渗流作用下复合地层盾构隧道施工开挖面稳定性及控制研究

王清平

身份证号：4101051993＊＊＊＊0035 湖南 长沙 410000

前言：盾构法作为一种隧道开挖施工方式，其对于城市正常运行扰动较小，因此在城市地下

一、渗流作用概述

在认识渗流作用前，首先我们需要了解何为渗流？所谓渗流具体指的是在相应介质中，流体在其中的缝隙进行流动的过程。上述这些介质组成比较复杂，一般都由块状或颗粒状等材料组成，并且在这些材料之间，还含有许多孔隙或者裂隙。一般情况下，对于地表面以下的土壤或岩层而言，其作为一种介质，若发生渗流作用，我们一般将其称之为地下水运动，这是在自然界之中，我们经常见到的渗流现象。渗流作用在盾构施工领域也有较为重要的影响，地下水的渗流作用产生的渗透力会改变开挖面土体的有效应力，从而改变滑动面上的滑动力，导致隧道开挖面失稳，地下水和隧道围岩的相互作用会显著降低围岩的稳定性和强度，地下水侵入和渗出会引起隧道渗漏，严重影响盾构开挖安全性，因此有必要对渗流作用下基于不同地层的盾构施工开挖面稳定性及控制进行分析，这对于提升盾构开挖安全稳定性有着重要的意义。

二、渗流作用下基于不同地层的盾构施工开挖面稳定性及控制分析

（一）渗流作用下均质地层盾构施工开挖面稳定性及控制分析

一般盾构在该地层进行开挖时，一般需要注意做好以下几点稳定性影响因素控制。在这一过程中，可假设盾构的直径为10m，管片主要是钢筋混凝土材料，钢筋型号为C50，厚度在0.5m左右。一是分析埋深因素对开挖面稳定性影响。一般而言，无论埋深深度多少，盾构对于开挖面的的破坏整体规律则表现一致，都是自开挖面开始，逐渐向地表不断进行扩展，并且一般最大的变形位置，都分布在开挖面的上方。当埋深越浅，破坏范围通常能够直接通至地表，当埋深不断扩大，破坏范围开始从原本的向上发展，逐渐为向开挖前方聚集，相应土拱效益也愈发明显。总体而言，埋深越浅，盾构开挖面越稳定，反之，盾构开挖面崩塌的风险也就越高。通过了解这一点，能够实现对开挖面稳定性更加良好的控制。二是砂土内摩擦角对开挖面稳定性的影响，一般而言，随着内摩擦角的不断增大，开挖面的破坏变形也将越小，并且最大变形位置也在逐渐上移，并且土体极限支护力也就越小，相应开挖面也就越来越稳定。三是渗透系数对盾构开挖面稳定性的影响，渗透系数对于土质渗透能力大小有着重要的影响，因此通过研究渗透系数对开挖面失稳破坏与支护力的影响，能够实现盾构开挖面稳定性更好的控制。一般而言，砂土的渗透系数越大，相应对于开挖面的破坏变形也就越小，并且从变形范围上来看，也开始从向上贯通转为水平方向的发展。与此同时，在渗透系数不断增大的条件之下，开挖面孔隙压力也会逐渐减小，但开挖面的水平位移会逐渐增大，而对于开挖面失稳破坏临界点所对应的支护力比值而言，则会逐渐减小。从渗透系数对于开挖支护应力的影响来看，一般支护力比大于0.25时，开挖面的水平位移就会逐渐减少，以下是不同支护系数下开挖面极限支护力的数值，当渗透系数为1e-4m/s时，极限支护力为76kpa;当渗透系数为1e-5m/s时，极限支护力为94kpa;当渗透系数为1e-6m/s时，极限支护力为86kpa;当渗透系数为1e-7m/s时，极限支护力为102kpa。通过了解这一极限支护力，更有助于实现对开挖面的安全稳定性控制。

（二）渗流作用下灰岩地层盾构施工开挖面稳定性及控制分析

针对于该地层的盾构施工开挖面稳定性及控制分析，选择的参数条件同上文一致。同样需要分析各种影响因素。一是埋深对于开挖面稳定性的影响，一般而言，在不同埋深下，其对于开挖面稳定性破坏均有着一致的规律，通常都是自开挖面开始，逐渐向地表进行扩展，其中针对于最大变形位置，通常位于开挖面前部的下方，随着埋深的逐渐增大，在针对开挖面稳定性破坏范围方面，开始从向上，慢慢转为向开挖面前方积聚，土拱效益愈发明显。并且在不同埋深下，开挖面的极限支护力也在随之发生变化，通过了解这一极限支护力，更有助于进行开挖面稳定性控制。一般而言，当埋设为10m时，极限支护力为45kpa;当埋设为15m时，极限支护力为47kpa;当埋设为20m时，极限支护力为53.2kpa;当埋设为25m时，极限支护力为53.4kpa;当埋设为30m时，极限支护力为53.3kpa。二是灰岩内摩擦角对开挖面稳定性带来的影响，随着内摩擦角的不断增大，开挖面的破坏变形也将越小，并且最大变形位置也在上移，并且土体极限支护力也就越小，相应开挖面也就越来越稳定。三是渗透系数对于开挖面的稳定性影响，一般而言，渗透系数不同，开挖面孔隙压力也表现为相同的规律，并且从开挖面孔隙压力值来看，整体区别也并不明显。伴随着随着渗透系数的增大，开挖面水平位移也会逐渐增大，从开挖面破坏范围来看，其开始从全断面破坏转向为部分破坏。渗透系数对于开挖面变形有效较大的影响，当渗透系数越来越大时，开挖面的水平位移开始先减少，然后缓缓呈向逐渐增大的方向发展。针对于最大水平位置，通常是在开挖面中下部2m位置。从渗透系数对于开挖面极限支护力影响来看，当渗透系数为1e-4m/s时，极限支护力为88.95kpa;当渗透系数为1e-5m/s时，极限支护力为83.2kpa;当渗透系数为1e-6m/s时，极限支护力为74.3kpa;当渗透系数为1e-7m/s时，极限支护力为73.1kpa。通过了解这一极限支护力，更有助于实现对开挖面的安全稳定性控制。

总结：综上所述，在实际开展盾构施工过程中，一旦出现开挖面坍塌问题，不仅会对施工人员生命安全造成严重的威胁，还会对整体施工进度造成不利影响，因此在实际施工时，需要充分考虑不同地质的渗流作用对开挖稳定性的影响，从而才能更好的进行开挖面稳定性控制，有效保护开挖面的安全。