滨海软土地层浅埋超大直径盾构隧道开挖面破坏机理及加固范围研究

宋棋龙，祁文睿，李文静，张新建，苏 栋,5,6，林星涛,5,6

(1. 深圳大学 土木与交通工程学院，广东 深圳 518060； 2. 中铁十五局集团有限公司，上海 200070；3. 珠海大横琴城市新中心发展有限公司，广东 珠海 519030； 4. 珠海市规划设计研究院，广东 珠海 519000；5. 深圳大学 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东 深圳 518060；6. 深圳大学 深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室，广东 深圳 518060)

0 引 言

盾构法具有施工安全、高效且对周边环境扰动小等优点，在城市隧道建设中应用广泛。隧道开挖面的稳定是决定盾构顺利掘进的关键一环，也是施工安全的基本保证，因此开挖面稳定性分析一直是隧道工程界的热点问题之一[1-5]。

近年来国内外学者基于极限分析法和极限平衡法提出了能够分析渗流地层或成层地层的理论模型[6-9]。为了研究开挖面失稳机理，国内外学者通过室内物理模型试验着重分析了开挖面失稳模式和影响土体变形的因素[10-13]。随着数值仿真技术的兴起，隧道工程界通过数值软件模拟盾构在复杂地下空间的掘进过程，Hernandez等[14]利用ABAQUS有限元软件，分析均质浅埋隧道在不同埋深比及不同地面条件下的开挖面稳定性，发现隧道埋深比与开挖面极限支护力有直接关系；Zhang等[15]利用有限元分析研究了软土隧道开挖面失稳形式变化对地层损失的影响；潘建立[16]通过FLAC 3D研究应力释放对开挖面稳定的影响，得出了随着应力释放率增加开挖面经历弹性变形、塑性变形和破坏3个阶段的结论。上述研究主要基于原始地层开挖隧道条件下分析盾构开挖面稳定性问题，但对于在经过加固处理后的软弱地层中盾构隧道开挖面稳定性及破坏机理研究较少。

本文以珠海横琴杧洲隧道工程为背景，采用三维有限元方法研究了加固软土地层浅埋超大直径盾构隧道开挖面主、被动破坏机理及加固范围对地表变形的影响。

1 工程背景

1.1 基本概况

深圳珠海横琴杧洲隧道工程位于横琴一体化区域，隧道穿越马骝洲水道，北岸接环港东路与洪湾大道交叉口，南岸接厚朴道。道路等级为城市主干道，设计速度为60 km·h-1，路线全长约3.0 km，其中隧道段总长约1.74 km(含隧道段、明挖暗埋段、敞口段和工作井)，北岸接线道路长约590 m，南岸接线道路长约649 m。隧道工程采用直径为15.01 m的超大直径泥水平衡盾构机施工，隧道采用单层衬砌结构，管片外径为14.5 m，内径为13.3 m，厚度为0.6 m，环宽为2 m。

1.2 地质条件

本工程盾构机穿越区主要为淤泥、黏土、粉质黏土，局部穿越碎石质粉质黏土、全风化砂岩，土体物理力学性质指标见表1。

表1 土体物理力学性质指标Table 1 Physical and Mechanical Property Indexes of Soils

1.3 加固措施

根据盾构隧道沿线地质情况，隧道南北岸明挖段、南岸工作井及盾构段均位于第四系海陆交互相沉积淤泥层，该土层含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、承载力低、灵敏度高，在上部荷载或振动作用下易产生固结变形和不均匀沉降。

为保证隧道运营期间安全，对盾构基底及四周软弱地层进行水泥搅拌桩加固，提高盾构基底承载力及侧向抗推能力。

2 三维数值分析

2.1 加固方式

为减少盾构隧道对周围土体的扰动影响，对地层预先进行水泥搅拌桩加固处理，由于有限元模拟实际加固会使网格划分质量低、计算时间过长等，参考对水泥搅拌桩加固地层的简化方法[17]。本文地层加固示意图如图1所示，其中t为加固土层厚度，C为隧道埋深，D为隧道直径。

图1 地层加固示意图Fig.1 Schematic Diagram of Stratum Reinforcement

2.2 计算模型

采用三维有限元软件PLAXIS 3D建立数值模型，由于结构对称，模型取半结构分析，同时考虑到工程需要和边界尺寸效应，计算模型尺寸取值为：长5D(掘进方向)，宽3D，高50 m，D取14.5 m。模型边界条件为：底部完全固定，四周约束法向位移，顶部自由，计算模型如图2所示。

图2 三维有限元分析模型Fig.2 Three-dimensional Finite Element Analysis Model

本文主要研究加固土层厚度对开挖面主、被动破坏的影响，因此将不同加固土层厚度分作不同工况进行研究，一共6个工况，加固厚度分别为0(未加固)，0.05D，0.10D，0.15D，0.20D，0.30D。

2.3 本构模型及模拟参数

模拟过程中，周边地层划分为3层，从上往下依次为冲填土(厚5 m)、淤泥(厚25 m)、粉质黏土(厚15 m)，土层采用小应变硬化本构模型(HSS模型)，相关参数来源于隧道建设工程的地质勘探报告，在此基础上参考了梁发云等[18-19]对上海软土HSS模型试验研究和《PLAXIS高级应用教程》[20]，各土层参数取值如下：剪胀角Ψ=0.1°，破坏比Rf=0.9，参考应力pref=100 kPa，加卸载泊松比νur=0.2，割线剪切模量衰减至初始70%时所对应的剪应变γ0.7=1×10-4，其余本构模型参数见表2。

表2 本构模型参数Table 2 Constitutive Model Parameters

加固土层采用Mohr-Coulomb理想弹塑性本构模型，参数选取主要基于现场实测数据，具体取值如下：天然重度γ=23 kN·m-3，弹性模量E=300 MPa，黏聚力c=50 kPa，内摩擦角φ=30°。

2.4 模拟过程

盾构开挖是一个逐渐推进的过程，考虑到本文研究重点是开挖面主、被动破坏对周围环境的影响，可忽略开挖过程，采取一次性开挖至一定距离并施加与原始地层侧向静止水土压力相等的梯形支护压力，逐步按一定比例减小(或增加)支护压力，直至开挖面失稳破坏，分析支护压力与地层位移的关系，具体模拟过程如下：

(1)建立与工程实际相符的地层模型。

(2)开挖隧道，并及时在隧道衬砌上设置完全固定的位移边界条件，在开挖面施加与原始地层侧向静止水土压力相等的梯形支护压力。

(3)开挖面支护压力逐步按一定比例减小(或增加)，开挖面前方土体水平位移逐渐增大，直至支护压力变化很小的情况下土体水平位移量急剧增加，则认为开挖面已失稳破坏，计算终止[21]。

为了方便描述，实际作用于开挖面的支护压力为梯形荷载，本文取隧道中心点支护压力值代表开挖面支护压力大小，所以文中的开挖面支护压力统一指隧道中心点的支护压力。

3 数值计算结果

3.1 开挖面主动失稳破坏分析

3.1.1 开挖面极限支护压力确定

图3为不同加土层固厚度下开挖面中心点支护压力与地层水平位移的关系曲线。统一规定图3中曲线斜率绝对值小于等于0.05时，开挖面发生主动破坏，取对应支护压力为极限支护压力(箭头所指数值)。从图3可知，随着t的增加，开挖面发生破坏时，一方面整体水平位移减小，减小对地层扰动影响，另一方面极限支护压力降低，提高开挖面支护压力调节范围。

图3 开挖面支护压力与中心点水平位移关系1Fig.3 Relationship Between Support Pressure of Excavation Face and Horizontal Displacement of Center Point 1

图3同时给出了t=0时开挖面主动失稳总位移发展过程，可以发现主动失稳是一个由渐变到突变的过程，当支护压力小于极限支护压力时地层位移发展较慢，一旦支护压力超过极限支护压力后地层位移则会快速增长，导致开挖面主动失稳，失稳时地层云图似“烟囱”状。图4为图3总位移云图等值线，随着支护压力Pc减小，地层显著位移由开挖面前方土体逐步向斜上方地表发展，并向地表四周扩展，致使开挖面发生主动破坏时，地表产生较大的沉降。

图4 总位移等值线1Fig.4 Contours of Total Displacement 1

3.1.2 主动破坏极限支护压力

表3为主动破坏极限支护压力Pa取值，图5为加固土层厚度与极限支护压力关系，同时给出了t=0，0.10D，0.20D，0.30D时主动失稳破坏对应的总位移云图。从图5可以看出，随着t的增加，极限支护压力降低，开挖面破坏逐渐由整体破坏转为局部破坏，当t>0.20D时，破坏仅发生在开挖面前方一小部分，破坏形态相同，开挖面主动失稳不受t的影响，极限支护压力基本不变。

表3 主动极限支护压力Table 3 Active Limit Support Pressure

图5 加固土层厚度与主动极限支护压力关系Fig.5 Relationship Between Reinforcement Thickness and Active Limit Support Pressure

图6为图5总位移云图等值线，当t=0，0.10D时，地层位移由开挖面发展至地表，形成整体破坏；当t=0.20D，0.30D时，地层受扰动区收缩至开挖面前方土体，地层位移发展不到地表，形成局部破坏。

图6 总位移等值线2Fig.6 Contours of Total Displacement 2

3.1.3 开挖面主动破坏对地表影响

图7为不同加固厚度开挖面发生主动破坏时对称轴上方地表纵向沉降曲线(取开挖面上方地表处作为坐标原点)。

图7 地表纵向沉降曲线Fig.7 Longitudinal Settlement Curves at Ground Surface

由图7可知，随着t的增加，纵向地表整体沉降量降低，当t=0时地表纵向最大沉降约为190 mm，而t=0.20D时地表最大沉降仅为40 mm，相比t=0最大沉降减少约80%。反映出土层加固后可有效减小开挖面失稳对地表的影响；另外发现地表最大变形点沿纵向的位置基本一致，均在开挖面前方约0.5D，说明土层加固对地表纵向最大沉降点位置影响不大。

图8为不同加固土层厚度与地表最大沉降量的关系，当t<0.20D时，地表最大沉降量随t增加呈线性减少，当t>0.20D时，沉降量减少幅度降低。

图8 加固土层厚度与地表最大沉降关系Fig.8 Relationship Between Reinforcement Thickness and Maximum Settlement at Ground Surface

3.2 开挖面被动失稳破坏分析

3.2.1 开挖面极限支护压力确定

图9为不同加固土层厚度下开挖面中心点支护压力与地层水平位移的关系曲线。统一规定当曲线斜率绝对值小于等于0.05时，开挖面发生被动破坏，取对应支护压力为极限支护压力(箭头所指数值)。从图9可知，随着t的增加，极限支护压力提高，开挖面支护压力可调节范围提高，与主动破坏相比，开挖面发生被动破坏所需位移量更大，与原始侧向静止水土压力差值更大，与实际情况相符。

图9 开挖面支护压力与中心点水平位移关系2Fig.9 Relationship Between Support Pressure of Excavation Face and Horizontal Displacement of Center Point 2

图9中的云图为t=0时开挖面被动失稳总位移发展过程，可以发现被动失稳也是由渐变到突变的过程，当支护压力较低时地层显著位移是从开挖面前方扩散到四周土体，变化较为缓慢，一旦支护压力大于极限支护压力，地层显著位移集中在开挖面上部，位移急剧增大。

图10为t=0时总位移云图等值线，可以清晰看到，随着支护压力的增加，地层位移由开挖面前方土体逐渐延伸至地表，并向周围扩展，致使开挖面发生被动破坏，对地表有较大扰动。

图10 总位移等值线3Fig.10 Contours of Total Displacement 3

3.2.2 被动破坏极限支护压力

表4为被动破坏极限支护压力Pp取值，图11为加固土层厚度与极限支护压力关系，同时给出了t=0，0.10D，0.20D，0.30D被动失稳破坏时对应的总位移云图。

表4 被动极限支护压力Table 4 Passive Limit Support Pressure

图11 加固土层厚度与被动极限支护压力关系Fig.11 Relationship Between Reinforcement Thickness and Passive Limit Support Pressure

从图11可以看出，随着t的增加，极限支护压力呈线性增加，这与主动极限支护压力变化规律有所不同。从云图中发现，当t=0.30D时，开挖面失稳时地层位移仍然会由开挖面前方向斜上方地层延伸，说明极限支护压力仍会受到t的影响，所以不会像主动失稳那样在t=0.20D出现转折。

图12为图11总位移云图等值线，随着t增加，地层显著位移由地表逐渐收缩至开挖面前方土体，开挖面破坏逐渐由整体破坏转为局部破坏。

图12 总位移等值线4Fig.12 Contour of Total Displacement 4

3.2.3 开挖面被动破坏对地表影响

图13为不同加固土层厚度开挖面发生被动破坏时对称轴上方地表纵向隆起曲线(取开挖面上方地表处作为坐标原点)。由图13可知，随着t增加，地表的隆起量减少，与主动破坏引起地表沉降量变化趋势相同，地表纵向最大隆起点位置基本一致，距离开挖面前方约0.5D，说明土层加固对地表纵向最大隆起点位置影响不大。

图13 地表纵向隆起曲线Fig.13 Heaving Curves at Ground Surface Along Longitudinal Direction

图14为不同加固土层厚度与地表最大隆起量的关系，随着t的增加，地表最大隆起逐渐减小，减小幅度降低，当t=0时，最大隆起量约为187 mm，当t=0.20D时，最大隆起量约为55 mm，相比t=0最大隆起量减少约70%。

图14 加固土层厚度与地表最大隆起关系Fig.14 Relationship Between Reinforcement Thickness and Maximum Heaving at Ground Surface

表5为不同加固土层厚度开挖面主、被动极限支护压力汇总，图15为不同加固土层厚度开挖面主、被动支护压力与水平位移曲线。从表5、图15可以看出，随着t的增加，Pp-Pa逐步增大，开挖面支护压力可调节范围增加，当t=0时，Pp-Pa约为304.0 kPa，当t=0.20D时，Pp-Pa约为402.9 kPa，可调节范围增加32.5%，这使得实际施工过程更有利于维持开挖面的稳定性。

表5 主、被动极限支护压力Table 5 Active and Passive Limit Support Pressure

图15 开挖面支护压力与中心点水平位移关系Fig.15 Relationship Between Supporting Pressure and Horizontal Displacement of Center Point

4 结 语

(1)随着t的增加，开挖面支护压力可调节范围增加，当t=0时，Pp-Pa约304.0 kPa，当t=0.20D时，Pp-Pa约402.9 kPa，可调节范围增加32.5%。

(2)对于主(被)动极限破坏，随着t的增加，开挖面破坏形式由整体破坏转为局部破坏，t=0.20D相比t=0地表沉降(隆起量)减少70%～80%，地表最大变形点沿纵向的位置基本一致，均在开挖面前方约0.5D。

(3)从极限支护压力和地表最大变形量与t的关系曲线中发现t=0.20D是一个“拐点”，结合经济和加固效果两方面考虑，类似的实际工程进行地层加固时取加固土层厚度为0.20D是较为合理的选择。