不同直径及埋深下盾构隧道开挖面失稳模式研究

张阿晋 张学进

1. 上海建工集团工程研究总院 上海 201114；

2. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080

近年来，我国地铁建设如火如荼地开展，盾构技术由于其机械化程度高、对周围的地质环境影响较小等优势，在隧道建设中得到了广泛应用。施工过程中开挖面的稳定性是安全施工中的重要一环，避免支护力过小造成开挖面前方土体沉降，进而威胁到周围既有建筑。

Vermeer等[1-2]应用有限元法对隧道开挖面稳定性进行了深入全面的研究，针对盾构法隧道，研究了支护压力变化对开挖面稳定性的影响，模拟了不同摩擦角土体中开挖面失稳破坏形态。朱伟等[3]、秦建设等[4]均采用FLAC3D分别研究了砂土地层和黏土地层盾构隧道开挖面变形与失稳模式。研究表明：砂土开挖面失稳时开挖前方呈楔形体，上部为“烟囱”状，但向上发展有收缩现象。隧道埋深较大时，破坏发展不到地表。黏土开挖面失稳表现为“鼓出型”，失稳破坏的影响范围比较大。开挖面支护力分为不敏感、敏感和失效3个阶段。Kamata等[5]采用2D离散元的方法来模拟砂土模型试验中开挖面的稳定性。数值模拟中以开挖面土颗粒剥离为失稳判据，该方法与有限元相比，失稳判断更加明确。Zhang等[6]采用2D离散元方法研究了黏土地层中泥水盾构过程中开挖面变形失稳机理。研究表明：埋深比在0.7到2.1之间时，开挖面极限支护力系数在0.8到1.5之间。Chen等[7]建立了3D离散元模型来分析干砂浅埋盾构开挖面失稳机理，得到极限支护力、失稳区域以及土拱的范围。缪林昌等[8]基于Kirsch室内模型试验，采用颗粒流技术研究了密实度对砂土开挖面失稳的影响，从细观角度解释失稳机理，并根据失稳区域修正了楔形体模型。

现有的研究主要是分析隧道埋深对开挖面失稳模式的影响以及开挖面的极限支护压力，对于不同隧道直径情况下开挖面的失稳模式的研究较少。本文采用Abaqus有限元软件进行二维建模，采用支护压力折减为50%模拟开挖面主动失稳，分析不同隧道直径及埋深下盾构开挖面失稳 模式。

2 数值模拟

2.1 模型构建及参数的选取

模型尺寸为长60 m、宽60 m，上部采用自由边界条件，模型两侧采用法向位移为0的边界条件，底部采用法向和切向位移为0的边界条件，图1为模型示意图。

图1 模型示意

土体采用摩尔-库伦本构模型，网格单元采用CPE4单元（四结点双线性平面应变四边形单元）。土体采用砂土，重度取17 kN/m3，黏聚力取4.5 kPa，内摩擦角取35°，变形模量取20 MPa，泊松比取0.35。埋深分别考虑6、9、12 m这3种工况，隧道直径（D）采用6、8、10 m这3种工况，共计9个模型，具体工况如表1所示。

表1 模型工况

2.2 模拟方法

1）地应力平衡分析步。对模型施加重力，进行地应力平衡，使重力产生的初始位移小于10-10mm，该位移值足够小，在后续计算过程中可忽略不计，以免对后续的分析造成影响。这一过程采用Abaqus软件自带的地应力平衡分析步进行计算。

2）隧道开挖分析步。在此分析步中，采用Abaqus软件中*Model change功能，将隧道处的土体开挖。由于本文没有考虑实体隧道模型，所以在隧道的上下沿采用“固定在当前位置”的方法来模拟隧道衬砌对土体的约束，与此同时，在隧道开挖面处施加一个梯形的支护压力，使开挖面保持稳定。

3）模拟开挖面失稳。在该步中，通过逐渐减小开挖面支护压力来模拟支护压力过小情况下开挖面的主动失稳，最终支护压力减小到最初的50%。图2为工况示意图。

图2 工况示意

3 数值模拟结果及分析

3.1 位移云图分析

为研究不同隧道直径和不同埋深情况下开挖面失稳模式，共进行了9组工况的模拟，从分析结果得知，在前两个分析步中，土体的位移都在10-4m以下，在第三个分析步也就是支护压力减小分析步，土体位移从开挖面处扩展到地表。不难发现，在不同的埋深及隧道直径情况下，土体失稳情况下的位移场的模式基本一致，均呈现出一种“盆”状区域。

3.2 隧道直径影响分析

图3为相同埋深条件下，不同直径的隧道施工造成的地表沉降曲线。通过曲线对比可发现，当隧道埋深一定时，随隧道直径的不断增加，地表沉降值也出现明显的增加，且地表沉降槽的范围也不断增大。最大沉降的位置也随隧道直径的增加逐渐向远离开挖面的方向移动，但是变化不大。可见盾构隧道的直径对地表沉降的范围和最值有着明显的影响。这一现象应该是由于隧道直径的增大增加了开挖面处在失稳时的土体涌入量，从而使地表沉降的最值和范围增大。

图3 相同埋深、不同直径地表沉降曲线

图4为相同埋深，不同隧道直径，盾构开挖面前方土体的水平位移曲线。横轴为土体与开挖面的距离，纵轴为土体的水平位移值。在埋深一定的情况下，随着隧道直径的增大，隧道开挖面前方水平位移的最大值逐渐增加，失稳范围也逐渐增加。最大位移出现在开挖面处。

图4 相同埋深、不同直径开挖面前方土体水平位移

3.3 隧道埋深影响分析

图5为相同直径，不同埋深情况下的地表沉降曲线。横轴为水平距离，纵轴为地表沉降值。曲线整体趋势为先增大后减小的沉降槽，最值出现在开挖面前方约0.5D处。

图5 相同直径、不同埋深情况下地表沉降

随着隧道埋深的增加，地表沉降峰值逐渐增大，沉降槽范围逐渐扩大，沉降槽的峰值点逐渐向着远离开挖面的方向移动。

图6为相同直径、不同埋深情况下，开挖面前方土体水平位移曲线图，整体呈逐渐减小的趋势。随隧道埋深的增加，开挖面处土体位移逐渐增大，并在0～10 m范围内迅速减小，最终减小为0。

4 结语

本文通过数值建模分析了隧道直径、隧道埋深对开挖面失稳模式的影响，主要得到以下几点结论：

图6 相同直径、不同埋深开挖面前方土体水平位移

1）开挖面失稳情况下地表沉降为先增大后减小的趋势，最大沉降约出现在开挖面前方0.5D处。

2）开挖面失稳情况下，开挖面前方土体位移呈现出逐渐减小的趋势，在10 m范围内迅速减小，并逐渐减小为0。

3）隧道埋深的增加和隧道直径的增大，均对土体位移场的范围和最值具有较大影响，随着隧道直径或埋深的增加，地表沉降峰值与开挖面前方土体位移峰值均逐渐增加。