砂性土地层盾构隧道开挖面稳定性影响因素分析

周利梅，田卫明

(重庆电讯职业学院 重庆 402247)

当下，地下空间的开发随着城市的急剧扩张越来越广泛，大直径、埋置深、地下水位高等复杂地质条件的盾构隧道越来越多，而当盾构隧道施工行进到复杂地质条件区段时多会发生由于支护力支持不足引发的周围土体坍塌或地面突起等问题，由于支护力不足导致开挖面失稳的影响因素很多且不同因素的影响严重程度也大大不同，因此，本文针对这些影响因素在砂性土复杂地层当中的作用利用Flac3D展开分析，可以提前掌握隧道施工过程中各种因素导致支护力的变化对土体变形造成的影响和土体失稳时的状态，从而指导施工以降低事故发生的概率。

很多国外学者对开挖面稳定性问题做了大量地理论和试验性研究且已经取得不少研究成果。[1-3]徐前卫等人[4]引入条分法思想推导出可以求得极限支护压力的开挖面稳定极限状态方程。李姣阳[5]利用塑性极限分析上限法推导出了纯粘性土地层开挖面极限支护压力上限解的计算公式，同时结合实例计算得到土体参数影响的规律。李清川、孙志彬、高健、梁禹等人[6-9]依据极限分析上限定理通过试验、数值模拟等方法研究了渗流作用对极限支护压力影响的变化规律。大多学者对单一条件开挖面稳定极限状态进行分析，较少关注各种因素的综合影响，本文对此进行深入分析。

1 模型建立

1.1 模型建立

某工程隧道采用盾构法开挖，开挖直径达13.5m，隧道掘进过程中穿越以砂性土为主的具有丰富地下水的复杂地层，且隧道上部覆盖土层厚度最小为8m，最大可达40余米深。本文结合工程实例具体情况选定隧道直径D为10m。为减小模型

边界效应以及施工中其他因素对计算结果产生的干扰，计算模型尺寸及网络划分如图1所示，隧道上部至地表处即埋深C为20m，地表处也是地下水位所处高度；横向与纵向尺寸分别为60m、90m，垂直方向下方边界距离隧道底部40m，上取至隧道顶部以上20m即地表处；隧道开挖过程模拟一次性开挖长度为20m并对模型边界进行位移和渗流约束。

模型网络采用8节点且被剖分为11610个单元，13113个节点的等参元网络。含地下水的砂土地层考虑为Mohr-Coulomb材料，管片材料采用厚度为0.6m的C50弹性钢筋混凝土材料，并采用liner单元进行模拟。土体材料参数见表1。

图1 LIN总线帧头详细结构

表1 数值模拟土层参数表

1.2 计算说明

2 开挖面失稳破坏模式

通过模型计算分析，当支护比下降至0.425时的土体塑性区单元变化如图2所示，土体位移变化量曲线如图3所示。

图

图3 开挖面中心点位移变化图

图2、图3显示，支护应力比下降到0.425时会突然引起内部应力的大量释放而造成前方土体变形，主要表现为开挖面前方及上部塑性区单元激增，并有急剧扩大至地表的趋势，此时可以认定隧道开挖面前方土体已失稳破坏，其破坏规律大致总结如下：初始支护应力比在0.5～1范围内时施工面前方土体变形量几乎很少，对支护应力比的变化不太敏感；当支护应力比降至0.425～0.5的范围内时，施工面前方土体变形量开始增加且增加的速度较快，对支护应力的变化已经非常敏感，支护力的微量变化都会导致土体位移变化值的急剧增大，恰与模型中塑性区扩大的趋势基本一致；第三阶段隧道所处地层已基本处于失效破坏阶段，此时的极

3 开挖面稳定的影响因素分析

3.1 隧道埋深

在本文中为避免干扰项对分析结果的影响，故只改变隧道埋深而设置其他因素不变，现取埋深C分别为20m、25m、30m、35m、40m五种工况来进行分析。

五种工况条件下极限支护力变化以及土体位移变化量如图4、表2所示，埋深比C/D分别为2和4时施工面破坏后的位移等值线图以及塑性区发展如图5所示。

图4 五种工况对比图

表2 五种工况条件下极限支护力

图5 C/D=2、C/D=4时位移等值线图及塑性图

图4、表2显示，五种工况的破坏失稳趋势基本一致且呈线性关系，C/D由2增加到4时其极限支护力增加了14.4%。由图5显示，当C/D=2时，开挖面前方失稳形态接近于倾角较大的楔形状，破坏地域形似烟囱状并逐步发展到地表；随着埋深比的增大，楔形体的倾角逐渐变小且破坏区域很难发展到地表，对地表扰动较小。这些结论与离心机模型试验结果[10]和文献[11]的计算模型结果较为接近从而验证了此研究方法的合理性。

3.2 土层材料

本文主要研究对施工影响最为敏感的参数内摩擦角，现分析内摩擦角φ分别为25°、30°、35°、40°、45°五种工况时对极限支护力以及失稳状态的影响，分析结果如图6、图7所示。

图6 五种工况对比图

图7 φ分别为25°、45°时开挖面失稳状态

由图6、图7显示，当φ为25°时极限支护力为175kPa，而当φ为45°时其仅为118.75kPa，极限支护力下降明显，降低了32.14%，且与内摩擦角的变化成反相关；当支护比为0.75时，φ为25°的开挖面中心水平位移已接近1m，而当φ为45°时该位移只有56mm，说明在支护力保持一致时，土体的位移变化量值与内摩擦角的变化成反相关且变化

幅度显著。楔形体形状随着内摩擦角的增大发生明显变化，倾角逐渐变大但宽度越来越窄且破坏区域离地表越来越远，不容易扩散发展至地表。

3.3 隧道直径

保证模型其他参数不变，隧道直径D依次选取6m、8m、10m、12m、14m五种工况进行对比分析，结果如图8、表3所示。

表3 五种工况条件下极限支护力

由图8、表3可知，隧道直径由6m增大至14m时，其极限支护力增加了134.78%。当支护比为0.475时隧道直径为6m的水平位移量仅为37mm，而此时隧道直径为14m的位移量已达1m，已处于失稳状态。这充分说明该因素对开挖面稳定的影响非常显著，因此在施工中对于大直径隧道要加强监控量测，保证施工安全。

3.4 地下水位

保证模型其他参数不变，选取水位线分别距离隧道上方0m，5m，10m，15m，20m(地表处)五种工况，分析结果如图9、表4所示。

图9 五种工况对比图

表4 五种工况条件下极限支护力

由图9、表4所示，当水位线由距隧道上方0m上升至地表处时，极限支护力增加了418.29%，由此可见地下水水位高低对施工稳定的影响极大；由表4还可看出，当水位只位于隧道上方0m时，孔隙水压力占极限支护应力的比重为5.49%；而当水位线处于地表处时，砂土呈饱和状态，此时孔隙水压力所占比重上升至22.5%。由此可得出，地下水位的高低决定了渗透力所占比重，两者呈正相关，渗透力对开挖面稳定影响很大。这正好与文献[8]中所得结论相互契合，说明施工中必须要考虑渗透对开挖稳定的影响。

4 结论

本文通过Flac3D软件分析了砂土地层条件下隧道埋深、土层材料、隧道直径以及地下水位因素对盾构隧道开挖面稳定性的影响，得出以下结论：

(1)土体破坏失稳大致有以下规律：初始支护应力比在下降时施工面前方土体位移变化量几乎很少，对支护比的改变不敏感；当支护比降至一定范围内时，施工面前方土体变形量开始增加且增加的速度较快，对支护应力的变化已经非常敏感，支护力的微量变化都会导致土体位移变化值的急剧增大；第三阶段隧道所处地层已基本处于失效破坏阶段，其失稳形态接近于楔形状。

(2)随着隧道埋深的增加，楔形体的倾角逐渐变小且破坏区域很难发展到地表，对地表扰动较小。

(3)在支护力保持一致时，土体的位移与内摩擦角的变化成反相关且变化幅度显著。楔形体形状随着内摩擦角的增大发生明显变化，倾角逐渐变大但宽度越来越窄且破坏区域离地表越来越远，不容易扩散发展至地表。

(4)在砂土地层中隧道直径的大小对开挖面稳定的影响非常显著，在施工中对于大直径隧道要加强监控量测，保证施工安全。

(5)地下水位的高低对开挖面稳定的影响非常显著，而渗透力所占比重也随着水位的升高随之增大。