进行注浆改良等等。

5、结语

本文以南湖路湘江泥水盾构隧道为工程实例，通过ANSYS建模求解泥水盾构隧道开挖面的极限支护压力，并且讨论了不同工况参数对极限支护压力的影响，得到如下结论：

泥水平衡盾构隧道开挖面的极限支护压力随土层的粘聚力c和内摩擦角φ的增大而增大，土层的粘聚力c与极限支护力大致呈线性关系变化，随着土层内摩擦角的增大，极限支护力与内摩擦角关系曲线的斜率也逐渐增大。对于控制支护压力、预估地层加固范围具有指导意义。

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