复杂地层中基于流固耦合的盾构隧道开挖面稳定性研究*

曹校勇，刘永强，孙海东，李 铎

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710068； 2.中交隧道工程局有限公司，北京 100024)

0 引言

盾构法具有对周边环境影响小、地质条件适应能力强、施工相对安全且迅速的特点，成为修建水下隧道的首选。国内外越江海软土隧道几乎均采用了泥水盾构修建，如英法海峡隧道、东京湾隧道、武汉长江隧道、狮子洋隧道等。已有工程经验表明，在软弱地层隧道工程施工过程中，合理地选择支护压力对地层周边环境的影响意义重大。故泥水盾构在越江海软土层中掘进时，确保开挖面稳定是保证工程安全最重要的问题。

盾构法发展至今，关于盾构隧道开挖面稳定性的研究方法较多，主要有稳定系数法、极限平衡法、试验研究法、强度折减法和数值模拟法等，其中以试验研究法和数值模拟法为主，研究成果丰硕。Buhan 等考虑地下水渗流作用，建立了数值仿真模型进行分析，发现其对开挖面稳定性的影响较大；康志军等对考虑完全流固耦合效应的盾构隧道开挖面失稳过程进行了模拟和验证；Schweiger等通过分析考虑渗流力影响的开挖面支护压力，发现平衡渗流力是开挖面支护压力的重要组成部分；缪林昌等采用颗粒流软件从微观角度分析了盾构隧道掘进过程开挖面失稳机理及砂土中盾构掘进引起的土体破坏形态与分布范围；黄正荣等采用数值模拟方法分析了地下水水位对支护压力的影响，研究结果表明，开挖面稳定所需的支护压力与地下水水位有着密切关系，且水头压力对隧道开挖面支护压力的影响较大；高健等基于极限平衡法研究了地下水稳态渗流对开挖面极限支护压力的影响，研究结果表明，随着地下水水位的升高，稳态渗流场产生的渗透压力对平衡开挖面支护压力具有较明显的作用；王浩然等建立考虑稳态渗流影响的弹塑性有限元计算模型并进行数值模拟分析，研究结果表明，渗流力将使隧道开挖面底部的大主应力发生偏转。

综上所述，已有研究多从开挖面失稳机理和渗流场对开挖面的影响方面展开，且模拟和试验地层多为均一地层，未考虑复杂地层的影响。鉴于此，本文依托中宁穿黄隧道工程，开展复杂地层条件和流固耦合作用下，不同支护压力比对开挖面稳定性的影响研究。

1 工程概况

中宁穿黄隧道采用泥水盾构施工，北岸始发竖井位于石空镇东黄庄南，距黄河大堤堤脚(滨河大道)约233m。南岸接收竖井位于中宁县县城莫嘴村北，距黄河大堤堤脚(滨河南路)约126m。盾构从黄河北岸始发井始发，由南岸接收井吊出。管片采用通用环，内径为5 500mm，外径为6 200mm，厚度为350mm，环宽为1 200mm。

根据该区间纵断面设计、工程地质报告及汛期统计，选取3种工况进行开挖面稳定性研究，其中，工况1为隧道覆土厚度最小(26.0m)，工况2为隧道覆土厚度最大(34.1m)，工况3为隧道处于百年一遇洪水情况下。所选工况地质剖面如图1所示。

2 模型建立与参数选取

2.1 模型建立与网格划分

本文采用有限差分软件FLAC 3D对不同工况、支护压力比下开挖面稳定性进行分析。根据不同工况的地质剖面，利用MIDAS GTS NX软件建立单元网格模型，所有模型单元均采用实体单元，如图2所示，将模型导入FLAC 3D软件中进行流固耦合计算。

2.2 边界条件与模型参数

为更好地模拟实际工程情况，对于位移边界，模型四周及底面设置法向位移约束，模型上表面设置为自由面，不施加约束。考虑隧道埋深条件和地应力场分布，在模型上表面和内部单元施加相应的构造应力，以模拟地层真实的自重应力场；对于模型的流体边界，设定隧道掌子面为透水边界，注浆层固结需要一定时间，也设为透水边界，管片衬砌设为不透水边界。本文计算涉及的地层参数如表1所示。

表1 地层参数

2.3 数值模拟过程与监测断面选取

管片幅宽1.2m，共50环，盾构掘进步长取1个幅宽，每开挖1环进行1次流固耦合平衡计算，开挖面超前管片拼装2环，每完成1步开挖，同时进行壁后注浆和盾尾管片拼装，针对开挖面泥浆压力对地层的作用，在开挖面上固定孔隙水压力模拟泥浆压力对开挖面孔隙水压的作用，并提取开挖面在自重作用下的节点法向最大不平衡力，以一定系数反向施加于开挖面，模拟泥浆对开挖面的支护作用。

为消除边界效应的影响，选取隧道中间位置处作为监测断面。

3 结果分析

不同工况下，以泥浆支护压力比为计算条件，进行开挖面稳定性流固耦合分析，其中泥浆支护压力比分别为0.6，0.7，0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6。

3.1 开挖面中心前方地层渗流场

孔隙水压力监测点位于开挖面中心前方0～30m位置，不同支护压力比下开挖面中心前方地层孔隙水压力变化曲线如图3所示。

由图3可知，当泥浆支护压力比为1.0时，监测点位置的地层孔隙水压力基本不变，说明该支护压力比条件下，盾构开挖基本不对地层渗流场造成扰动；当泥浆支护压力比<1.0时，开挖面前方地层孔隙水压力小于原地层孔隙水压力，这是因为地下水在压力差作用下向开挖面回涌，使开挖面处孔隙水压力降低；当泥浆支护压力比>1.0时，开挖面前方地层孔隙水压力大于原地层孔隙水压力，这是因为泥浆在压力差作用下涌入地层，对地层水造成挤压；各泥浆支护压力比下，随着距开挖面距离的增大，监测点位置的地层孔隙水压力逐渐恢复到原地层孔隙水压力，且恢复速率基本一致，说明在该泥浆支护压力比范围内，泥浆压力对开挖面前方地层的影响范围基本一致，长度约为15m；当泥浆支护压力比为1.6时，工况2开挖面位置的地层孔隙水压力与原地层孔隙水压力差为0.213MPa，远大于工况1，3的地层孔隙水压力差，说明隧道埋深越大，泥浆支护压力比对开挖面孔隙水压力的影响越大。

3.2 开挖面中心正上方地层竖向应力

地层土应力监测点位于开挖面中线处，工况1，2监测范围为开挖面中心至上方29m，工况3监测范围为开挖面中心至地表。不同支护压力比下开挖面中心正上方地层竖向应力变化曲线如图4所示。

由图4可知，当泥浆支护压力比为0.9时，监测点位置的地层竖向应力更接近原地层竖向应力，说明在该泥浆支护压力比下，盾构开挖对地层竖向应力场的影响更小；当泥浆支护压力比<0.9时，开挖面上方地层竖向应力小于原地层竖向应力，这是因为开挖面泥浆支护压力小，开挖面处地层松动，引起上方地层松动；当泥浆支护压力比>0.9时，开挖面上方地层竖向应力大于原地层竖向应力，这是因为开挖面泥浆支护压力大，对前方地层造成挤压，从而挤压上方地层；各泥浆支护压力比下，随着距开挖面距离的增大，监测点位置的地层竖向应力逐渐恢复到原地层竖向应力；不同工况下，随着距开挖面距离的增大，地层竖向应力恢复速率不同。工况1～3下泥浆压力影响范围分别约为8，5，8m，说明隧道埋深越大，泥浆压力对地层竖向应力的影响范围越小。

3.3 开挖面中心正上方地表竖向位移

一般情况下，隧道正上方地表竖向位移最大，故选择开挖面中心正上方地表作为地表竖向位移监测点。开挖面中心正上方地表竖向位移变化曲线如图5所示。

由图5可知，随着泥浆支护压力比的增大，工况1，2开挖面中心正上方地表竖向位移呈减小趋势，这是因为泥浆支护压力比增大会造成地层隆起；工况3开挖面中心正上方地表竖向位移呈增大趋势，这是因为隧道上方地层主要为细砂且位于水下，地层松散，泥浆压力增大时，细砂层被挤开，地表层下降；隧道埋深越大，泥浆压力对地表竖向位移的影响越小。

3.4 开挖面中心上方地表纵向位移

开挖面中心上方地表纵向位移变化曲线如图6所示。由图6可知，当泥浆支护压力比为1.0时，开挖面中心上方地表纵向位移基本为0，说明该泥浆支护压力比下，盾构开挖基本不引起开挖面纵向移动，开挖面稳定性较好；当泥浆支护压力比<1.0时，开挖面土体向开挖面内侧移动，这是因为泥浆支护压力小于地层压力，在压力差作用下开挖面土体向开挖面内侧移动；当泥浆支护压力比>1.0时，开挖面土体向开挖面外侧移动，这是因为泥浆支护压力大于地层压力，对开挖面土体造成挤压；隧道埋深越大，相同支护压力比下，开挖面中心上方地表纵向位移越大，这是因为隧道埋深越大，开挖面中心原地层应力越大，乘以相应系数后，与原应力的差值越大，故引起的开挖面中心上方地表纵向位移越大；开挖面中心上方地表纵向位移与泥浆支护压力比基本呈线性关系。

4 结语

通过数值模拟手段，对中宁穿黄隧道盾构区间3种工况、8种泥浆支护压力比下的开挖面稳定性进行研究，得出以下结论。

1)当泥浆支护压力比为1.0时，监测点位置的地层孔隙水压力和开挖面中心上方地表纵向位移更接近原始状态；当泥浆支护压力比为0.9时，监测点位置的地层竖向应力更接近原始状态。

2)不同泥浆支护压力比下，随着距开挖面距离的增大，监测点位置的地层孔隙水压力均逐渐恢复到原地层孔隙水压力，且恢复速率基本一致，说明在该泥浆支护压力比范围内，泥浆压力对开挖面前方地层的影响范围基本一致，约为15m。

3)不同泥浆支护压力比下，随着距开挖面距离的增大，监测点位置的地层竖向应力逐渐恢复到原地层竖向应力，但不同工况下的地层竖向应力恢复速率不同。

4)工况1～3泥浆压力对开挖面中心上方地层竖向应力的影响范围分别约为8，5，8m。

5)随着泥浆支护压力比的增大，工况1，2开挖面中心正上方地表竖向位移呈减小趋势，工况3开挖面中心正上方地表竖向位移呈增大趋势。

6)开挖面中心上方地表纵向位移与泥浆支护压力比基本呈线性关系。

7)隧道埋深会对泥浆支护压力作用产生影响。

8)综合来讲，当泥浆支护压力比为1.0时，开挖面稳定性最好。