复杂地层超大直径盾构隧道掘进面稳定性分析

□文/范永利 张树建 乔金丽 任泽民

复杂地层超大直径盾构隧道掘进面稳定性分析

□文/范永利 张树建 乔金丽 任泽民

以世界第一超大直径，具有穿越复合土层，高水压作用等难点的上海长江隧道为工程背景，利用数值模拟对盾构隧道掘进面的渗流效应进行了分析，探讨了地下水渗流效应对掘进面稳定的影响，分析了地下水作用下支护压力与掘进面变形的关系。根据稳定性理论的基本原理，确定了掘进面极限支护压力。极限支护压力的确定为设计和施工中掘进面最小支撑力的确定以及防止掘进面坍塌所需支护提供了依据。通过渗流作用效应的影响比较发现：渗流力构成了总支护力的主要部分，地下水的存在对隧道开挖面稳定产生很不利影响，是不可忽视的。

复杂地层；超大直径；掘进面；稳定性；盾构；隧道

渗流作用下大直径、穿越复合土层的盾构隧道开挖面稳定性成为该领域复杂而又重要的课题。盾构施工时地层变形的主要原因在于掌子面推进力的控制是否与其土压力保持平衡，如推进力过大形成反向土压力，地表隆起；若土压力过小又会造成地表沉降过大，因此，开挖面稳定对盾构隧道施工过程具有十分重要的作用。开挖面支护压力大小的控制应该保证不至于压力过低发生开挖面坍塌，同时又不能压力过大而发生隆起破坏，因此目前开挖面支护压力研究中很大部分研究侧重于开挖面极限支护压力的确定。

对多层土盾构隧道开挖面稳定性的渗流分析甚少。本文基于渗流理论，利用有限差分数值方法对盾构隧道开挖面稳定性进行分析。探讨了渗流作用效应时，孔隙水压力的存在对盾构隧道开挖面的塑性状态、应力、位移及其大小的影响，并根据稳定性理论的基本原理，把由于开挖面支护压力的微小变化导致开挖面中心点水平位移突变时的支护压力定为极限支护压力并得到其值。

1　渗流分析原理

在求解孔隙水压力的差分方程中引入应力分析的变形结果，将不同的时步交替分配给程序作渗流分析和应力分析，从而反映渗流关系。求得渗流场内各点的孔隙压力值后，再根据有效应力原理计算渗流域各单元的有效应力。在计算过程中，将岩体视作等效连续介质，流体在介质中的流动依据达西定律。

1.1运动方程

流体的运动用达西定律来描述，对于均质、各向同性固体和常密度流体的情况，渗透介质的达西定律为

式中：qi为渗流量；k为介质的渗透系数；p为压力；ρw为水密度；i为水头梯度；xj为的距离梯度；gi为重量加速度的分量。

1.2连续性方程

饱和土体稳定渗流基本方程为

式中：kx、ky、kz为x、y、z方向的渗透系数；h为某点的水头。

1.3相容方程

应变率和速度梯度之间的关系为

2　复杂地层超大直径盾构隧道掘进面渗流分析

2.1工程概况

上海长江隧道工程为世界第一超大直径的隧道，直径为15m，具有穿越复合土层，高水压作用等难点，是连接上海市区和崇明的高速公路通道，是我国沿海大通道的重要组成部分。长江隧桥工程总长25.5 km，采用隧道形式穿越长江南港后，连接浦东和长兴岛。文中根据实测资料选取了代表性断面K2+373作为研究对象，该断面位于长江水底。材料参数见表1。

表1　计算材料参数

2.2确定掘进面极限支护压力的简化

为描述掘进面支护压力的大小，考虑到实际作用于掘进面的支护压力为梯形荷载，取隧道掘进面中心点支护应力值来代表掘进面支护压力大小，文中的掘进面支护压力统一指掘进面中心点施加的支护压力大小。对于掘进面支护压力大小的表示，引入支护应力比的概念

式中：σs为掘进面中心点支护应力；σ0为隧道中心原始地层水平静止土压力。

2.3工程算例模型建立

考虑到地层条件的复杂及掘进面位置土层的不确性，对分析地层进行简化，渗流分析模型见图1，地下水位距离地表5 m。对于有地下水作用下，流体建模同力学建模并行完成。首先，执行渗流分析，将各节点的孔隙水压力和总水头存储起来；然后，通过总水头值计算各个节点的水头梯度值，将计算得到的渗透力作为节点力存储起来；最后，将渗流分析得到的渗透力作为力边界条件施加到应力分析中。确定极限支护压力时，掘进面支护压力先设为掘进面中心点侧向静止土压力，然后以缓慢的速度逐渐减小，做出支护压力比与掘进面中心点位移曲线，随着支护比减小掘进面中心点水平位移逐渐减小，位移急剧增大时，这时的支护压力为最小支护压力。

图1　渗流分析模型

计算模型见图2，模型采用8结点的实体单元划分网格，具有26035个结点，24000个单元。

图2　网格及土层分布模型

3　掘进面渗流计算结果分析

在水头差的作用下，流体可以透过土体孔隙而产生流动。当隧道在低于地下水位的地层中开挖时，地下水流入隧道掘进面，渗透力可能影响到隧道开挖支护与掘进面的稳定。因此，计算作用在隧道掘进面的渗流场与应力场的耦合预测其稳定性。

3.1掘进面极限支护压力

考虑渗流作用时极限支护压力比为0.785，极限支护压力为235.35 kPa；不考虑渗流作用时极限支护压力比为0.19，极限支护压力为40.338kPa。渗流力占总极限支护力的82.86%，构成了总支护力的主要部分，不容忽视。

3.2渗流对开挖面的影响

表2是在支护压力比为0.785时的计算结果，可以看出，由于受流固耦合的影响程度不同，位移和应力的变化也有所不同，但其等值线的形状有相似的规律性。位移增大的很多，最大水平位移增大了60.57%，最大竖直位移增大了40.02%；渗流对隧道周围单元的应力分布状态较为不利，单元的压应力减小达到了19.86%，而拉应力增大达到了42.04%，应力变化相对位移变化不太大，但是开挖面处应力出现集中，对开挖面的应力分布较为不利，使得单元更容易达到剪切破坏，开挖面变得更不稳定。

表2　有渗流和无渗流情况下的最大位移和应力

3.3孔隙水压力对开挖面附近塑性区的影响

由图3和图4可以看出.支护压力比都为0.785时有渗流作用时的隧道开挖面塑性区范围很大，竟扩展达开挖面前方20 m左右，趋于坍塌，需要马上支护；相反，无渗流作用时的隧道相对很稳定，开挖面前进入的塑性区的区域很少。

图3　有渗流作用下塑性区

图4　无渗流作用下塑性区

4　结语

1）以上海长江隧道为工程背景，基于渗流理论，利用有限差分数值方法分析了渗流作用下支护压力和开挖面变形以及应力的关系。有渗流和没有渗流作用下的位移场、应力场的差别是很大的，但是具有共同的自身变化规律性。

2）利用稳定性理论，确定开挖面支护压力在进行微小变化时，开挖面中心点水平位移急剧增大，位移发生突变时的支护压力为极限支护压力，为工程上确定开挖面的支护压力提供了依据。保证隧道开挖面稳定的极限支护压力等于作用于开挖面的有效支护压力和渗透力的总和。

3）通过对孔隙水压力的存在对盾构隧道开挖面的塑性状态、应力、位移及其大小影响的比较研究发现：渗流力构成了总支护力的主要部分，渗流效应对隧道开挖面稳定产生很不利影响，是不可忽视的。

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.022

□张树建/天津市公路工程总公司。

□乔金丽/河北工业大学土木工程学院。

□任泽民/河北工业大学校园规划处。

□U455

□C

□1008-3197（2015）04-54-03

□2015-06-5

□范永利/男，1978年出生，工程师，天津君胜商品混凝土有限公司，从事工程技术管理工作。