南京緯三路過江通道泥水盾構帶壓開艙開挖面最小支護壓力確定

吳忠善，鐘小春，楊釗，楊擎

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098；3.中交第二航務工程局有限公司技術中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

盾構施工對周圍環(huán)境造成的影響與開挖面穩(wěn)定程度密切相關。施工中，開挖面的穩(wěn)定是通過壓力艙的支護應力得以實現(xiàn)的，開挖面支護應力過大將造成地表隆起破壞，而壓力過小，容易導致地表沉陷甚至坍塌。在城市隧道工程中，由于開挖面支護應力不當造成的開挖面坍塌事故多次出現(xiàn)[1-2]。

為此，很多學者采用多種研究方法開展這方面的研究。應用離心模型試驗，通過增大加速度的辦法，可以將試驗模型的應力還原到實際地層中的應力狀態(tài)，較好地還原了盾構穩(wěn)定性狀態(tài)[3-4]。隨著計算機技術及有限元仿真技術的發(fā)展，數(shù)值模擬計算可模擬盾構隧道施工的復雜工程，從而為盾構隧道開挖面穩(wěn)定問題的研究提供便利，但其存在輸入數(shù)據(jù)及計算參數(shù)的選擇對計算結果影響較大這一不利因素（這也是目前數(shù)值分析應用于巖土工程中存在的一個共同問題），有學者建議通過下述方法在一定程度上克服這一缺陷[5-6]：利用模型試驗模擬簡單的理想隧道開挖→應用數(shù)值模擬研究同樣的問題從而對數(shù)值計算參數(shù)的確定進行標定→建立新的數(shù)值模型，模擬復雜的實際隧道開挖過程。

針對目前國內最大的泥水盾構穿越長江帶壓進艙作業(yè)情況，如何確保開挖面穩(wěn)定的情況下，盡可能降低開挖面的支護壓力，確保進艙維修人員安全，是一項關系到開挖能否成功的關鍵問題。通過建立數(shù)值分析模型，開展了高水壓條件下的三維計算分析，并將計算成果與實驗總結的成果進行了分析。

1 工程簡介及開艙位置地質條件

南京緯三路過江通道工程位于南京長江大橋與緯七路南京長江隧道之間，下距長江大橋約4.9 km，上距南京長江隧道約4.7 km。該工程盾構段隧道設計為雙管隧道，北起南京浦口區(qū)頂山轉盤西側，跨越規(guī)劃中的沙子河路、江北濱江大道，以隧道形式穿越長江、江南濱江大道后，南管隧道與定淮門大街順接，長5 530 m（盾構段4 134.8 m），主要承擔緯三路與浦口之間的交通聯(lián)系；北管隧道與揚子江大道順接，長4 930 m（盾構段3 537.8 m），主要承擔揚子江大道與浦口間的交通聯(lián)系。

南京緯三路過江通道泥水盾構掘進至如圖1所示的地質條件時，掘進遇到困難，推力不斷增大、扭矩突破了裝配扭矩，被迫停機檢查。江水至盾構隧道中心的水壓力為0.553 MPa，江面至江底的水深為27.34 m。上覆土主要為粉細砂、粗砂、卵石和強風化砂巖，主要物理力學指標如表1所示。盾構掘進范圍內的土層主要是粗砂、卵石和強風化砂巖，屬于強滲透性地層，滲透系數(shù)在10-2cm/s數(shù)量級上。為了確保泥漿壓力能夠有效支護開挖面砂土，需要在開挖面上形成有效、致密的泥膜。

管片混凝土等級為C50，彈性模量3.45×104MPa，管片厚度0.6 m，環(huán)寬度2.0 m，環(huán)直徑14.4 m。

2 模型的建立

圖1 某次泥水盾構停機開艙位置地層和江面水位示意圖（單位：m）Fig.1 Theformation and theriver water level(m)of theopening position for onceslurry shield

表1 各層土物理力學性質Table 1 Physical and mechanical property of each soil layer

根據(jù)地質條件及與盾構隧道位置的相對關系，運用巖土工程數(shù)值分析軟件Plaxis3D 2012建立如圖2所示的三維計算模型，模型采用15節(jié)點楔形體單元。模型可以考慮不同開挖面支護壓力作用下開挖面的穩(wěn)定情況及江底變形情況。

圖2 盾構隧道開挖面支護壓力3D計算模型Fig.2 3D model of the support pressure of shield tunnel face

計算步驟：1）盾構從邊界一次性掘進15 m；2）在開挖面上施加水平支護壓力，中心壓力為地層初始土水壓力，壓力變化幅度為12 kN/m（泥漿艙中泥漿比重為1.2~1.25）；3） 逐漸降低開挖面的支護壓力，直到開挖面產生塌方破壞，求得此時的土水壓力，即為開挖面的極限支護壓力。

作用于開挖面的支護壓力通常為梯形荷載，在數(shù)值計算過程中，取隧道中心點支護壓力值來代表開挖面支護壓力大小，為了比較支護壓力和靜止土壓力的關系，引入支護壓力比λ進行衡量：

式中：σs為盾構開挖面中心處的支護壓力；σ0為隧道中心水平靜止土壓力。

梯度為λ·K0·γ，γ為土的重度。

3 計算結果分析

3.1 三維計算結果分析

在數(shù)值模擬過程中，可得到不同支護壓力下對應的開挖面土體位移，根據(jù)支護壓力與開挖面土體位移關系曲線，把支護壓力的微小變化而導致開挖面周圍土體位移突變的壓力定義為極限支護壓力[7-9]。

圖3為支護壓力比和開挖面土體最大位移的關系曲線。從圖中可以看出：當支護壓力比λ＜0.86時，該曲線發(fā)生突變，出現(xiàn)拐點，計算模型受力從穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)急劇變化。當支護壓力比λ＜0.858時，計算已經(jīng)不能收斂，即便得到收斂解也不符合實際情況，因此從圖中可以得出極限支護壓力比為0.86，于是得到極限支護壓力為560.7 kPa。

圖3 開挖面中心點水平位移隨支護壓力比變化規(guī)律Fig.3 Center of excavation surface horizontal displacement along with the support pressure ratio change rule

泥水盾構開挖面中心地層土水初始壓力為651.8 kPa，極限支護壓力為560.7 kPa，其中包含水壓力553 kPa，土壓力7.7 kPa。從中可以看出主要為水壓力，考慮到泥水盾構采用泥漿壓力支護，泥漿壓力轉換為土顆粒之間的有效應力會有一定的損失，一般工程采用以下公式確定泥漿壓力，文獻[9]指出：開挖面土倉壓力通常按下式設定：泥漿艙壓力=地下水壓+土壓+預壓。土壓力是指掘削面上的水平向的作用土壓力。計算土壓力的豎向基準荷載與土質狀況和覆蓋層厚度有關，可以是全部覆蓋土層厚度對應的豎直土壓力，也可以是松弛土壓。其中，地下水壓力按照靜水壓力進行計算。對于黏性土地層通常是把地下水壓力計在土壓力中，即按照水土壓力合算的總應力法進行計算；對于透水性強的砂類土，需要按照有效應力法計算主動土壓力，并與靜水壓力之和即為需要設定的土倉壓力。預壓通常設定為20 kPa，因此為了確保開挖面的穩(wěn)定，開挖面中心點的泥漿壓力應設定為580.7 kPa。

考慮一定的安全富余量，黃正榮[8]、喬金麗[9]將強度折減法引入盾構開挖面穩(wěn)定性的數(shù)值模擬，分析了不同支護壓力比與安全系數(shù)的關系，并提出實際施工中，開挖面支護壓力至少應取極限支護壓力的1.1倍。由此計算得出開挖面支護壓力為616.8 kPa。

開挖面壓力究竟設置多少較為合適，還需要結合開挖面安全穩(wěn)定性分析確定。如圖4所示，當開挖面壓力為極限支護壓力再加上20 kPa時，安全系數(shù)從1.0增加到1.93，增加幅度可觀；當開挖面增加到極限支護壓力的1.1倍時，開挖面安全穩(wěn)定性繼續(xù)提高到3.38；當開挖面支護壓力為初始地層支護壓力時，開挖面安全穩(wěn)定性達到4.83。開挖面穩(wěn)定系數(shù)與隧道中心點支護壓力呈線性比例增長。

圖4 盾構開挖面安全穩(wěn)定性與支護壓力的關系Fig.4 Relation between the shield tunnel excavation face stability and the support pressure

為了確保工程安全，考慮泥漿壓力的波動和泥漿壓力轉換為開挖面土體的有效應力的損耗，開挖面中心點的支護壓力設定在600 kPa。

3.2 經(jīng)驗公式計算結果

程展林等[10]通過模型試驗研究了土拱效應和孔隙水壓對盾構開挖面穩(wěn)定性的影響，并提出中粗砂地層中極限泥漿支護壓力公式：

式中：φ′為地基土有效內摩擦角；u為孔隙水壓力；σv為上覆土體豎向應力；（0.6~0.7）反映砂土地基的拱效應。

通過計算得到開挖面中心點的支護壓力為595.0 kPa，與3.1節(jié)中經(jīng)計算后推薦的支護壓力基本上一致。

3.3 工程中壓力計算方法

采用主動土壓力方法確定盾構開挖面極限支護土壓力，綜合考慮隧道上覆各種土層的影響，將主動土壓力系數(shù)定為0.314。最終確定盾構刀盤中心點土壓力為0.659 MPa，遠大于理論計算和經(jīng)驗公式的情況。

分析以上的土壓力設定較大的原因，主要是采用計算模式存在問題。按照擋土墻主動土壓力模式確定開挖面支護壓力，沒有考慮三維拱效應對塌落土體的支撐作用，從而計算結果明顯偏大。

4 結語

通過以上分析可知：

1）盾構開挖面支護壓力確定是盾構施工中一個非常關鍵的因素，涉及到地面沉降甚至可能引發(fā)開挖面塌方。

2）在粉細砂和中粗砂、卵石地層中開挖面支護壓力可采用極限支護壓力+預壓的辦法和極限支護壓力的1.1倍來確定，通常可以取兩者的平均值來確定。

3） 目前工程中采用的計算方法概念不夠明確，因為盾構開挖面失穩(wěn)的問題是一個三維問題，采用土力學中擋墻主動土壓力直接計算極限支護壓力僅考慮平面問題，其結果偏于安全。

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