软弱破碎地层盾构隧道施工开挖面力学行为分析*

周利梅 田卫明

(重庆电讯职业学院 重庆 402247)

0 引言

随着城市交通的发展，盾构隧道开挖直径越来越大，距离越来越长，穿越的地质越来越复杂，盾构技术已经被越来越广泛的应用[1]。如何在软弱破碎地层条件下维持隧道施工开挖面的稳定性一直是工程界的焦点问题。同时，隧道的断面越大，其顶部和底部的压力差越大，土体自稳能力越差，大大增加了开挖面失稳的风险。所以，软弱破碎地层隧道施工对开挖面力学行为稳定性要求非常严格。诸多学者对开挖面力学行为进行大量研究，并提出了很多失稳破坏的力学计算模型，本文主要利用Flac 3D软件，并依据以极限平衡理论为原理的楔形体力学分析模型，对软弱破碎地层隧道施工开挖面力学行为进行研究，可以提前掌握隧道施工过程中支护力的变化在复杂地质条件下对土体变形造成的影响和土体失稳时的状态，从而找出开挖面支护力的合理范围，指导施工，降低事故发生的概率。

隧道施工开挖面的力学行为分析一直是诸多学者致力研究的课题。秦建设、吕玺琳等[2-5]利用有限元数值分析，获得土体各项参数受隧道埋深比的影响规律，其结果与三维力学模型相符。王志良、范祚文、李然洁、陈仁朋等[6-9]通过试验、数值模拟等方法研究了在均质砂土地层中各种土层参数对土体位移的影响规律，并结合实例，分析了支护力与土体参数、埋深比的变化规律。赵明华等[10]建立了在复杂地层的极限支护力力学模型，并利用数值模拟得到验证。综上可知，数值模拟是目前研究隧道开挖面力学行为的主要研究手段；但大多学者对单一地层条件下开挖面的力学行为分析研究较深，较少关注软弱破碎地层的研究。

1 工程概况及模型建立

1.1 工程概况

某盾构隧道设计为双层双向八车道，直径为14.5 m，内径13.3 m，隧道上部覆盖土层厚度最小为11 m，最大可达60 m。该盾构区间地质条件变化大，隧道断面多为软弱破碎地层，一个断面甚至穿越最多达到4种地层。隧道上部围岩以填土、黏土、粉质细砂等软弱土层为主，隧道掘进过程中主要穿过粉细砂、砾砂、圆砾、中风化砂质岩等硬土层。

1.2 模型建立

本文取隧道模型尺寸：X方向选取长度为60 m，Y方向选取长度为90 m，下方取至隧道底部以下30 m。地下水水位取在地表处。一次性开挖长度取30 m。计算模型如图1所示。含地下水地层考虑为Mohr-Coulomb材料，管片材料为C50弹性钢筋混凝土材料，厚度为0.5 m，采用liner单元模拟。

图1 计算模型和网络划分

表1为土体本构模型参数，隧道中心纵轴面处为软弱土层与坚硬土层的分界面。盾构模型直径取14.5 m，隧道埋深取20 m。模型边界条件：地表面不施加约束，模型四周施加变形约束[11]。

表1 数值模拟土层参数表

2 开挖面支护力的形式

开挖面的支护压力分布示意图如图2所示。本文为方便阐述开挖面支护力与土体初始所承受的侧向静止土压力之间的关系，提出支护比概念：λ=σs/σ0，其中，σ0为开挖面中心处的初始侧向静止土压力值，σ0=K0γH，K0γ为沿高度方向的变化率；σs为开挖面中心处所施加的支护应力值，即σs=λ·σ0=λ·K0·γ·H，梯度为λ·K0·γ。

图2 梯形支护压力示意图

3 施工开挖面力学行为分析

3.1 支护力变化对开挖面中心处水平位移的影响分析

为分析软弱破碎地层隧道开挖掌子面围岩支护压力对开挖面中心处应变的影响，本文取上软下硬(上部以软土层为主，下部以硬土层为主)和上硬下软(上部以硬土层为主，下部以软土层为主)两种情况进行对比分析，如图3所示。

图3 不同地层情况对比

从图3分析可知，复合地层中开挖面中心水平位移与支护应力成反相关，即当支护应力变小时，开挖面中心水平方向应变反而增大；但是当支护应力下降到某一程度时，其水平方向应变发生突变，即发生破坏。其地层变形规律可归纳为三阶段：第一阶段为不敏感阶段，主要表现在支护应力比与掌子面应变关系不大；第二阶段为敏感阶段，此时掌子面变形受支护应力影响已经相当明显，已逐步接近极限支护力；第三阶段为失稳阶段，地层掌子面已处于塌陷状态。表2为不同地层情况的极限支护力。

表2 不同地层情况的极限支护力

图3、表2显示，在上软下硬、上硬下软、均质砂土、均质粘土这4种性质差异较大的地层土体变形规律中，第一阶段敏感程度最大的为均质粘土，均质砂土最不敏感。同等条件下，其所需极限支护力分别为，均质砂土106.25 kPa，上软下硬165 kPa，上硬下软175 kPa，均质粘土233.75 kPa。所以在盾构隧道施工过程中，为保证开挖面的称定性，需要提供足够的支护，特别是在穿越软弱土层时需要较大的支护力。

3.2 围岩变化对开挖面极限支护力的影响分析

为研究隧道前方掌子面围岩变化与开挖面极限支护力的关系，一般分3种工况进行对比分析：工况1指软、硬土层的分界面处于隧道中心所在纵轴面处；工况2指软、硬土层的分界面处于隧道上方0 m所在纵轴面处；工况3指软、硬土层的分界面处于隧道下方0 m所在纵轴面处[12]。分别得出上软下硬情况、上硬下软情况3种工况的极限支护力，如图4、表3所示。

(a) (b)

表3 3种工况的极限支护力对比

图4、表3显示，上软下硬地层中，上部软土层厚度越小，第一阶段支护应力比范围越大，其所需极限支护力越低；在上硬下软地层中，上部硬土层厚度越厚，第一阶段支护应力比范围越大，其所需极限支护力越低。

4 施工开挖面破坏状态分析

4.1 支护力对开挖面土体塑性区的影响分析

上软下硬(上部为软土层，下部为硬土层)和上硬下软(上部为硬土层，下部为软土层)两种情况土体单元在开挖时开挖面附近土体塑性区随支护压力变化如图5所示。

图5显示，隧道掌子面附近应力随着开挖面支护力的下降而逐渐释放，土体在应力作用下发生变形导致塑性区域不断增大。上软下硬地层破坏模式为开挖面上方首先发生变形且在上方围岩接近支护力的极限时开挖面上方先发生局部失稳破坏，最后逐步发展成整体失稳。

(a) (b)

(c) (d)

4.2 开挖面失稳状态分析

开挖面失稳时，上软下硬情况、上硬下软情况3种工况的竖向位移等值线图对比如图6所示。

图6 不同工况的竖向位移图

从图6可以看出，开挖面前方均发生破坏形状为楔形体的“突出形”破坏。上软下硬地层发生破坏的部位在开挖面上部，下部主要发生滑塌破坏；上层软土层厚度和楔形体倾角是破坏区域的两个主要因素。

5 结论

本文通过运用Flac 3D建立软弱破碎地层开挖模型，分析支护压力的变化对开挖面力学行为影响，得出以下结论：

(1)地层变形规律可归纳为三阶段：第一阶段为不敏感阶段；第二阶段为敏感阶段，此时开挖面变形受支护应力影响已经相当明显，已逐步接近极限支护力；第三阶段表现为失稳阶段，此时围岩掌子面已处于失稳状态，隧道随时可能发生塌方。

(2)当掌子面前方围岩失稳时土体状态呈为楔形体时，隧道掌子面前方发生破坏的概率大大增加。但不同的是，上软下硬地层发生破坏的部位在开挖面上部，而上硬下软地层发生破坏的部位在开挖面下部。

(3)地层土体变形规律与软土层厚度有关。软土层越厚所需围岩支护极限力越大。因此，在施工过程中穿越软弱土层时需要加强监控量测，以保证开挖面的稳定性，避免事故的发生。