膨胀性岩土条件下盾构隧道开挖面稳定性研究

谢仁青

福建岩土工程勘察研究院有限公司,福建 龙岩 361000

0 引言

隧道开挖面的稳定性关系到作业安全,稍有不慎就可能引起塌方。膨胀性岩土主要为亲水性的矿物,容易发生胀缩变化,成为影响开挖面稳定性的重要因素,其胀缩机理较为复杂,当前缺乏可靠的数学或物理模型。有限元分析法可用于建立隧道及膨胀土模型,进而确定支护力的设置要求。国内针对膨胀性岩土的隧道开挖面稳定性研究较为匮乏,故结合某工程案例对其开展探究。

1 工程概况

某城市地铁1号线设计为双线圆形隧道,采用土压平衡式盾构机进行施工,隧道设计外径为6.0 m,衬砌管片的厚度为0.3 m,因而内径为5.4 m。该项目部分盾构施工区间的地质结构较为复杂,按照自上而下的顺序,其土层分别为人工填土(厚度5～13.7 m)、淤泥质软土(厚度小于等于5.4 m),黏土和粉质黏土(厚度0.4～3.5 m)、全风化泥质粉砂岩和泥岩(0.6～20 m)。盾构隧道埋深在-12～-30 m,位于全风化膨胀岩土层内,其地质结构与隧道的关系如图1所示。

图1 某地铁盾构隧道地质结构示意图

2 盾构隧道开挖面稳定性分析

在盾构隧道开挖面稳定性分析中,通常采用理论计算、现场实测以及计算机数值模拟3种方法。理论计算以极限平衡法和经验公式法为主,数值模拟主要采用有限元分析法。考虑膨胀岩土的开挖面稳定性数值模拟,本次研究利用ABAQUS软件对开挖面进行有限元分析,评价其稳定性。

2.1 盾构隧道建模

2.1.1 模型尺寸

隧道建立在x、y、z坐标系内,x方向代表隧道宽度(取50 m),y方向代表隧道的掘进方向(取90 m),z方向代表土层厚度(取50 m),模型计算范围是隧道直径的5倍,分别在x、y、z这3个方向设置位移约束。模型中的土体材料设计为三维六面体单元,衬砌设计为壳体结构(厚度为0.3 m)[1]。

2.1.2 设置模型初始条件

初始条件是指初始地应力的平衡条件,可在模型四周设置边界条件,并且这些条件应与工程实际情况保持一致,包括土体载荷、土体产生的侧压力等,初始条件设置为:

σx=σy=K0σz

(1)

σz=γz′

(2)

式中:σx、σy、σz分别为x、y、z方向的初始地应力,z′表示应力在竖直方向的深度,将土体的静止压力系数记为K0,土体重度记为γ[2]。

2.1.3 开挖面支护力表达

隧道支护是开挖过程的必要条件,而支护力是开挖面稳定性分析的重要影响因素。在开挖的初始阶段,静止土体所产生的侧压力σ0为:

σ0=K0γH

(3)

式中:H表示地面到开挖面中心点的垂直距离,可理解为土层厚度。

支护应力σs可表示为:

σs=λK0γH

(4)

式中:λ为支护应力比。

2.1.4 隧道开挖面失稳判断条件

隧道开挖面失稳具有多种判断方法,常用的判断条件为位移突变,即支护应力比(σs/σ0)基本稳定,但开挖面突然出现较大幅度的水平位移,研究过程以位移突变为主要判断条件,同时利用地面沉降、塑性发展区云图等因素进行辅助判断[3]。

2.2 膨胀性岩土理论分析

2.2.1 工程特性指标

膨胀性岩土是指遇水后体积膨胀、失水后体积收缩的地质岩土,岩土胀缩过程非常复杂,当前主要采取4个指标对其进行工程描述,分别为膨胀力、自由膨胀率、无载荷膨胀率以及有载荷膨胀率[4]。

2.2.2 湿度应力场

膨胀土受到雨水、地下水的影响,体积容易出现胀缩,成为影响隧道开挖面稳定性的重要因素。湿度应力场理论可用于描述膨胀性岩土的应力变化,为开挖面稳定性分析提供理论依据[5]。国内科研人员在室内进行膨胀性岩土试验,求出湿度线性膨胀系数α、膨胀土自由膨胀率δef、侧限无载荷膨胀率δH之间的关系,具体为:

(5)

式中:Δw为膨胀过程中的含水率变化;μ是与含水率相关的参数。

2.2.3 膨胀性岩土的数值模型

膨胀性岩土的膨胀机理非常复杂,为了便于进行数值建模,需要设置简化的条件,降低建模难度,基本假设如下。①将含水率的变化区域限定在开挖面前方的特定距离内。②土体线性膨胀系数稳定不变,膨胀率与含水率呈正相关[6]。③土体泊松比和弹性模量稳定不变。

隧道模型的几何参数保持不变,在原本的岩土模型中设置膨胀土的范围,增加膨胀系数,将膨胀土对开挖面的影响进深设置为2.0 m。

2.2.4 确定膨胀系数

岩土的膨胀程度与载荷的大小高度相关,在全风化膨胀岩土上方存在人工填土层和黏土层,载荷限制了膨胀土的膨胀率,建模时认为膨胀率与载荷大小呈线性相关。该地铁工程膨胀性岩土膨胀力和自由膨胀率统计结果如表1所示。根据表述数据,膨胀土的自由膨胀率取均值38.7%,膨胀力取均值52.6 kPa。将不同载荷下的侧限膨胀率记为δ,则为:

表1 地铁项目沿线膨胀性岩土工程特性统计结果

(6)

式中:P为膨胀土所受载荷(与支护力相等)。在式(5)中,将岩土参数Δw和μ分别设定为42、0.3,将相关参数代入,可计算出湿度线性膨胀系数α为0.306。

2.3 数值模拟过程及结果分析

2.3.1 支护应力比与开挖面中心点水平位移模拟结果

模拟结果如图2所示,将开挖面中心点的水平位移变化分为3个阶段。在第一阶段,支护应力比介于1.0～0.3,开挖面中心点的水平位移在0～200 mm,位移量较小,并且位移增幅较为缓慢。在第二阶段,支护应力比介于0.3～0.2,中心点水平位移量在200～310 mm,水平位移增幅加快,临近失稳状态。在第三阶段,支护应力比介于0～0.2,开挖面中心点水平位移量最大可达到760 mm,位移增幅快速升高,进入失稳状态。

图2 开挖面中心点水平位移量与支护应力比的关系

另外,圆点线条部分的含水率变化值为0%,其含义为不考虑膨胀因素,当含水率变化值为10%时,意味着膨胀土吸收水分,发生膨胀作用。从模拟结果来看,膨胀因素加剧了开挖面失稳,中心点水平位移量明显增加。根据以上分析,支护应力比不可低于0.2。

2.3.2 隧道开挖面支护力与地面沉降的关系

隧道开挖面失稳常伴随地面沉降,在模型地表设置一系列观测点,分别沿横向、纵向进行布置,模拟并观察支护力变化与地面沉降量之间的关系。以坐标系原点O为参考点,沿y方向布置纵向观测点,沿x方向布置横向观测点。将支护应力比分别设置为0、0.1、0.2、0.3、0.5、0.8,观察横纵向沉降量,以纵向观测点为例,其沉降量模拟结果如表2。沉降量中的负值表示地面下沉,正值表示地面隆起。该结果表明,地表沉降幅度与支护应力比呈负相关,提高支护应力比有助于提高开挖面的稳定性。

表2 纵向观测点沉降量模拟结果示例

2.3.3 含水率变化对开挖面稳定性的影响

将膨胀性岩土的含水率分别设定为0%、5%、10%、15%,支护应力比从1.0梯度下降至0(单次下降0.1),观察开挖面中心点的水平位移量。模拟结果显示,当支护应力比在1.0～0.3时,4种含水率对应的中心点水平位移曲线基本重合。当支护应力比介于0.3～0.2时,水平位移量出现分叉,与含水率的增加呈正相关。当支护应力比介于0.2～0时,水平位移量达到最大值。0%含水率对应的最大位移量为650 mm,5%含水率对应的最大位移量为700 mm,10%含水率对应的最大位移量为760 mm,15%含水率对应的最大位移量为830 mm,不同含水率下开挖面的极限支护力如表3所示。

表3 不同含水率下开挖面极限支护力

3 工程应用效果

将地铁盾构隧道的实际工况参数设置为模型的边界条件(见表4),同时考虑该项目的全风化膨胀岩土,自由膨胀率取38.7%,膨胀力取101 kPa。按照上文所建立的盾构隧道模型开展开挖面稳定性分析,将支护应力比设置在0～1.0。模拟结果显示,当支护应力比在1.0～0.5时,中心点位移量为0～100 mm,当支护应力比介于0.5～0时,中心点位移量为100～920 mm。判断失稳的条件为开挖面中心点位移超过100 mm,故该项目支护应力比不应低于0.5,否则将产生开挖面失稳的风险。

表4 地铁项目材料参数

4 结束语

膨胀性岩土对隧道开挖面的稳定性具有较大的危害,由于此类地质条件容易出现胀缩,有可能引起较大的应力变化,因此必须设计足够的开挖面支护力。本文建立了隧道开挖面和膨胀土模型,在不同支护应力比条件下模拟开挖面水平位移和地表沉降。经过对比,发现含水率越高时,膨胀土引起的位移量就越大。由此可见,作业时应该设置足够的支护应力比。