隧道盾構(gòu)法施工開挖面穩(wěn)定性研究方法

隧道盾構(gòu)法施工開挖面穩(wěn)定性研究方法評(píng)析摘　要:隨著隧道技術(shù)的發(fā)展,盾構(gòu)隧道成為城市地下工程施工的主要施工方法,而盾構(gòu)在推進(jìn)過程中開挖面穩(wěn)定性的研究未能引起關(guān)注,本文就開挖面穩(wěn)定性的研究方法作出評(píng)析與比較,從而更好地指導(dǎo)開挖面穩(wěn)定性的研究工作。關(guān)鍵詞:隧道盾構(gòu);推進(jìn);開挖面穩(wěn)定1引言 盾構(gòu)隧道技術(shù)是城市地下工程施工對(duì)周圍地層擾動(dòng)最小的施工方法,已成為我國(guó)城市地鐵隧道施工中一種重要的施工方法。同其他施工方法一樣,由于地質(zhì)條件和施工工藝的限制,很難避免盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng),甚至導(dǎo)致過大的地面沉降。而這種環(huán)境的破壞主要取決于盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定性,所以開挖面的穩(wěn)定是盾構(gòu)施工的一個(gè)重要問題。雖然圍繞這一問題已做了不少的研究工作,但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變及施工參數(shù)的變化,使得研究成果具有一定的局限性,為此本文綜合地評(píng)析了盾構(gòu)法施工開挖面穩(wěn)定的研究方法,以期更好地指導(dǎo)對(duì)開挖面穩(wěn)定性的研究工作。2隧道盾構(gòu)法開挖面穩(wěn)定的研究方法2.1開挖面穩(wěn)定系數(shù)法 許多學(xué)者已經(jīng)描繪了隧道開挖面的破壞機(jī)制,通過理論分析或是經(jīng)驗(yàn)以穩(wěn)定系數(shù)Ｎ的形式提出了保持開挖面穩(wěn)定所需支持力的計(jì)算公式,Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ[1] (1967)提出了粘性土穩(wěn)定的確定方法。Ｎ=(σｓ+γＨ-σｔ)/Ｓｕ(1)γ:土體單元的重力;Ｄ:盾構(gòu)直徑;Ｓｕ:盾構(gòu)軸心處土體的不排水剪切強(qiáng)度;σｓ地面荷載;Ｈ:地表到盾構(gòu)軸心處距離;σｔ:盾構(gòu)面支持應(yīng)力;當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)Ｎ<6時(shí),開挖面穩(wěn)定。Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎ ｎｅｒｍａｒｋ所定義的穩(wěn)定系數(shù)是一種安全系數(shù),相反較高的穩(wěn)定系數(shù)卻對(duì)應(yīng)于較低的安全系數(shù),而實(shí)際上安全系數(shù)又不容易確定。Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ還指出:當(dāng)(Ｈ/Ｄ)=1.5時(shí),Ｎ=5～7開挖面處于穩(wěn)定,可以看出盾構(gòu)埋深與直徑的比值是一個(gè)重要影響因子,所以隨著這個(gè)比值的不同穩(wěn)定系數(shù)也會(huì)有很大的波動(dòng)。Ｋｉｍｕｒａ和Ｍａｉｒ(1981)通過固結(jié)粘性土的離心試驗(yàn),針對(duì)開挖面的穩(wěn)定給出了較大的穩(wěn)定系數(shù)取值范圍,并且證實(shí)了取決于埋深的開挖面穩(wěn)定系數(shù)在Ｎ=5～10。然而,Ｒｏｍｏ和Ｄｉａｚ[2] (1981)意識(shí)到穩(wěn)定系數(shù)并不能詳細(xì)地反映開挖面的實(shí)際穩(wěn)定性,所以為穩(wěn)定系數(shù)提出了一個(gè)安全系數(shù),定義為土體的剪切強(qiáng)度與最大剪應(yīng)力的比值,指出開挖面破壞的范圍在Ｎ=6～7,而基于安全系數(shù)的開挖面穩(wěn)定系數(shù)在6.5左右。盡管這些結(jié)果與Ｐｅｃｋ(1969)所論述的有很好的相關(guān)性,但應(yīng)指出:這些是建立在土體是非線性彈性材料,在盾構(gòu)推進(jìn)過程中不存在滑移假定基礎(chǔ)之上的。1980年Ｄａｖｉｓｅｔａｌ.[3]在研究了在隧道開挖面的穩(wěn)定性時(shí),利用Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ所提出的穩(wěn)定分析的極限實(shí)例,得出盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中開挖面穩(wěn)定時(shí)兩個(gè)下限解。Ｎ=4ｌｎ(2Ｃ/Ｄ+1)(2)Ｎ=2+2ｌｎ(2Ｃ/Ｄ+1)(3)Ｎ:穩(wěn)定性系數(shù);Ｃ:盾構(gòu)埋深Ｄ:盾構(gòu)的直徑;雖然穩(wěn)定系數(shù)法得到了一系列的改進(jìn),表達(dá)形式多樣化,但始終沒有考慮到滲透力對(duì)開挖面的影響,適合無地下水施工條件中的計(jì)算。同時(shí)也因沒有考慮到弧效應(yīng)過高地估計(jì)了破壞力,今后開挖面穩(wěn)定系數(shù)法的研究工作也應(yīng)包括這兩個(gè)方面。2.2極限平衡法Ｈｏｒｎ于1961年根據(jù)筒倉(cāng)理論提出計(jì)算模型如圖(1),圓形開挖面的面積和正方形面積大致相等,即(楔形體的寬)Ｂ=(π/4)Ｄ,國(guó)外的學(xué)者有的采用計(jì)算模型:Ｂ=Ｄ或Ｂ=1.8Ｄ。Ｇ.Ａｎａｇｎｏｓｔｏｕ和Ｋ.ｋｏｖａｒｌ[4]利用此模型研究開挖面的穩(wěn)定問題,從而簡(jiǎn)化了三維開挖面穩(wěn)定的破壞機(jī)制,計(jì)算開挖面穩(wěn)定時(shí)所需的支持力是通過考慮楔形體和棱柱體極限平衡得出的。其中較為困難的一步就是計(jì)算模型的水頭場(chǎng),同時(shí)還要考慮盾構(gòu)隔板不排水性。應(yīng)用三維有限元可以確定,求水頭場(chǎng)的目的在于計(jì)算滲流力對(duì)開挖面穩(wěn)定的影響,當(dāng)滲透力能夠計(jì)算以后,最后在水平方向列出極限平衡方程,反復(fù)迭代ｗ,從而求出開挖面穩(wěn)定時(shí)所需最大的支持力。ｃ(土體粘聚力)ｆ(土體摩擦角)對(duì)支持力的大小起決定性作用,但Ｇ.Ａｎａｇｎｏｓｔｏｕ和Ｋ.ｋｏｖａｒｌ的計(jì)算模型只適用于同一種土,ｃ,φ不能直接取均值,而且也未考慮隧道的弧效應(yīng)。筆者認(rèn)為應(yīng)對(duì)極限平衡法計(jì)算模型作出改進(jìn),將楔形體按土層分成ｎ個(gè)隔離體,每個(gè)隔離體都是同性土。這種處理方法能夠很好的解決開挖面楔形體不同種土層的問題,ｃ,φ值可以直接取。每個(gè)隔離體受到上下隔離體的合力作用,在水平和垂直方進(jìn)行向合力為零的分析,從而得出最大的支持力作為實(shí)際掘進(jìn)過程中最小的支持力。極限平衡法可以考慮到滲透的作用,使得計(jì)算更加符合有地下水的施工條件。2.3試驗(yàn)研究方法程展林等人[5]通過模型試驗(yàn),對(duì)泥漿盾構(gòu)施工中泥漿維持開挖面穩(wěn)定的力學(xué)機(jī)理,開挖面前緣土體的應(yīng)力變化規(guī)律,泥漿壓力作用機(jī)理及泥皮形態(tài)進(jìn)行了研究,認(rèn)為在中粗砂地基中,泥水式盾構(gòu)挖掘隧道,通過泥漿壓力的作用,是可以保持開挖面穩(wěn)定的,提出了中粗砂地基中臨界泥漿壓力公式:Ｐｎｆ=(0.6～0.7)ｔｇ2(45°-φ′/2)(σν-ｕ)+ｕ(4)φ′:地基土有效內(nèi)摩擦角;ｕ:孔隙水壓力;σν:為上覆土體豎向應(yīng)力;(0.6～0.70):反映砂土地基的拱效應(yīng)。這種方法考慮到了拱效應(yīng)和孔隙水壓對(duì)穩(wěn)定的影響,與國(guó)外最簡(jiǎn)單的泥漿壓力按地下水所產(chǎn)生的靜水壓力再加上20ｋＰａ來確定臨界壓力的方法相比考慮更為全面且符合實(shí)際情況。離心試驗(yàn)作為研究隧道開挖面穩(wěn)定性的方法在國(guó)外較為常見。ＰｉｅｒｒｅＣｈａｍｂｏｎ[6]根據(jù)離心實(shí)驗(yàn)研究無粘性土盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定性,指出最重要的影響參數(shù)是盾構(gòu)直徑,最小的支持力隨著隧道直徑線性增大,如圖(2),并給出了開挖面的破壞形態(tài)是泡狀的,指出應(yīng)變主要集中在泡的邊界面上,如圖(3)。但離心機(jī)中的小規(guī)模試驗(yàn)并不能很真實(shí)地反映實(shí)際條件,只能模擬最壞的設(shè)置條件。2.4有限元法許多評(píng)判開挖面穩(wěn)定性的方法是基于極限方法、靜態(tài)方法計(jì)算的,這是趨于粗糙的估算。有限元在土工數(shù)值計(jì)算中廣泛應(yīng)用,能夠更加準(zhǔn)確的模擬真實(shí)的施工條件。目前國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者用有限元研究隧道開挖面的穩(wěn)定性。王敏強(qiáng)[7]等人采用三維非線性有限元模擬盾構(gòu)推進(jìn)的過程,提出了計(jì)算模型,可以應(yīng)用到研究開挖面穩(wěn)定的研究中。Ｂｕｈａｎｅｔａｌ[10]描繪了ＥＰＢ開挖面的三維有限元計(jì)算模型,在計(jì)算模型中包括了滲透力作用在開挖面上,針對(duì)直徑為8ｍ盾構(gòu)機(jī)的開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)開挖面的穩(wěn)定安全系數(shù)只與水平和垂直方向的滲透系數(shù)的比值有關(guān),密度對(duì)其影響很小。而ＰｉｅｒｒｅＣｈａｍｂｏｎ[8]指出三維模型能夠獲得滿意的效果,二維方法由于沒有考慮弧效應(yīng)過高地估計(jì)了破壞壓力,基于理論和實(shí)踐盾構(gòu)開挖面的破壞范圍大致相似,而不同的就在于垂直方向上的范圍。針對(duì)三維能夠取得很好的模擬盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)土體的受力情況,筆者認(rèn)為應(yīng)用有限元法時(shí)三維有限元應(yīng)優(yōu)先選擇。3結(jié)語和展望 本文較為系統(tǒng)地對(duì)國(guó)內(nèi)外隧道盾構(gòu)法開挖面的研究成果進(jìn)行分類,并給予了詳盡的評(píng)價(jià),為以后學(xué)者的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。筆者相信:隨著我國(guó)地鐵建設(shè)逐步開展,城市地下工程施工技術(shù)的研究開發(fā)已成為一個(gè)重要的課題。盾構(gòu)隧道施工以其具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)已受到了各方面的注目[9],可以預(yù)計(jì)盾構(gòu)施工方法日后在中國(guó)大地上會(huì)得到飛速的發(fā)展。計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展必將會(huì)大大的促進(jìn)了隧道盾構(gòu)法開挖面穩(wěn)定性的研究,從而更好地指導(dǎo)盾構(gòu)法隧道的施工。參考文獻(xiàn):[1]　Ｃｈａｍｂｏｎ,Ｐ.ａｎｄＣｏｒｔｅ,Ｊ.Ｆ.,“Ｓｈａｌｌｏｗｔｕｎｎｅｌｓｉｎｃｏｈｅ ｓｉｏｎｌｅｓｓｓｏｉｌ:Ｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｕｎｎｅｌｆａｃｅ,”[Ｊ].Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ ＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙＣｉｖｉｌＥｎｇｉ ｎｅｅｒｓ,Ｖｏｌ.120,ｐｐ.1148～1165,1994[2]　Ｒｏｍｏ,Ｍ.Ｐ.ａｎｄＤｉａｚ,Ｃ.Ｍ.,“ＦａｃｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄＧｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｉｎＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇ,”[Ｃ].Ｐｒｏｃ.Ｏｆｔｈｅ10ｔｈＩｎｔ’ｌＣｏｎｆ.ｏｎＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,Ｖｏｌ.1,Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ,ｐｐ.357～360,1981[3]　Ｅ.Ｈ.Ｄａｖｉｓ,Ｍ.Ｊ.Ｇｕｎｎ,Ｒ.Ｊ.Ｍａｉｒ,ａｎｄＨ.Ｎ.Ｓｅｎｅｖｉ ｒａｔｎｅ,“Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｈａｌｌｏｗｔｕｎｎｅｌｓａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｏｐｅｎｉｎｇｓｉｎｃｏｈｅｓｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌ.”[Ｊ].Ｇｅｏｔｅｔｅｃｈｎｉｃａｌ,30(4):397-416,1980[4]　Ｇ.ＡｎａｇｎｏｓｔｏｕａｎｄＫ.Ｋｏｖａｒｌ[Ｊ].“ＴｕｎｅｌｉｎｇａｎｄＵｎｄｅｒｇ 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