隧道盾構法施工開挖面穩定性研究方法評析摘 要:隨著隧道技術的發展,盾構隧道成為城市地下工程施工的主要施工方法,而盾構在推進過程中開挖面穩定性的研究未能引起關注,本文就開挖面穩定性的研究方法作出評析與比較,從而更好地指導開挖面穩定性的研究工作。關鍵詞:隧道盾構;推進;開挖面穩定1引言 盾構隧道技術是城市地下工程施工對周圍地層擾動最小的施工方法,已成為我國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,由于地質條件和施工工藝的限制,很難避免盾構推進對周圍環境的擾動,甚至導致過大的地面沉降。而這種環境的破壞主要取決于盾構開挖面的穩定性,所以開挖面的穩定是盾構施工的一個重要問題。雖然圍繞這一問題已做了不少的研究工作,但由于地質條件的復雜多變及施工參數的變化,使得研究成果具有一定的局限性,為此本文綜合地評析了盾構法施工開挖面穩定的研究方法,以期更好地指導對開挖面穩定性的研究工作。2隧道盾構法開挖面穩定的研究方法2.1開挖面穩定系數法 許多學者已經描繪了隧道開挖面的破壞機制,通過理論分析或是經驗以穩定系數Ｎ的形式提出了保持開挖面穩定所需支持力的計算公式,Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ[1] (1967)提出了粘性土穩定的確定方法。Ｎ=(σｓ+γＨ-σｔ)/Ｓｕ(1)γ:土體單元的重力;Ｄ:盾構直徑;Ｓｕ:盾構軸心處土體的不排水剪切強度;σｓ地面荷載;Ｈ:地表到盾構軸心處距離;σｔ:盾構面支持應力;當穩定系數Ｎ<6時,開挖面穩定。Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎ ｎｅｒｍａｒｋ所定義的穩定系數是一種安全系數,相反較高的穩定系數卻對應于較低的安全系數,而實際上安全系數又不容易確定。Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ還指出:當(Ｈ/Ｄ)=1.5時,Ｎ=5～7開挖面處于穩定,可以看出盾構埋深與直徑的比值是一個重要影響因子,所以隨著這個比值的不同穩定系數也會有很大的波動。Ｋｉｍｕｒａ和Ｍａｉｒ(1981)通過固結粘性土的離心試驗,針對開挖面的穩定給出了較大的穩定系數取值范圍,并且證實了取決于埋深的開挖面穩定系數在Ｎ=5～10。然而,Ｒｏｍｏ和Ｄｉａｚ[2] (1981)意識到穩定系數并不能詳細地反映開挖面的實際穩定性,所以為穩定系數提出了一個安全系數,定義為土體的剪切強度與最大剪應力的比值,指出開挖面破壞的范圍在Ｎ=6～7,而基于安全系數的開挖面穩定系數在6.5左右。盡管這些結果與Ｐｅｃｋ(1969)所論述的有很好的相關性,但應指出:這些是建立在土體是非線性彈性材料,在盾構推進過程中不存在滑移假定基礎之上的。1980年Ｄａｖｉｓｅｔａｌ.[3]在研究了在隧道開挖面的穩定性時,利用Ｂｒｏｍｓ和Ｂｅｎｎｅｒｍａｒｋ所提出的穩定分析的極限實例,得出盾構在掘進過程中開挖面穩定時兩個下限解。Ｎ=4ｌｎ(2Ｃ/Ｄ+1)(2)Ｎ=2+2ｌｎ(2Ｃ/Ｄ+1)(3)Ｎ:穩定性系數;Ｃ:盾構埋深Ｄ:盾構的直徑;雖然穩定系數法得到了一系列的改進,表達形式多樣化,但始終沒有考慮到滲透力對開挖面的影響,適合無地下水施工條件中的計算。同時也因沒有考慮到弧效應過高地估計了破壞力,今后開挖面穩定系數法的研究工作也應包括這兩個方面。2.2極限平衡法Ｈｏｒｎ于1961年根據筒倉理論提出計算模型如圖(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,國外的學者有的采用計算模型:Ｂ=Ｄ或Ｂ=1.8Ｄ。Ｇ.Ａｎａｇｎｏｓｔｏｕ和Ｋ.ｋｏｖａｒｌ[4]利用此模型研究開挖面的穩定問題,從而簡化了三維開挖面穩定的破壞機制,計算開挖面穩定時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算模型的水頭場,同時還要考慮盾構隔板不排水性。應用三維有限元可以確定,求水頭場的目的在于計算滲流力對開挖面穩定的影響,當滲透力能夠計算以后,最后在水平方向列出極限平衡方程,反復迭代ｗ,從而求出開挖面穩定時所需最大的支持力。ｃ(土體粘聚力)ｆ(土體摩擦角)對支持力的大小起決定性作用,但Ｇ.Ａｎａｇｎｏｓｔｏｕ和Ｋ.ｋｏｖａｒｌ的計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。筆者認為應對極限平衡法計算模型作出改進,將楔形體按土層分成ｎ個隔離體,每個隔離體都是同性土。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。每個隔離體受到上下隔離體的合力作用,在水平和垂直方進行向合力為零的分析,從而得出最大的支持力作為實際掘進過程中最小的支持力。極限平衡法可以考慮到滲透的作用,使得計算更加符合有地下水的施工條件。
2.3試驗研究方法程展林等人[5]通過模型試驗,對泥漿盾構施工中泥漿維持開挖面穩定的力學機理,開挖面前緣土體的應力變化規律,泥漿壓力作用機理及泥皮形態進行了研究,認為在中粗砂地基中,泥水式盾構挖掘隧道,通過泥漿壓力的作用,是可以保持開挖面穩定的,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′:地基土有效內摩擦角;ｕ:孔隙水壓力;σν:為上覆土體豎向應力;(0.6～0.70):反映砂土地基的拱效應。這種方法考慮到了拱效應和孔隙水壓對穩定的影響,與國外最簡單的泥漿壓力按地下水所產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際情況。離心試驗作為研究隧道開挖面穩定性的方法在國外較為常見。ＰｉｅｒｒｅＣｈａｍｂｏｎ[6]根據離心實驗研究無粘性土盾構開挖面的穩定性,指出最重要的影響參數是盾構直徑,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是泡狀的,指出應變主要集中在泡的邊界面上,如圖(3)。但離心機中的小規模試驗并不能很真實地反映實際條件,只能模擬最壞的設置條件。2.4有限元法許多評判開挖面穩定性的方法是基于極限方法、靜態方法計算的,這是趨于粗糙的估算。有限元在土工數值計算中廣泛應用,能夠更加準確的模擬真實的施工條件。目前國內外有許多學者用有限元研究隧道開挖面的穩定性。王敏強[7]等人采用三維非線性有限元模擬盾構推進的過程,提出了計算模型,可以應用到研究開挖面穩定的研究中。Ｂｕｈａｎｅｔａｌ[10]描繪了ＥＰＢ開挖面的三維有限元計算模型,在計算模型中包括了滲透力作用在開挖面上,針對直徑為8ｍ盾構機的開挖面穩定性進行了研究,發現開挖面的穩定安全系數只與水平和垂直方向的滲透系數的比值有關,密度對其影響很小。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過高地估計了破壞壓力,基于理論和實踐盾構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。針對三維能夠取得很好的模擬盾構推進時土體的受力情況,筆者認為應用有限元法時三維有限元應優先選擇。3結語和展望 本文較為系統地對國內外隧道盾構法開挖面的研究成果進行分類,并給予了詳盡的評價,為以后學者的研究奠定了良好的基礎。筆者相信:隨著我國地鐵建設逐步開展,城市地下工程施工技術的研究開發已成為一個重要的課題。盾構隧道施工以其具有綠色環保的特點已受到了各方面的注目[9],可以預計盾構施工方法日后在中國大地上會得到飛速的發展。計算機科學技術的發展必將會大大的促進了隧道盾構法開挖面穩定性的研究,從而更好地指導盾構法隧道的施工。參考文獻:[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 ｒｏｕｎｄＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,”Ｖｏｌ.11,Ｎｏ.2.165～173,1996[5] 程展林,吳忠明,徐言勇.砂基中泥漿盾構法隧道施工開挖面穩定性試驗研究[Ｒ].長江科學院院報,Ｖｏｌ.18,Ｎｏ.5,2001[6] ＰｉｅｒｒｅＣｈａｍｂｏｎＣｈａｍｂｏｎ,“Ｓｈａｌｌｏｗｔｕｎｎｅｌｓｉｎｃｏｈｅｓｉｏｎｌｅｓｓｓｏｉｌ:Ｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｕｎｎｅｌｆａｃｅ,”[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,Ｖｏｌ.120,Ｎｏ.7,1994[7] 王敏強,陳宏勝.盾構推進隧道結構三維非線性有限元仿真[Ｊ].巖石力學及工程學報,Ｖｏｌ.21,Ｎｏ.2,2002[8] Ｐ.ｄｅＢｕｈａｎ,Ａ.Ｃｕｖｉｌｌｉｅｒ,Ｌ.Ｄｏｒｍｉｅｕｘ,ａｎｄＳ.Ｍａｇ ｈｏｕｓ,“Ｆａｃｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｈａｌｌｏｗｃｉｒｃｕｌａｒｔｕｎｎｅｌｓｄｒｉｖｅｎｕｎ ｄｅｒｔｈｅｗａｔｅｒｔａｂｌｅ:Ａｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ,”[Ｊ].Ｉｎｔｅｒｎａ ｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｆｏｒＮｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄＡｎａｌｙｔｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＧｅｏ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ,23:79～95,1999[9] 朱偉,陳仁俊.盾構隧道施工技術現狀及展望(第3講)[Ｊ].ＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷｏｒｌｄＶｏｌ.5.Ｎｏ.1,2001
2.3試驗研究方法程展林等人[5]通過模型試驗,對泥漿盾構施工中泥漿維持開挖面穩定的力學機理,開挖面前緣土體的應力變化規律,泥漿壓力作用機理及泥皮形態進行了研究,認為在中粗砂地基中,泥水式盾構挖掘隧道,通過泥漿壓力的作用,是可以保持開挖面穩定的,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′:地基土有效內摩擦角;ｕ:孔隙水壓力;σν:為上覆土體豎向應力;(0.6～0.70):反映砂土地基的拱效應。這種方法考慮到了拱效應和孔隙水壓對穩定的影響,與國外最簡單的泥漿壓力按地下水所產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際情況。離心試驗作為研究隧道開挖面穩定性的方法在國外較為常見。ＰｉｅｒｒｅＣｈａｍｂｏｎ[6]根據離心實驗研究無粘性土盾構開挖面的穩定性,指出最重要的影響參數是盾構直徑,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是泡狀的,指出應變主要集中在泡的邊界面上,如圖(3)。但離心機中的小規模試驗并不能很真實地反映實際條件,只能模擬最壞的設置條件。2.4有限元法許多評判開挖面穩定性的方法是基于極限方法、靜態方法計算的,這是趨于粗糙的估算。有限元在土工數值計算中廣泛應用,能夠更加準確的模擬真實的施工條件。目前國內外有許多學者用有限元研究隧道開挖面的穩定性。王敏強[7]等人采用三維非線性有限元模擬盾構推進的過程,提出了計算模型,可以應用到研究開挖面穩定的研究中。Ｂｕｈａｎｅｔａｌ[10]描繪了ＥＰＢ開挖面的三維有限元計算模型,在計算模型中包括了滲透力作用在開挖面上,針對直徑為8ｍ盾構機的開挖面穩定性進行了研究,發現開挖面的穩定安全系數只與水平和垂直方向的滲透系數的比值有關,密度對其影響很小。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過高地估計了破壞壓力,基于理論和實踐盾構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。針對三維能夠取得很好的模擬盾構推進時土體的受力情況,筆者認為應用有限元法時三維有限元應優先選擇。3結語和展望 本文較為系統地對國內外隧道盾構法開挖面的研究成果進行分類,并給予了詳盡的評價,為以后學者的研究奠定了良好的基礎。筆者相信:隨著我國地鐵建設逐步開展,城市地下工程施工技術的研究開發已成為一個重要的課題。盾構隧道施工以其具有綠色環保的特點已受到了各方面的注目[9],可以預計盾構施工方法日后在中國大地上會得到飛速的發展。計算機科學技術的發展必將會大大的促進了隧道盾構法開挖面穩定性的研究,從而更好地指導盾構法隧道的施工。參考文獻:[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 ｒｏｕｎｄＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,”Ｖｏｌ.11,Ｎｏ.2.165～173,1996[5] 程展林,吳忠明,徐言勇.砂基中泥漿盾構法隧道施工開挖面穩定性試驗研究[Ｒ].長江科學院院報,Ｖｏｌ.18,Ｎｏ.5,2001[6] ＰｉｅｒｒｅＣｈａｍｂｏｎＣｈａｍｂｏｎ,“Ｓｈａｌｌｏｗｔｕｎｎｅｌｓｉｎｃｏｈｅｓｉｏｎｌｅｓｓｓｏｉｌ:Ｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｕｎｎｅｌｆａｃｅ,”[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,Ｖｏｌ.120,Ｎｏ.7,1994[7] 王敏強,陳宏勝.盾構推進隧道結構三維非線性有限元仿真[Ｊ].巖石力學及工程學報,Ｖｏｌ.21,Ｎｏ.2,2002[8] Ｐ.ｄｅＢｕｈａｎ,Ａ.Ｃｕｖｉｌｌｉｅｒ,Ｌ.Ｄｏｒｍｉｅｕｘ,ａｎｄＳ.Ｍａｇ ｈｏｕｓ,“Ｆａｃｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｈａｌｌｏｗｃｉｒｃｕｌａｒｔｕｎｎｅｌｓｄｒｉｖｅｎｕｎ ｄｅｒｔｈｅｗａｔｅｒｔａｂｌｅ:Ａｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ,”[Ｊ].Ｉｎｔｅｒｎａ ｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｆｏｒＮｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄＡｎａｌｙｔｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＧｅｏ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ,23:79～95,1999[9] 朱偉,陳仁俊.盾構隧道施工技術現狀及展望(第3講)[Ｊ].ＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷｏｒｌｄＶｏｌ.5.Ｎｏ.1,2001
