位移加载法下的盾构隧道开挖面被动破坏数值模拟研究

摘要：针对盾构隧道在的开挖面稳定性问题，分析了盾构施工过程中的实力情况，总结了适用于开挖面主动、被动破坏研究的开挖面支护力加载方式。以砂土地层的浅埋盾构隧道的被动破坏为例，详细介绍了数值模拟中位移加载法的使用办法，分析了位移加载法下的极限支护力、开挖面上的支护力分布、开挖面土体位移、地标沉降特点。结果表明，在开挖面稳定性的被动破坏研究中，采用位移加载法更为合理，采用位移加载法的数值模拟结果与实际工程中的开挖面被动破坏的特征吻合良好。

关键词：位移加载法""盾构隧道""开挖面稳定性""数值模拟""被动破坏

Numerical"Simulation"Study"on"Passive"Failure"of"Shield"Tunnel"Excavation"Face"Based"on"Displacement"Loading"Method

ZOU"Honghao

JSTI"Group"Co.，Ltd.，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"210019"China

Abstract："In"response"to"the"stability"issues"of"shield"tunnel"excavation"faces，"an"analysis"of"the""the"strength"situation"in"excavation"process"was"conducted，"and"excavation"face"support"force"loading"method"applicable"to"active"and"passive"failure"investigations"of"the"excavation"face"were"summarized."Taking"the"passive"failure"of"a"shallow-buried"shield"tunnel"in"sandy"soil"layer"as"an"example，"the"usage"of"displacement"loading"method"in"numerical"simulations"was"elaborated."The"ultimate"support"force"under"displacement"loading"method，"support"force"distribution"on"the"excavation"face，"soil"displacement"on"excavation"face，"and"characteristics"of"landmark"settlement"are"analyzed."The"results"indicated"that"the"displacement"loading"method"is"more"reasonable"for"passive"failure"investigations"of"excavation"face"stability，"and"the"numerical"simulation"results"using"the"displacement"loading"method"align"well"with"the"observed"features"of"actual"excavation-induced"passive"failure"in"engineering"projects.

Key"Words："Displacement"loading"ethod;"Shield"tunnel;"Excavation"face"stability;"Numerical"simulation;"Passive"failure

盾构法由于安全、快速、高效、施工影响小等优点被广泛应用于城市隧道的建设中。盾构机在施工中，通过施加合适的支护力的大小来控制开挖面的稳定性。若支护力过大，则会引起开挖面的被动破坏，致使地表隆起；过小的支护力会引起开挖面的主动破坏，致使地表塌陷[1]。目前，盾构隧道开挖面稳定性的研究主要针对如何确定开挖面的极限支护力，采用理论分析、模型试验、数值模拟、现场实测等方法展开研究。理论分析主要是通过假定不同的破坏模式，采用极限平衡法[2]和极限分析法[3]进行理论推导，求解不同边界条件下的极限支护力；模型试验通过1"g缩尺试验[4]和ng离心试验[5]研究不同条件下的极限支护力、失稳模式、破坏区形状等；对于以离散元法[6]、有限元法[7]、有限差分法[8]等为代表的数值模拟，由于其计算过程和结果便于监测、模拟成本低廉等优势，被众多学者应用在开挖面稳定性的各类研究中。如何施加开挖面支护力是开挖面稳定性研究的基础，在模型实验中，主要由以气囊和水囊施加压力的柔性加载、以刚性挡板施加位移的刚性加载。而在数值模拟中，无论是主动破坏还是被动破坏，普遍采用应力加载法[9-11]，缺少位移加载法的相关研究。

1"土压平衡盾构开挖面的受力分析

土压平衡盾构在施工中，以推力T推进整个盾构机向前，受开挖面前方土体作用于盾构机的反力F1与推进时候的总阻力F2，则根据力学方程有：

T-（F1+F2）=ma

（1）

式（1）中：T为盾构机总推力；F1为开挖面前方土体的反力；F2为盾构掘进的总阻力，包括盾体与地层的摩擦力、后配套牵引力等；m为盾构机质量；a盾构机加速度。

开挖面支护力P与F1的大小相等、方向相反，由土仓压力P1、盾构机刀盘作用在土体上的力P2组成。

土仓压力P1分布如图1[12]所示。土仓压力P1由两部分构成，分别是土仓内的刚性背板施加的均布力P1-1、土仓内的土造成的压力P1-2。

当开挖面支护力过小产生主动破坏时，盾构出土速度较快，仓内土体由于渣土改良剂和刀盘的搅拌作用呈流塑性状态，变形能力强，不约束开挖面前方土体的侧向变形，土仓内刚性背板未挤压土体而使P1-1较小，开挖面的支护力主要来自P1-2，施加方式接近以应力施加为主的柔性加载。

当开挖面支护力过大产生被动破坏时，盾构出土较慢，盾构内千斤顶向前顶进，仓内土体压缩，变形模量增大，开挖面前方土体变形受限，开挖面的支护力主要源自P2、P1-1，开挖面的支护的施加方式主要为以位移施加为主的刚性加载。

2"位移加载法下的被动破坏数值模拟研究

2.1"数值模拟参数

采用数值模拟软件FLAC3D，利用位移加载法模拟盾构在砂土中掘进并出现被动破坏。假定隧道直径为10"m，隧道埋深为5"m，土体重度为18"KN/m³，弹性模量为25"Mpa，内摩擦角为20°，剪胀角为0，静止土压力系数k0=1-sinφ，泊松比υ=k0"/（1+k0）。模拟计算中，砂土材料遵循莫尔-库仑屈服准则，计算模型如图2所示。

2.2"数值模拟过程

本文主要研究位移加载法下开挖面上土体的应力应变情况，具体过程如下。

（1）建立砂土地层模型，施加约束，在初始应力下，计算至平衡。

（2）一次性开挖至25"m，对隧洞的洞周节点施加固定约束，以模拟隧道支护；锁定开挖面各节点轴向位移，以模拟刚性挡板；计算至平衡。

（3）解除开挖面各节点的轴向约束，并设定微小的、沿隧道掘进方向的单位速度，控制迭代的步长，控制开挖面前移的位移量，模拟位移加载。

（4）施加开挖面位移量后，再次锁定开挖面各节点的轴向位移；计算至平衡，再提取应力、应变数据。

（5）重复步骤（3）和（4），获得不同位移加载量下的数据。

2.3"数值模拟结果

2.3.1开挖面极限支护力

图3为采用位移加载法和应力加载法下的开挖面位移与支护力关系图，被动破坏极限支护力参照C.J.Lee[13]的双切线方式确定，两种加载方法对应的极限支护力分别为594"kPa、630"kPa。

由图3可知，在位移加载法下，加载量与开挖面的支护力变化可以分为为3个阶段：第1阶段，随着开挖面上的位移增大，开挖面上的支护力增大，位移加载量-支护力曲线呈斜直线；第2阶段，随着位移进一步增大，支护力增大的同时，增大的速率逐渐减小，位移加载量-支护力曲线呈圆弧状；第3阶段，位移加载量进一步增大，开挖面的支护力几乎不变，位移加载量-支护力曲线呈水平直线。

同时，从图3可知，砂土地层浅埋隧道的被动破坏时，位移加载法下的支护力不随着开挖面位移无限增大，更符合实际情况；位移加载法下的极限支护力小于应力加载法下的极限支护力，在实际施工中更安全。

2.3.2开挖面支护力沿隧道竖向的分布情况

图4给出位移加载量为0.2"m时开挖面上的支护力沿着隧道竖向的分布情况。图中虚线为开挖面中心线。

从图4可知，采用位移加载法时，开挖面上的支护力随着深度的增加而增加，近似呈线性关系，符合土仓压力分布简图（见图1），与实际施工中的土仓压力一致。

2.3.3"不同位移加载量下的开挖面变形情况

不同位移加载量下，开挖面的位移云图如图5所示。

由图5可知，当位移加载量为0.1"m时，盾构前方形成一个近似三角形的压密区域；当位移加载量为0.24"m时，隧道上方土体的埋深浅相对较小，即围压小，致使抗剪强度低、易破坏，位移较大；当位移加载量为0.75"m时，破坏区呈现具有显著边界的连续形状，呈“烟囱状”贯通至地表，开挖面失稳破坏。

2.3.4开挖面位移加载量对地表位移的影响

参考盾构掘进施工中的测点布置，在地面上处沿盾构掘进方向、再沿隧道中心线以1"m为间距布置11个监测点。图6为不同位移加载量下各竖向位移点的位移量图。

由图6可得，在位移加载法下，开挖面正上方的局部土体出现较小的沉降，沉降值随位移加载量的增大而增大；开挖面前方的地表隆起最大高度随加载量的增大而逐渐增大，最大隆起点朝开挖面处移动。

3结论

本文通过分析土压盾构掘进时的实际受力情况，分析了在开挖面的主动破坏、被动破坏下的开挖面支护力构成，总结了对应的开挖面支护力加载方法，并进一步采用位移加载法研究了砂土地层的被动破坏情况，得到结论如下。

（1）研究开挖面支护力过小而产生主动破坏时，宜采用应力（柔性）加载施加开挖面支护力；研究开挖面支护力过大而产生被动破坏时，宜采用位移（刚性）加载施加开挖面支护力。

（2）位移加载法下，支护力不随开挖面位移无限增大，更符合实际情况；极限支护力小于应力加载法下的，在实际施工中更安全；开挖面上的支护力沿着深度的增加而增加，与实际情况更吻合；开挖面失稳破坏时，地层位移形状呈“烟囱状”贯通至地表；开挖面前方的地表隆起最大高度随加载量的增大而逐渐增大，最大隆起点向开挖面方向移动。

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