砂卵石强透水地层泥水平衡盾构隧道开挖面极限支护压力研究

潘格林，王建国，王国富,2，赵增辉

(1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.济南轨道交通集团有限公司，山东 济南 250101)

当盾构隧道穿越强透水性复杂地层时渗流会对开挖面的稳定性产生不良影响，综合考虑施工期间地下水的渗流以及水位的变化，是合理确定开挖面极限支护压力的关键。

针对开挖面极限支护压力，国内外学者已进行许多研究。CHAMBON等[1]通过离心模型试验对砂土地层的开挖面稳定性进行了研究，得出开挖面前方土体破坏形状为楔形体；FAKHIMI等[2]运用二维颗粒流程序PFC 2D模拟了岩石开挖，并对洞周破坏进行了研究；BROMS等[3]通过室内试验计算出黏性土的盾构开挖面支护压力。邓如勇等[4]采用有限差分软件FLAC 3D建立三维数值模型，根据太沙基公式求得盾构初始掌子面支护压力，进而对施工安全性进行了研究；孙潇昊等[5]利用PFC 2D模拟了不同埋深和密度条件下盾构开挖，将其结果与物理模型试验结果进行了对照，揭示了开挖面土体的失稳破坏模式，并确定了极限支护压力；秦建设等[6]针对砂土地层采用FLAC 3D对盾构开挖面稳定性进行了数值模拟计算，并得出与前人试验结果一致的结论；乔金丽等[7]应用强度折减法研究了开挖面的稳定性。

在以往研究中，对渗流作用下盾构开挖面的稳定性研究甚少。为此，本文以兰州轨道交通1号线穿河段泥水平衡盾构隧道为工程背景，通过有限元数值模拟，分析砂卵石强透水地层盾构开挖面稳定性，并将分析结果与现场监测结果进行对比。

1 工程概况

兰州市轨道交通1号线奥体中心—世纪大道区间设计里程为YCK9+908.088—YCK12+028.097，地面高程为 1 518.60～1 534.50 m，全长2 120.009 m，为双线隧道，轨面设计高程为 1 491.853～1 518.353 m，底板埋深为16.56～42.00 m。其中，下穿黄河段里程为YCK10+477.000—YCK10+794.00，长317 m，拟采用盾构法施工。奥体中心—世纪大道区间位置示意如图1。

图1 奥体中心—世纪大道区间位置示意

2 工程水文地质条件

奥体中心—世纪大道区间在深安大桥附近下穿黄河，河两岸为人工护堤。区间所处主要地貌单元为黄河Ⅱ级阶地，隧道位于河漫滩区。地层自上而下依次为：第四系全新统杂填土(1-1)、冲积卵石层(2-10)、下更新统冲积卵石层(3-11)。隧道洞身主要穿过3-11卵石层。地层及支护结构物理力学参数见表1。

表1 地层和支护结构物理力学参数

该区间2-10,3-11卵石层普遍分布粒径大于20 cm 的漂石，分布随机性较强，并无明显规律。据钻孔资料及附近大基坑开挖资料，最大粒径为50 cm，漂石含量不均匀，卵石母岩成分为花岗岩、石英岩等，卵石石英含量普遍较高，且卵石层胶结均较差。以泥质胶结为主，含少量砾石、粉粒和黏粒。奥体中心车站3-11卵石层见图2。

图2 奥体中心车站3-11卵石层

3 数值模拟

3.1 模型的建立

采用泥水平衡盾构进行施工，开挖直径6.48 m，管片外径6.20 m，内径5.50 m，厚度0.35 m，环宽1.2 m。采用FLAC 3D流固耦合模块进行数值计算。计算模型横向(x轴)55 m，纵向(y轴)70 m，高度(z轴)70 m，见图3。模型顶部为自由边界，最大水位9 m，模型顶部施加均布水压，四周及底部施加法向位移约束。隧道围岩采用Mohr-Coulomb模型，管片采用shell单元以及不透水模式模拟。

图3 计算模型(单位：m)

3.2 模拟计算过程

①开挖一个管片单元，包括管片与土体;②施加支护压力，添加管片单元，赋流体模量，并打开渗流模式;③关闭渗流模式，开启力学计算模式，在不排水条件下使计算模型迭代计算至不平衡力达到平衡为止;④开启应力场和渗流场，进行流固耦合分析;⑤开挖下一环，循环往复，直至开挖完成。

3.3 结果与分析

1)孔隙水压力

渗流作用下隧道开挖面孔隙水压力分布见图4。可见：孔隙水压力等值线呈漏斗状分布。这是因为该区间隧道围岩富含地下水，开挖前围岩渗流场稳定，隧道周边孔隙水压力为静水压力。隧道开挖后围岩渗流场发生改变，产生水压力差，造成地下水沿洞周渗出。隧道拱顶和边墙处孔隙水压力较其他部位大，渗水频率较高。

图4 隧道开挖面孔隙水压力分布

2)极限支护压力

开挖面中心点水平位移随支护压力变化曲线见图5。可见：当支护压力接近原始土压力213 kPa时，开挖面中心点水平位移随支护压力变化微小；随着支护压力继续减小，开挖面中心点水平位移逐步增加；当支护压力降至107 kPa时，开挖面位移显著，此时的开挖面支护压力即为极限支护压力。

图5 开挖面中心点水平位移随支护压力变化曲线

4 现场监测

图6 开挖仓压力随开挖环数的变化曲线

在泥水盾构推进过程中对掌子面支护压力以及河道堤岸沉降进行了现场监测。开挖仓压力随开挖环数的变化曲线见图6。可见：开挖仓压力稳定值为121 kPa，数值模拟值为107 kPa，与该值比较接近。数值模拟能够为现场的开挖仓压力提供准确预测。

右侧岸堤沉降现场监测值与数值模拟值对比见图7。可知：泥水盾构下穿后岸堤沉降较小，现场监测及数值模拟右侧岸堤最大沉降分别为3.6，4.0 mm,均不到5 mm，误差为11.1%，验证了本文计算模型合理。

图7 右侧岸堤沉降现场监测值与数值模拟值对比

5 结论

针对砂卵石强透水地层盾构隧道开挖面稳定性问题，通过有限差分软件FLAC 3D，建立了渗流作用下隧道开挖面极限支护压力计算模型,分析得出以下结论：

1)隧道开挖后围岩渗流场发生改变，产生水压力差，造成地下水沿洞周渗出，孔隙水压力等值线呈漏斗状分布。

2)渗流作用下开挖面极限支护压力数值模拟值为107 kPa，泥水盾构下穿后岸堤沉降较小。现场监测及数值模拟右侧岸堤最大沉降分别为3.6，4.0 mm，误差为11.1%，验证了本文计算模型合理，可为类似穿河段盾构施工时合理确定开挖面支护压力提供参考。