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不同支护作用泥水盾构开挖面极限支护应力与破坏形式分析

摘 要:围绕泥水盾构开挖面上极限支护应力与开挖面破坏形式的关系,采用数值软件模拟不同支护作用下开挖面的破坏状态。结果表明:开挖面破坏可分为稳定、屈服、破坏 3 个阶段,利用应力位移曲线可得到开挖面的极限支护应力;开挖面土体发生主动破坏时,滑裂面从开挖面底部延伸至地表,而发生被动破坏时滑裂面则从开挖面中部发展至地表;不同支护作用下开挖面的极限支护应力可作为泥水盾构气压及泥浆压力大小设置的参考。
1 引言
  在盾构隧道建设过程中维持开挖面的稳定是工程顺利进行的前提。泥水盾构采用加压泥浆或气压的方式平衡地层土水压力以保障开挖面的稳定,当开挖面支护压力与土水压力相差过大时,将引起开挖面失稳造成工程事故。如荷兰Heinenroord 第二隧道在施工时因泥浆压力设定过大导致开挖面发生被动破坏;南京纬三路过江通道带压开舱检修时,因气压设定过大气体冲破开挖面,江底坍塌形成巨坑。开挖面上极限支护应力与开挖面的破坏形式关系已成为工程界和学术界关注的重点。
  众多学者针对泥水盾构开挖面极限支护应力及破坏形式进行了大量研究。学者裴红军改进了“楔形体”渗透模型,解决了开挖面存在不同土层时的泥浆渗透问题,使用极限平衡法计算泥浆被动破坏支护力。学者赵红泽等通过简化“楔形体”模型,引入影响开挖面稳定的参数,采用线性拟合的方法得到极限支护力的简化计算方法。
  学者秦建设采用 FLAC 3D数值模拟的方法,开展盾构隧道开挖面稳定性研究,提出开挖面土体位移随支护应力的降低而增加,当支护应力减小到一定程度后位移会发生突变,将此时的支护应力作为开挖面主动极限支护应力。随着长、大水下隧道的大规模建设,高水压、浅覆土、高渗透性地层等将造成泥水盾构开挖面的稳定性控制难题,有必要针对开挖面上极限支护应力与破坏形式间的关系进行研究。
  本文以某泥水盾构过江隧道为例,运用 FLAC 3D 数值分析方法,对泥水盾构隧道开挖面支护应力与破坏形式进行分析,以获得基于极限平衡状态下的开挖面极限支护应力范围。
2 工程概况及模型建立
  某泥水盾构越江隧道全长约 3186m,过江段长约 1500m,过江段地层复杂多变:江中部分地段上部为粉细砂层,下部为风化砾岩、胶结砾岩等复合地层。
  选取江中段带压开舱处位置为计算断面,该断面上部为6.1m 粉细砂层,下部为 6m 强风化砾岩层。取隧道竖向中心线一侧进行分析,模型边界设为距隧道 3~5 倍洞径。地表不受约束外其余面均固定。
  模型如图 1 所示,土体应力应变服从摩尔-库伦准则,各土层物理力学参数如表 1 所示。
  分别施加全断面加压泥浆和气压+加压泥浆 2 种不同支护作用,以模拟泥水盾构正常掘进、带压开舱 2 种不同工况。逐级减小(增大)开挖面支护应力,当开挖面中心点位移发生急剧变化时,说明  开挖面发生失稳破坏,此时中心点的支护应力即为主动(被动)极限支护应力。
3 计算结果与分析
3.1 极限支护应力分析
  支护应力比 γ 和位移直径比可反映支护应力与地层土水应力的差异以及开挖面中心位移变化程度: 
  式中,σs 为中心点支护应力;σ0 为中心点土水应力;Sy 为中心点轴向位移;D 为隧道直径。
  在泥水盾构带压开舱工况下,绘制支护应力比 γ 与中心点位移直径比 δ 的曲线如图 2 所示。
  开挖面主动(被动)破坏过程可分为 3 个阶段,以开挖面被动破坏为例:随着支护应力逐渐增大,开挖面中心点位移缓慢增加,此阶段支护应力变化引起的开挖面中心位移变化不明显,开挖面处于“稳定阶段”;此后开挖面中心点位移对支护应力的变化较为敏感,微小的支护应力变化引起开挖面中心点位移持续增加,为“屈服阶段”;随着支护应力的继续增大,隧道开挖面中心点位移急剧增加,该阶段开挖面已发生失稳破坏,为“破坏阶段”。沿“稳定阶段”与“破坏阶段”做两曲线的切线,切线交点的横坐标为主动(被动)极限支护应力比 λ。2 种不同支护作用下开挖面主动(被动)破坏极限支护应力如表 2 所示。
3.2 开挖面破坏形式分析
  根据 FLAC3D 计算结果,生成 2 种不同支护作用下的开挖面位移图如图 3 和图 4 所示。
  从 2 种不同支护作用下开挖面位移云图可以看出:当开挖面发生主动破坏时,滑裂面从隧道底部贯通至地表,开挖面土体位移较大的区域集中在开挖面的中部和下部;当开挖面发生被动破坏时,滑裂面从隧道中部贯通至地表,开挖面土体位移较大的区域集中在隧道上半部分,最大位移区域在隧道拱顶处,表明当开挖面发生被动破坏时首先破坏的部位在隧道拱顶处。
4 结论
  以某泥水盾构过江隧道工程为例,对 2 种支护作用下开挖面的极限支护应力及主动、被动破坏形式差异进行分析,得到以下结论:
  1)泥水盾构隧道开挖面失稳破坏可分为 3 个阶段:
 “稳定阶段”“屈服阶段”和“破坏阶段”;通过不同阶段间的曲线变化关系能得到开挖面的主动(被动)破坏极限支护应力。
  2)泥水盾构隧道开挖面发生主动破坏时,土体滑裂面从隧道底部贯通至地表,土体位移较大的区域集中在开挖面中、上部;开挖面发生被动破坏时,土体滑裂面从隧道中部贯通至地表,土体位移较大的区域集中在开挖面上部,最大土体位移发生在隧道的拱顶处。
  3) 本过江段隧道开挖面发生主动破坏的最大极限支护应力为 261.3kPa,发生被动破坏最小极限支护应力为 1206.9kPa,为保证江底段隧道顺利通过,泥水盾构气压及泥浆压力大小设置可参考此范围。

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