建筑偏载下大直径盾构隧道开挖面稳定性数值模拟分析

沈 雯

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

盾构法凭借自身的突出优势，成为了目前城市地铁建设中最主要的一种施工技术，在实际施工过程中，能否稳定控制开挖面，决定了开挖能否安全顺利地进行，而开挖面的稳定性又取决于开挖面支护力的控制和确定。通常情况下，支护力过大会使土体隆起，支护力过小则会引起土体发生沉降，甚至造成地层的坍塌。近些年来，我国由于盾构施工过程中开挖面支护力施加不当而造成的施工事故屡次发生。

国内外学者在研究开挖面失稳破坏模式的基础上总结了许多理论计算模型，主要包括塑性极限分析理论和楔形体计算模型理论。Broms等[1]最早提出了黏土地基不排水开挖面稳定系数法；Horn[2]提出了三维楔形体模型的概念，指出通过对楔形体的力学特征进行分析可以求得作用在楔形体上的泥浆支护力的取值范围；Anagnostou等[3]基于上述的三维楔形体计算模型，假定土层为均质的，提出了考虑土压平衡盾构施工过程中，地下水渗流产生的渗透力对楔形体的影响；魏纲等[4]对三维楔形体计算模型进行了修正，提出了梯形楔体计算模型。通过算例分析表明，梯形楔体计算模型计算得到的最小支护应力小于楔形体计算模型，计算结果更接近离心模型试验结果[5]；Mair[6]采用离心模型试验研究了饱和软黏土地层的开挖面稳定性，研究结果表明：由于黏聚力的存在，开挖面失稳的区域大大增加，呈现出“盆”状沉降槽；汤旅军等[7]基于离心模型试验对密实砂土地层中盾构隧道开挖面稳定性进行研究，研究结果表明：随着开挖面位移的增大，开挖面支护力先减小为极限值，而后逐渐增大并最终趋于残余值；丁菲[8]采用离心模型试验对水下盾构隧道开挖面失稳过程进行模拟，揭示了盾构隧道在开挖面失稳过程中前方区域土拱效应的发展及开挖面渐进破坏过程；马忠武等[9]基于透明土技术开展模型试验，研究了隧道前方纵断面土体位移矢量、沉降槽和破坏模式，研究结果表明：开挖面失稳后土体以垂直位移为主，浅埋时土体破坏呈现“楔”形，破坏面延伸至地表，深埋时扰动范围向开挖面变窄，并出现压力拱，扰动体呈现为“筒仓”形。

朱伟等[10]采用FLAC 3D研究了砂土中盾构开挖面变形与破坏模式，研究结果表明：砂土地层开挖面失稳时，开挖面附近破坏区域呈“楔”形，其上为“烟囱”状，当埋深较大时，开挖面破坏发展不到地表面，表现为局部破坏；秦建设等[11]采用FLAC 3D研究了黏土中盾构开挖面变形与破坏模式，研究结果表明：黏土开挖面失稳表现为“鼓出”状，开挖面失稳影响区域较大。由于土拱作用的存在，开挖面破坏表现为局部破坏，使开挖面坍塌未发展到地表；许春彦[12]基于FLAC 3D软件建立了数值计算模型，分别研究了在砂土和黏土地层中进行盾构施工时开挖面稳定性问题，同时对隧道埋深、直径及土层材料对地表沉降规律、开挖面极限支护力、开挖面失稳后隧道地层变形状态进行了敏感性分析；陈东海[13]依托长沙市某盾构隧道工程，建立了盾构掘进过程中颗粒的离散元力学模型，通过改进掘进面支护压力，研究了砂卵石地层盾构掘进面的失稳机理。

综上所述，既有相关研究主要集中于不考虑地表建筑荷载条件下的盾构开挖面失稳机制，而实际上盾构在城市核心区施工过程中，将不可避免地接近既有建筑物结构，位于盾构侧方的建筑物无疑会造成地表偏载。建筑物结构荷载无疑会增加地层的附加荷载，造成开挖面的不平衡荷载，对开挖面的控制产生影响。因此，有必要进一步研究在建筑偏载作用下的盾构开挖面失稳演化规律，为盾构隧道开挖面控制提供技术支撑。

1 大直径盾构隧道开挖面数值建模

通过采用Plaxis 3D数值模型，构建在受建筑偏载下的大直径盾构隧道开挖面演化三维数值模型。构建的三维模型尺寸为150 m（长）×100 m（宽）×80 m（高），采用大直径盾构施工，盾构已经掘进15 m，直径为14.26 m，盾构隧道轴线埋深也为14.26 m，即考虑盾构埋深在0.5D（D为隧道直径）浅埋工况下。地表建筑为民房建筑，基础为矩形平面的浅基础，建筑物的长边和短边分别为30 m和20 m，盾构开挖面到建筑物边缘的距离为2 m，建筑物长边和盾构外缘在同一线上。建筑物和盾构相关平面和三维有限元模型如图1、图2所示。考虑到建筑物为8层，其地基荷载为350 kPa。

图1 建筑物与盾构平面相对位置示意（单位：m）

图2 三维有限元模型

大直径盾构位于上海软黏土层施工，由于本文主要为研究开挖面与地表建筑偏载的影响，因此假定土层为均一的上海软黏土地层。淤泥质黏土具有应变软化、刚度下降的特点，因此，小应变（HS-Small）模型土体本构模型考虑土体的受力变形。该本构模型可以反映土体在受力过程中刚度弱化的效应。相关土体参数取值如表1所示。本文暂不考虑盾构本身的变形，因此考虑其为刚度结构。为对比分析建筑荷载对开挖面的影响，同时对地表无建筑的情况进行建模分析。

表1 淤泥质黏土的HS-Small模型参数

开挖面支护压力分布考虑为均布，这和泥水盾构施加的均匀泥水压力一致。计算模型考虑支护比从1.0减少到0.1之间变化过程中，大直径盾构开挖面的演化发展历程。

2 结果分析

2.1大直径开挖面变形演化分析

图3为地表无建筑荷载时大直径盾构开挖面总位移发展演化云图。

图3 地表无建筑荷载时开挖面总位移发展演化云图

由图3可见，当开挖面支护压力与地层静止侧向压力相等时，开挖面总位移仅为1～2 mm，开挖面稳定性极好，盾构掘进对地层的扰动小；随着开挖面支护比从1.0下降至0.4时，开挖面正前方的土体位移逐渐发展，但是开挖面基本保持较为稳定的状态，最大开挖面位移从2 mm增加值10 mm。当开挖面支护压力进一步减小为0.2时，发现开挖面前方土体位移迅速发展，最大土体位移在开挖面前方，最大位移达到了56 mm，此时土体位移场仍然集中于开挖面前方；而当开挖面支护压力比降至0.1时，土体位移发展至地表，影响范围明显增大，在开挖面前方土体位移达到260 mm，此时开挖面有失稳的趋势。

图4为地表有建筑荷载时开挖面总位移发展演化云图。对比图3可以发现，盾构前方建筑的存在对开挖面变形演化有重要的影响。观察图4（a）～图4（d）可见，地表建筑物引发地层附加荷载和附加位移，当开挖面支护比为0.6～1.0时，地表建筑的存在对开挖面位移发展影响不大，而开挖面支护比进一步降低时，地表建筑荷载逐步与开挖面相互影响，逐渐形成位移的贯通区域，且开挖面前方最大荷载高达20 mm，大于无建筑的情况。这也说明，尽管开挖面前方存在荷载，只要开挖面支护压力保持在静止侧向土压力附近，盾构前方开挖面依然能保持较好的稳定性。

图4 地表有建筑荷载时开挖面总位移发展演化云图

当开挖面支护比降至0.2时，开挖面前方与地表已经形成了类似“喇叭”状的位移贯通区域，土体位移明显增大，开挖面前局部土体位移在110 mm附近；当支护比为0.1时，此时开挖面已经失稳，最大土体位移高达480 mm。对比图4（f）与图3（f）发现，有建筑荷载情况下开挖面失稳影响区域明显大于无建筑的情况。可见，当地表存在不平衡建筑荷载时，盾构开挖面前方土体位移增大，且失稳影响区域远大于无建筑的情况。

2.2开挖面位移分析

进一步对盾构轴线前方侧向位移、深层侧向位移和地表沉降进行分析，以探究地表不平衡建筑荷载对开挖面稳定的影响。图5为盾构开挖面轴线前方土体侧向位移随支护比变化的发展曲线。由图5可见，当支护比大于0.8时，有无地表建筑物2种情况下，轴线处侧向位移基本一致，可见，当盾构开挖面在建筑物下方时，开挖面支护压力比若调整为0.8以上，开挖面可保持较好的稳定性；当支护比逐渐减小时，盾构轴线前方的侧向位移逐步增加，同时发现地表存在建筑时，侧向位移大于无建筑情况下的位移。由侧向位移发展曲线可见，当支护比为0.3时，侧向位移曲线发生明显的转折；当支护比大于0.3，在有无建筑荷载的情况下，开挖面前方的侧向土体位移相差不大；而当支护比小于0.3时，侧向土体位移迅速发展，且有无建筑的情况下侧向土体位移差进一步增加。可见，支护比为0.3是关键的控制性支护比，实际盾构掘进施工时，开挖面的支护比不应小于该值，否则将会导致开挖面的失控发展。

图5 不同支护比下盾构开挖面轴线前方土体侧向位移曲线

由图5发现，当支护比从0.2降到0.1时，地表无建筑情况下，侧向位移从50 mm迅速发展到172 mm；同样地，在地表存在建筑的情况下，侧向位移从96.6 mm急剧发展到306.7 mm。可见，此时开挖面稳定性遭到破坏，开挖面前方土体失稳崩塌。同时发现，在存在建筑物的情况下，开挖面前方土体位移发展远大于无建筑的情况，地表建筑物的存在加剧了开挖面的失稳破坏，因此，在实际软土地基施工过程中，当上方存在建筑物时，较小的支护压力将会造成严重的开挖失稳破坏。

图6和图7分别为地表有建筑和无建筑情况下，盾构开挖面前方土体侧向位移随深度的变化发展曲线。由图6和图7可见，随着支护比降低，深层土体侧向位移逐步发展，侧向位移曲线类似于“凸肚”形，且位移变化范围主要在盾构开挖面范围内。同时发现当支护比大于0.3时，土体侧向位移相对较小，而当支护比小于0.3时，土体侧向位移迅速发展。

图6 地表有建筑情况下盾构开挖面前方土体侧向位移随深度的变化发展曲线

图7 地表无建筑情况下盾构开挖面前方土体侧向位移随深度的变化发展曲线

为进一步对比建筑是否存在对深层土体的侧向位移的影响，给出了0.1～0.4支护比下深层土体的侧向位移曲线，如图8所示。

图8 不同支护比下有无建筑物的盾构开挖面前方土体侧向位移曲线

总体而言，地表存在建筑的情况下，深层土体的侧向位移大于无建筑物的情况。当支护比从0.4下降至0.1时，地表有建筑时的最大土体深层位移分别是无地表荷载的2.0、1.8、2.0和1.9倍。可见，地表建筑物将会加剧深层土体的侧向位移发展。

2.3开挖面前方地表沉降分析

当开挖面支护压力下降，将会导致前方土体位移发展。图9和图10分别为无地表建筑和有地表建筑物开挖面前方的地表沉降发展曲线。由图9可见，在地表无建筑时，随着支护比下降，开挖面前方土体逐步发生沉降，沉降曲线类似于“勺子”形，最大沉降点在盾构开挖面前方5 m位置处，沉降发生范围在盾构开挖面前方15 m范围内，约为1倍盾构隧道直径。当支护比为0.2时，地表沉降最大，最大沉降值为5.3 mm。

图9 无地表建筑时盾构开挖面前方的地表沉降发展曲线

图10 有地表建筑时盾构开挖面前方的地表沉降发展曲线

当存在地表建筑物时，盾构开挖面前方地表沉降槽曲线略有波动，可能是受到附近建筑荷载影响所致，但是整体上地表沉降曲线类似于“勺子”形分布。同时对比发现，有建筑物时地表沉降量均远大于无建筑时地表沉降量。当支护比为0.2时，地表最大沉降量达到26.6 mm，是无建筑条件下沉降的5倍左右。可见当地表存在建筑时，其地表沉降量明显增大。

图11为支护比为0.1时盾构开挖面前方的地表沉降分布示意。当支护比为0.1时，盾构开挖面已经失稳。此时，有无地表建筑的沉降槽曲线基本一致，最大沉降量分别为75 mm和81 mm，二者相差不大，最大沉降均位于开挖面前方5 m处。

图11 支护比为0.1时盾构开挖面前方的地表沉降分布示意

3 结语

通过建立地表偏载下盾构开挖面稳定性分析三维模型，分析了在软黏土地层中地表有无建筑荷载下盾构隧道的受力演化规律，得到的主要结论如下：

1）当支护比在0.6～1.0时，地表是否存在建筑对开挖面位移发展影响不大；当开挖面支护比降至0.2时，开挖面前方与地表已经形成了类似“喇叭”状的位移贯通区域，盾构开挖面前方土体位移增大，且失稳影响区域远大于无建筑的情况。

2）当支护比为0.3时，侧向位移曲线发生明显的转折；当支护比大于0.3时，对于有无建筑荷载的情况而言，开挖面前方的侧向土体位移相差不大；而当支护比小于0.3时，侧向土体位移迅速发展，且有无建筑的侧向土体位移差进一步增加。支护比为0.3是关键的控制性支护比，实际盾构掘进施工时，开挖面的支护比不应小于该值，否则将会导致开挖面的失控发展。

3）随着支护比降低，深层土体侧向位移逐步发展，侧向位移曲线类似于“凸肚”形，且位移变化范围主要在盾构开挖面范围内。同时发现当支护比大于0.3时，土体侧向位移相对较小，而当支护比小于0.3时，土体侧向位移迅速发展。

4）随着支护比下降，开挖面前方土体逐步发生沉降，沉降曲线类似于“勺子”形，最大沉降点在盾构开挖面前方5 m位置处，有建筑情况的沉降范围和沉降量均大于无建筑的情况。