郑州砂性地层开挖面稳定数值模拟分析

1　引言

　　盾构法隧道是城市地下空间开发的主要施工方法，由于城市地下管线以及构、建筑物众多，盾构法施工时，保持盾构开挖面稳定，减小盾构施工对土体的扰动是国内外学者研究的重点。
　　目前对于盾构开挖面稳定的研究主要集中在理论分析、模型试验、数值模拟等方面。随着计算机技术的不断发展，数值模拟技术的应用越来越广泛。朱伟等[3]利用能够考虑大变形的拉格朗日有限差分计算程序，对砂土地层土压平衡式盾构施工中开挖面支护应力不足引起开挖面的变形及破坏问题进行了分析研究，探讨了隧道开挖面变形及破坏问题，为砂土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。乔金丽[5]把强度折减法应用于盾构隧道开挖面的稳定性分析中，定义了盾构隧道开挖面稳定安全系数的概念，获得开挖面的稳定安全系数与潜在滑动面，并对影响开挖面稳定安全系数的隧道所在土层参数及开挖面的支护压力、地下水位等进行了分析。分析结果表明：弹性模量、泊松比等土层参数对开挖面稳定安全系数几乎没有影响，但是内摩擦角、黏聚力、开挖面支护压力和地下水位等因素对开挖面稳定安全系数的影响很大。
　　本文以郑州地铁1号线为背景，通过建立有限元数值模型，计算了开挖面的极限支护压力，分析了开挖面土体位移，给出了建议的土仓压力与开挖面稳定控制措施。
2　工程背景
　　本工程为郑州市轨道交通1号线一期土建工程04标区间隧道工程，包括紫荆山站～东明路站及东明路站～民航路站两个区间，采用盾构法施工。盾构掘进施工处于长距离砂性地层中，（14）粉砂、（16）粉砂属于承压水层，稳定性差；隧道在这些土层中施工时阻力较大、盾构机磨损严重，且在粉砂土中易发生流砂，隧道掘进过程中应注意粉性土涌水并引起开挖面失稳和地面沉降，尤其注意土层突发性的涌水和流砂。
3　开挖面稳定计算
　　3.1建立模型
　　建立三维有限元模拟盾构施工过程，模型如图1所示。盾构直径为6.14m，隧道直径D为6m，模型为尺寸50m×40m×40m的长方体。模型中土体按照地质资料进行分层，采用模尔库伦本构模型，管片采用弹性模型。模型土体参数如表1所示。模型边界条件为：模型侧面边界约束侧向位移，模型底部约束上下位移。
　　土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，管片和盾构采用弹性实体模型，考虑管片接缝对隧道衬砌整体强度的削弱作用，取管片密度为2500kg/m3，弹性模量E=3e10Pa，泊松比v=0.2。注浆层厚度取0.15m，考虑为均质、各向同性的线弹性材料，注浆层厚度为0.15m，其弹性模量E=10e6Pa，泊松比v=0.3，盾构长度为6m，弹性模量E=210e9Pa，密度为7900kg/m3泊松比v=0.3。





　　3.2　工况介绍
　　计算工况选取郑州地铁一号线紫金山站到东明路站与东明路站到民航路站的典型地层断面，按照实际隧道埋深进行建模。隧道轴线埋深-20m，土层参数如表1所示。
　　实际工程中，盾构开挖是一个逐渐推进的过程，由于计算中主要研究对象为开挖面稳定，故采用分步开挖计算，每步开挖20m，并在模型中加入盾构和支护结构。开挖面极限支护压力的模拟过程如下：
　　（1）根据实际地层建立原始模型。
　　（2）一步开挖隧道20m，并在模型中添加盾构和管片。同时在开挖面上施加与原始地层静止土压力值近似的梯形支护作用力如图2所示。


　　（3）令开挖面支护压力以一定的幅度缓慢减小，分析支护压力比变化时开挖面中心点的水平位移可得，随着支护压力比的减小，开挖面中心点的水平位移逐渐增大。当支护压力比变化很小且开挖面中心点的水平位移急剧增大时，认为该状态的支护压力比为最小极限支护压力，而此时的支护压力与开挖面水平位移为0时所加的支护压力之比即为该工况下的极限支护压力比。
　　模型计算结果如图3所示，开挖面极限支护压力比约为180KPa。


　　3.3　计算结果

　　3.3.1　开挖面位移
　　分析不同支护压力对应的开挖面变形情况如图4所示，其中，横轴为水平位移量，正值则代表开挖面向盾构推进方向凹陷，负值则代表开挖面向盾构内凸出，竖轴为距开挖面中心距离，0m代表中心位置。
　　由图4可见，开挖面的土体向内凸出，土体位移量最大位于开挖面顶部，由于不同土层性质的影响，凹陷的曲线并不光滑。




　　结合表2可知，在极限支护压力作用下，即开挖面土仓压力系数取0.71时，开挖面位移控制较好。开挖面平衡土压力值与隧道的埋深和所处地层的地质情况关系密切。
　　3.3.2　土体塑性区发展
　　不同开挖面压力下土体塑性区域如图5所示，其中红色区域为塑性变形区域，图a、b、c、d分别为开挖面压力为180KPa、140KPa、90KPa、及40KPa时的计算结果。



　　分析图5可得，塑性区域随着支护压力的减小而逐渐扩大。当支护压力为180KPa时，即图a中，塑性区域几乎只出现在隧道开挖面底端与顶端很小范围内，而随着支护压力的减小，图b、c、d塑性区域不断发展，且主要集中在开挖面上部区域，当开挖面压力取90KPa、40KPa时，塑性区域都较大。
　　从计算结果来看，开挖面压力设置为180KPa时，开挖面变形与塑性区都较小，说明开挖面处于稳定状态，因此建议施工过程中，土舱压力侧压力系数设置为0.71，并根据实测结果进行调整。
　　3.4　施工措施
　　针对盾构长距离穿越砂性地层的施工难点，依据计算结果综合分析，实际施工中采用了如下主要施工技术措施：
　　（1）根据地层情况严格控制施工参数，如刀盘转速，土仓压力，注浆压力以及掘进速度等。确保开挖面的土压力平衡，减少开挖面土体的坍塌、变形以及土层损失。
　　（2）出土量控制：一旦盾构掘进施工出土量没有控制好，出现较大的超挖现象，就可能出现正面土体失稳、坍塌，所以此段施工，必须在土压平衡状态下进行盾构掘进，过程中严格控制出土量。
　　（3）加强碴土改良，每环加入泡沫剂膨润土，增大碴土的流动性和保水性，并在正面形成止水带，减少地下水的损失和保护刀具。
　　（4）合理控制推进速度，保证连续均衡施工，避免较长时间的搁置。
　　盾构施工后的地表沉降如图6所示，可见施工期地表最大沉降控制在14mm以内，盾构施工对周围土体的扰动较小。


4　结论
　　建立三维有限元模型，对不同压力作用下的开挖面变形进行了分析计算，给出了开挖面压力设定的建议值。依据计算结果，施工过程中采取了防止开挖面失稳的措施，保证了施工的顺利进行。主要得到如下结论：
　　（1）开挖面位移呈不规则变形，最大值位于开挖面上部，随着开挖面压力的减小，开挖面塑性区逐渐增大，建议开挖面土压力参数设置为0.71。
　　（2）采取了施工参数控制、土体改良等施工措施，从实测结果来看，地表沉降较小，开挖面土体位移得到了有效控制。