揚(yáng)州瘦西湖隧道全黏土地層泥水盾構(gòu)施工開(kāi)挖面穩(wěn)定性研究

王承震

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，地下空間工程成為開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。隨著我國(guó)各大城市地鐵以及多個(gè)國(guó)家重大越江隧道工程(如西氣東輸穿越長(zhǎng)江隧道、南水北調(diào)中線穿黃隧道、南京長(zhǎng)江過(guò)江公路隧道、上海滬崇蘇公路隧道、廣州獅子洋海底隧道等)的相繼修建，盾構(gòu)隧道施工法以其安全、環(huán)保、低擾動(dòng)、高效快速的優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)下重大隧道工程建設(shè)的主流施工方法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了越來(lái)越多的大型泥水盾構(gòu)隧道工程，如荷蘭綠心隧道的盾構(gòu)直徑達(dá)到14.87 m，南京長(zhǎng)江隧道和揚(yáng)州瘦西湖隧道直徑達(dá)14.93 m，西班牙馬德里M30公路隧道直徑達(dá)15.2 m，等等。

隨著大直徑泥水盾構(gòu)隧道在世界范圍內(nèi)的廣泛成功應(yīng)用，其開(kāi)挖面穩(wěn)定性逐漸引起人們的重視。G.Anagnostou等［1］認(rèn)為刀盤(pán)開(kāi)挖面的支撐和開(kāi)挖面上的滲流控制是泥水盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)在開(kāi)挖隧道過(guò)程中需要注意的2個(gè)問(wèn)題;Kimura T.等［2］的研究表明正面土體穩(wěn)定在由盾構(gòu)開(kāi)挖引起的地層變形中起著非常重要的作用;Mair R.T.［3］利用沙土箱研究了開(kāi)挖面穩(wěn)定性與土體力學(xué)特性和地下水情況的影響之間的關(guān)系;程展林等［4］采用專(zhuān)門(mén)加工的盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模型箱、盾構(gòu)模型、壓力控制臺(tái)及測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定在刀盤(pán)活動(dòng)及改變泥漿壓力過(guò)程中開(kāi)挖面前緣土體的應(yīng)力變化，以確定開(kāi)挖面的穩(wěn)定性;秦建設(shè)等［5－6］通過(guò)對(duì)砂土地層盾構(gòu)施工數(shù)值模擬計(jì)算，研究開(kāi)挖面穩(wěn)定性問(wèn)題，并與前人的離心試驗(yàn)研究成果進(jìn)行對(duì)比研究;沈培良等［7］、姜忻良等［8］針對(duì)不同地區(qū)盾構(gòu)施工的開(kāi)挖面變形和地面沉降進(jìn)行研究，對(duì)類(lèi)似環(huán)境下的盾構(gòu)施工具有指導(dǎo)作用;文獻(xiàn)［9－14］通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對(duì)不同地層條件下的盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了比較充分的研究;文獻(xiàn)［15－18］對(duì)盾構(gòu)施工中的開(kāi)挖面支護(hù)壓力和土體變形規(guī)律進(jìn)行了研究。

綜上所述，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道施工與開(kāi)挖面穩(wěn)定性有了一定研究，但是對(duì)于在全黏土地層下的大直徑盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性研究仍有不足之處。泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定對(duì)盾構(gòu)施工軸線及地面沉降控制有重要影響，與隧道工程施工安全有緊密聯(lián)系。本文以揚(yáng)州瘦西湖隧道工程為背景，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，進(jìn)行了全黏土地層大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)中開(kāi)挖面穩(wěn)定性研究，針對(duì)開(kāi)挖面破壞進(jìn)行原因分析，并提出控制措施。

1 工程背景

1.1 工程概況

揚(yáng)州瘦西湖隧道工程地處揚(yáng)州市中心區(qū)域，下穿揚(yáng)州市重要風(fēng)景區(qū)和多個(gè)文物保護(hù)建筑，是揚(yáng)州城建史上的首條隧道，也是揚(yáng)州市城市總體規(guī)劃中的重要城市交通通道之一。其工程位置及范圍示意如圖1所示，工程地質(zhì)條件如圖2所示。

圖1 工程位置及范圍示意圖Fig.1 Location and scope of project

該項(xiàng)目包括瘦西湖東西兩側(cè)的明挖段隧道、瘦西湖隧道及地面接線道路配套工程，隧道段主線全長(zhǎng)2 630 m，匝道全長(zhǎng)520 m，盾構(gòu)段長(zhǎng)1 275 m，隧道結(jié)構(gòu)采用單管雙層型式。盾構(gòu)在湖東現(xiàn)場(chǎng)組裝后，由湖東向湖西始發(fā)掘進(jìn)。采用德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)的泥水混合式盾構(gòu)，開(kāi)挖直徑14.93 m，盾構(gòu)管片環(huán)外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，管片壁厚0.6 m，管片寬2 m。瘦西湖隧道為圓形盾構(gòu)隧道，采用雙層雙向2車(chē)道布置，其余路段采用箱型斷面布置，隧道設(shè)計(jì)車(chē)速為60 km/h。

圖2 揚(yáng)州瘦西湖隧道區(qū)段分布及工程地質(zhì)圖(單位:m)Fig.2 Division and engineering geological map of Slender West Lake Tunnel(m)

1.2 工程問(wèn)題

揚(yáng)州瘦西湖黏土地區(qū)，盾構(gòu)在硬塑黏土膨脹地層中掘進(jìn)停機(jī)檢修，特別是長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，曾3次遇到開(kāi)挖面坍塌失穩(wěn)問(wèn)題。開(kāi)挖面前方土體坍塌如圖3所示。

圖3 開(kāi)挖面前方土體坍塌Fig.3 Ground surface collapse

統(tǒng)計(jì)了3次坍塌時(shí)的相關(guān)信息，如前泥水艙壓力為0.2 MPa左右，且壓力穩(wěn)定，支護(hù)應(yīng)力比約為0.7，正常狀態(tài)下能夠保持開(kāi)挖面穩(wěn)定而不至破壞。3次塌方均出現(xiàn)在盾構(gòu)停機(jī)維護(hù)3 d以上的地方，且發(fā)生在第6天和第7天左右。

2 工程地質(zhì)條件

結(jié)合揚(yáng)州瘦西湖隧道地層條件和施工情況，確定其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，對(duì)含水率、密度和干密度、界限含水量、顆粒級(jí)配、自由膨脹率、膨脹力等主要參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。準(zhǔn)確了解膨脹土的特性及變化條件，預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖時(shí)可能出現(xiàn)的狀況，或者對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的狀況進(jìn)行深入分析，從而采取相應(yīng)的處理措施。瘦西湖黏土基本性質(zhì)如表1所示。顆粒級(jí)配曲線如圖4所示。

表1 瘦西湖黏土基本性質(zhì)Table 1 Property of clay of Slender West Lake Tunnel

圖4 顆粒級(jí)配曲線Fig.4 Curve of particle size distribution

3 瘦西湖隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算模型

利用有限元軟件FLAC3D對(duì)隧道開(kāi)挖面進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模擬計(jì)算采用摩爾－庫(kù)侖材料本構(gòu)模型和摩爾－庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則來(lái)反映黏土材料的力學(xué)性質(zhì)和剪切破壞特性。材料的屈服判斷應(yīng)用剪切屈服函數(shù)及不相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，同時(shí)破壞包絡(luò)線采用滿足相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的拉伸屈服函數(shù)。計(jì)算模型取盾構(gòu)直徑為15 m，頂部覆土為20 m。模型尺寸為X方向取65 m，Y方向取60 m，Z方向隧道上方至地面取20 m，隧道下方取25 m。圍巖左、右、前、后邊界和下邊界均為法向約束，上邊界為自由邊界。管片采用LINER結(jié)構(gòu)單元模擬，LINER結(jié)構(gòu)單元能夠反映土體與管片的接觸作用。揚(yáng)州瘦西湖隧道工程3次塌方都是在停機(jī)5～6 d之后，為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)開(kāi)挖面穩(wěn)定性與泥水浸潤(rùn)時(shí)間的關(guān)系，模型中泥水浸潤(rùn)時(shí)間取至12 d。模型共計(jì)39 000個(gè)計(jì)算單元，計(jì)算模型見(jiàn)圖5，模型參數(shù)如表2所示。

圖5 數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 Numerical simulation model

表2 地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of different materials

盾構(gòu)施工開(kāi)挖面失穩(wěn)的研究主要側(cè)重于開(kāi)挖面前方土體相對(duì)盾構(gòu)泥水艙方向的變位情況，數(shù)值計(jì)算過(guò)程通過(guò)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化來(lái)研究，如圖6所示。

研究中定義支護(hù)壓力比為隧道中心點(diǎn)處支護(hù)壓力與隧道中心點(diǎn)處原始靜止側(cè)向土壓力的比值，并且定義開(kāi)挖面位移最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移急劇增大而不收斂時(shí)，對(duì)應(yīng)的支護(hù)壓力比為極限支護(hù)壓力比。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)隧道開(kāi)挖面附近周?chē)馏w單元應(yīng)力隨開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力減小的變化情況，來(lái)研究支護(hù)應(yīng)力不足引起的膨脹土地基應(yīng)力釋放問(wèn)題，如圖6所示的F1—F6。盾構(gòu)施工中，支護(hù)壓力比過(guò)大，支護(hù)壓力超過(guò)上限極限支護(hù)壓力時(shí)，土體向盾構(gòu)掘進(jìn)方向失穩(wěn)，可能出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象;支護(hù)壓力比過(guò)小，支護(hù)壓力低于下限極限支護(hù)壓力時(shí)，前方開(kāi)挖面泥水壓力將會(huì)大于支護(hù)壓力，土體向盾構(gòu)掘進(jìn)相反方向失穩(wěn)，可能出現(xiàn)開(kāi)挖面坍塌、地表沉降等現(xiàn)象。因此，施工中需要合理控制支護(hù)壓力比，把實(shí)際支護(hù)壓力控制在極限支護(hù)壓力的上下限之間。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.6 Distribution of monitoring points

3.2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

首先模擬初始自重應(yīng)力場(chǎng)的平衡，然后進(jìn)行隧道開(kāi)挖模擬，模擬過(guò)程在某一浸潤(rùn)時(shí)步后，通過(guò)在開(kāi)挖面施加特定形式的支護(hù)壓力，并逐漸減小支護(hù)壓力，研究開(kāi)挖面周?chē)馏w應(yīng)力、應(yīng)變與支護(hù)壓力的關(guān)系。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 極限支護(hù)壓力比與泥水浸潤(rùn)時(shí)間的關(guān)系

泥水盾構(gòu)在膨脹土地層開(kāi)挖面穩(wěn)定性分析，很重要的一部分是對(duì)泥水浸入后，隨著地層含水率的增大，地層強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致極限支護(hù)壓力的變化的分析。圖7是膨脹力為108 kPa時(shí)極限支護(hù)壓力比隨泥水浸潤(rùn)時(shí)間的變化關(guān)系。

圖7 膨脹力為108 kPa時(shí)極限支護(hù)壓力比隨泥水浸潤(rùn)時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Relationship between the ratio of ultimate support pressure and slurry infiltration time when expansion force is 108 kPa

從圖7中可以看出，隨著泥水浸潤(rùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，極限支護(hù)應(yīng)力比不斷增大。在前2 d內(nèi)，極限支護(hù)壓力比增長(zhǎng)緩慢;從第3天開(kāi)始，隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，極限支護(hù)壓力比顯著增大;當(dāng)超過(guò)8 d后，極限支護(hù)壓力比增長(zhǎng)放緩。當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間為6 d時(shí)，土體處于強(qiáng)度較大且不破壞狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的極限支護(hù)應(yīng)力比為0.64。

3.3.2 極限支護(hù)壓力比與膨脹力大小的關(guān)系

膨脹土本身膨脹力的大小也是決定開(kāi)挖面變形受力及穩(wěn)定性的重要因素。膨脹力是指土體在有側(cè)限條件下充分吸水，使其保持不發(fā)生豎向膨脹所需施加的壓力值。在此過(guò)程中，壓力值大小隨含水率的增加而變化。已有的研究表明，影響膨脹土膨脹力大小的內(nèi)部因素主要有膨脹土礦物組成、級(jí)配以及自由膨脹率，外部因素主要有土的初始含水率、干密度等。由于影響膨脹土膨脹力大小的因素有很多，膨脹力大小測(cè)定方法往往不夠精確，導(dǎo)致工程勘測(cè)得到的膨脹力大小往往是一個(gè)建議取值范圍。本工程中給出的膨脹力大小為108 kPa，而實(shí)際地層中可能由于膨脹土在不同位置膨脹力大小不一，所以本次計(jì)算取80～140 kPa共6級(jí)膨脹力進(jìn)行計(jì)算。采用不同膨脹力的膨脹土，在泥水浸潤(rùn)時(shí)間為6 d時(shí)，進(jìn)行計(jì)算模擬。開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力比隨膨脹土膨脹力的變化情況見(jiàn)圖8。

圖8 極限支護(hù)壓力比隨膨脹力大小的關(guān)系Fig.8 Relationship between the ratio of ultimate support pressure and expansion force

從圖8中可以看出，隨著膨脹土膨脹力取值的增大，開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)膨脹力小于100 kPa時(shí)，極限支護(hù)壓力比變化較為平緩;超過(guò)100 kPa時(shí)，極限支護(hù)壓力比明顯增大。因此，膨脹力在100 kPa時(shí)為該工程膨脹土的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，若膨脹力超過(guò)140 kPa，則在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)采取必要的安全措施。

3.3.3 地層應(yīng)力釋放與支護(hù)壓力比的關(guān)系

盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程會(huì)對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，并造成應(yīng)力釋放。盾構(gòu)停機(jī)檢修過(guò)程中，在應(yīng)力釋放的同時(shí)，伴隨著開(kāi)挖面接觸應(yīng)力的減小，開(kāi)挖面支護(hù)壓力比亦減小。對(duì)于應(yīng)力釋放，通常考慮為支護(hù)應(yīng)力不足及盾尾壁后注漿引起的應(yīng)力釋放2部分，其中，對(duì)于開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力小于原有地應(yīng)力引起的應(yīng)力釋放，通常在計(jì)算中通過(guò)設(shè)定某一假定的應(yīng)力釋放率來(lái)考慮。本文通過(guò)監(jiān)測(cè)停機(jī)檢修過(guò)程中隨開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力的變化，以及開(kāi)挖面附近土體單元的應(yīng)力及應(yīng)變的變化情況，為研究因開(kāi)挖引起的應(yīng)力釋放規(guī)律提供參考。

圖6所示的單元豎向應(yīng)力及水平應(yīng)力與開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力比的變化情況如圖9和圖10所示。

圖9 水平向應(yīng)力釋放率與支護(hù)壓力比的關(guān)系Fig.9 Relationship between horizontal stress release rate and the ratio of ultimate support pressure

圖10 豎向應(yīng)力釋放率與支護(hù)壓力比的關(guān)系Fig.10 Relationship between vertical stress release rate and the ratio of ultimate support pressure

由圖9和圖10可知:

1)隨著開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力的逐漸減小，開(kāi)挖面周?chē)馏w的豎向應(yīng)力變化與單元位置有關(guān)，在隧道頂部(測(cè)點(diǎn)F1和F2)及底部(測(cè)點(diǎn)F5和F6)表現(xiàn)為應(yīng)力減小，而在隧道斷面水平位置，隧道洞口外測(cè)點(diǎn)F3表現(xiàn)為極限壓力許可范圍內(nèi)應(yīng)力增大，隧道洞口內(nèi)測(cè)點(diǎn)F4表現(xiàn)為極限壓力許可范圍內(nèi)應(yīng)力增大，臨近極限支護(hù)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力快速釋放。

2)在極限支護(hù)應(yīng)力允許范圍內(nèi)，支護(hù)應(yīng)力減小引起周?chē)馏w的應(yīng)力釋放，在隧道洞口范圍內(nèi)和隧道洞口范圍外的土層表現(xiàn)不均等，隧道洞口范圍內(nèi)土層應(yīng)力釋放率大于隧道洞口范圍外土層應(yīng)力釋放率。

3)在極限支護(hù)應(yīng)力允許范圍內(nèi)，支護(hù)應(yīng)力減小引起周?chē)馏w的應(yīng)力釋放在豎向和水平向不均等，豎向應(yīng)力釋放率大于水平向應(yīng)力釋放率。

4)在極限支護(hù)應(yīng)力范圍內(nèi)，由于開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力不足引起的水平向應(yīng)力釋放率一般在20%以內(nèi)，豎向應(yīng)力釋放率一般在30%以內(nèi)。

4 開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞形式及原因分析

由上述分析可知，極限支護(hù)壓力比隨著泥水浸潤(rùn)時(shí)間和土體膨脹力的增大而增大。當(dāng)盾構(gòu)在膨脹土地層長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，由于其極限支護(hù)壓力比不斷增大，當(dāng)保持支護(hù)壓力不變的情況下，可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。揚(yáng)州瘦西湖隧道工程3次塌方都是在停機(jī)5～6 d之后。開(kāi)挖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向及水平位移隨泥水浸潤(rùn)時(shí)間的變化關(guān)系如圖11和圖12所示。

圖11 開(kāi)挖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移隨泥水浸潤(rùn)時(shí)間的變化關(guān)系Fig.11 Relationship between vertical displacement of monitoring points at excavation face and slurry infiltration time

圖12 開(kāi)挖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移隨泥水浸潤(rùn)時(shí)間的變化關(guān)系Fig.12 Relationship between horizontal displacement of monitoring points at excavation face and slurry infiltration time

由圖11和圖12可知，隨著泥水浸潤(rùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，開(kāi)挖面前方土體的位移量不斷增加，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，土體往泥水艙方向位移量水平向大于豎直向，土體位移模式表現(xiàn)為“鼓出型”，但是這種破壞現(xiàn)象區(qū)別于一般黏性地層的“鼓出型”破壞模式。在已有的關(guān)于黏土地層開(kāi)挖面破壞的研究中，位移最大點(diǎn)多位于隧道中心點(diǎn)附近，隧道四周位移逐漸減小，呈現(xiàn)出向隧道內(nèi)部凸出的形式;而在本次計(jì)算中，S1為隧道頂部附近位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，S9為隧道底部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8為隧道開(kāi)挖斷面內(nèi)開(kāi)挖面前方土體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，高程依次減小，無(wú)論是豎向位移還是水平位移，前方土體位移最大點(diǎn)為隧道頂部土體，向隧道底部位移逐漸減小，破壞形式表現(xiàn)為隧道頂部土體涌入隧道內(nèi)部。

隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，開(kāi)挖面附近土體逐漸向泥水艙內(nèi)移動(dòng)，應(yīng)力向周?chē)灰屏枯^小土體發(fā)生傳遞，表現(xiàn)為一定的拱效應(yīng);同時(shí)，由于土體變形，導(dǎo)致滑動(dòng)區(qū)域土體側(cè)向作用力明顯減少。隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，開(kāi)挖面前方土體的位移量不斷增加，開(kāi)挖面前方土體塑性區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，呈扇形向地表擴(kuò)散發(fā)展，極限支護(hù)壓力接近開(kāi)挖面支護(hù)壓力時(shí)，塑性區(qū)發(fā)展到地表面，開(kāi)挖面失穩(wěn)，塑性區(qū)大小基本保持不變，區(qū)域內(nèi)土體的位移量急劇增大，地表呈現(xiàn)出局部塌陷的現(xiàn)象。

5 膨脹土地層開(kāi)挖面穩(wěn)定控制措施

隨著盾構(gòu)的開(kāi)挖，開(kāi)挖面前方具有裂隙性的膨脹土裂隙開(kāi)展，滲透系數(shù)增大，加速了泥水入滲。由于泥漿入滲，膨脹土因含水率增加發(fā)生一定量的膨脹，向泥水艙內(nèi)部發(fā)生擠入，并且強(qiáng)度降低。由于盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，這種現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力比增大，開(kāi)挖面穩(wěn)定性降低。因此，控制開(kāi)挖面穩(wěn)定性應(yīng)從以下幾方面著手:

1)控制開(kāi)挖參數(shù)，盡量平穩(wěn)勻速開(kāi)挖，減少開(kāi)挖面擾動(dòng)，盡量避免開(kāi)挖面前方膨脹土裂隙開(kāi)展，減少泥漿入滲通道;

2)減少停機(jī)時(shí)間，如因特殊情況需要停機(jī)檢修時(shí)，可以采用“多次短停”的方式進(jìn)行，防止因停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，開(kāi)挖面前方土體強(qiáng)度不足而導(dǎo)致坍塌;

3)適當(dāng)提高泥水支護(hù)壓力，防止因開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力比增加而發(fā)生破壞;

4)停機(jī)時(shí)適當(dāng)增加泥漿密度和黏度，選用低滲透性能的泥漿，減少泥漿入滲量。

綜合上述措施，對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖參數(shù)和膨脹土地層條件進(jìn)行修正，并進(jìn)行模型驗(yàn)證。假定停機(jī)時(shí)間為2 d，開(kāi)挖面支護(hù)壓力設(shè)定為0.25 MPa，考慮開(kāi)挖控制措施裂隙開(kāi)展程度較小，選取較低滲透系數(shù)，膨脹土地層強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)表2進(jìn)行設(shè)定，模型尺寸、邊界條件及地層其他參數(shù)與之前的模型一致。計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖13 采取控制措施后盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性計(jì)算分析圖(泥水浸潤(rùn)2 d、支護(hù)壓力比為0.75)Fig.13 Results of excavation face stability analysis after taking control measures(with slurry infiltration time being 2 days and support pressure ratio being 0.75)

由圖13可知，采取開(kāi)挖面穩(wěn)定控制措施后，開(kāi)挖面擾動(dòng)較小，開(kāi)挖面前方土體應(yīng)力釋放量很小，豎向位移和軸向位移均在10－2m量級(jí)，塑性區(qū)分布于盾構(gòu)開(kāi)挖面下部的小范圍內(nèi)，開(kāi)挖面穩(wěn)定性能夠得到很好地保障。

6 結(jié)論與討論

1)超大直徑泥水盾構(gòu)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到越來(lái)越多的應(yīng)用，開(kāi)挖面穩(wěn)定性是保證工程安全的關(guān)鍵。本文針對(duì)揚(yáng)州瘦西湖盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)塌方現(xiàn)象，以開(kāi)挖面前方土體含水率分布變化引起膨脹應(yīng)力場(chǎng)和土體強(qiáng)度降低為主要研究?jī)?nèi)容，展開(kāi)膨脹土地層掘進(jìn)中泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性研究，揭示了隨著泥水浸潤(rùn)時(shí)間的增加，土體強(qiáng)度降低，開(kāi)挖面穩(wěn)定性不斷下降的機(jī)制。

2)本文著重研究膨脹土地區(qū)、全黏土地層極限支護(hù)壓力比的變化與開(kāi)挖面破壞形式，發(fā)現(xiàn)支護(hù)壓力比隨著浸水時(shí)間的增加、膨脹土膨脹力的增高而加大，當(dāng)保持支護(hù)壓力不變的情況下，可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，且失穩(wěn)形式區(qū)別于一般黏性地層的“鼓出型”破壞模式，破壞形式表現(xiàn)為隧道頂部土體涌入隧道內(nèi)部。

3)根據(jù)開(kāi)挖面失穩(wěn)原因，提出以下已通過(guò)模型計(jì)算驗(yàn)證的穩(wěn)定控制措施:①控制盾構(gòu)開(kāi)挖參數(shù)，減少開(kāi)挖面擾動(dòng);②采用“多次短停”的方式進(jìn)行停機(jī)檢修;③增加泥漿密度和黏度，減少泥漿入滲量，以提高泥水支護(hù)壓力。

文章雖然較為全面地研究了停機(jī)過(guò)程的開(kāi)挖面穩(wěn)定性，但是使用模型分析把問(wèn)題簡(jiǎn)單化，沒(méi)有充分考慮地層不均一性和地下水的情況，并針對(duì)其他地層，應(yīng)有不同的變形規(guī)律，這將是后續(xù)工作的重點(diǎn)。

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