富水地層雙線小凈距土壓平衡盾構開挖面穩定性研究

王 闖,封 坤,戴志成,吳文彪,林 輝,陳懷偉

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.粵水電軌道交通建設有限公司,廣州 510610；3.浙江省機電設計研究院有限公司,杭州 310051)

隨著我國經濟社會的發展，城際鐵路逐漸成為大型城市群間相互連接的重要交通方式，而盾構法因其施工速度快、風險低、對城市地面交通影響小等優點而成為城際鐵路隧道穿越復雜環境工程的首選。然而，盾構掘進施工過程中不可避免會對周圍地層產生擾動，尤其當地下水位較高時，由于滲透力的作用易導致開挖面失穩，對周圍環境造成嚴重危害，應引起高度重視[1]。

針對滲流條件下的盾構隧道開挖面穩定性，眾多學者開展了一系列研究。Anagnostou 等[2]根據滑動塊為矩形楔形體時的極限平衡條件，研究了地下水條件下盾構開挖面的極限支護壓力。高健[3]推導了考慮地下水滲流時盾構穿越高地下水位地層隧道掘進面支護壓力解析表達式。喬金麗等[4]利用太沙基有效松動土壓力理論和上限定理，推導了滲流作用下盾構穿越多層土的隧道開挖面極限支護壓力的計算公式。LIU Wei 等[5]在建立成層土中地下水滲流模型的基礎上，推導了考慮地下水滲流的盾構開挖面極限支護壓力上限解。宋曙光[6]基于構建的三維旋轉體優化破壞模型，推導了開挖面滲流力和坍塌土體中的滲流力求解公式，得到了滲流作用下復合地層中開挖面支護壓力上限解。梁禹等[7]運用極限平衡法，在考慮隧道縱坡坡度及超孔隙水壓力影響條件下，對隧道極限支護力計算公式進行了修正。黃阜等[8]基于極限分析上限定理和空間離散技術，構建了適用于在飽和土體中掘進的盾構隧道開挖面上限破壞機制。Buhan等[9]考慮地下水的作用，建立了土壓平衡盾構開挖的數值模型，發現滲透作用對開挖面穩定性影響較大。康志軍等[10]對考慮完全流固耦合效應的盾構隧道開挖面失穩過程進行了模擬和驗證。

現有考慮滲流作用的盾構隧道開挖面穩定性分析中，主要針對單線隧道開挖面的極限穩定狀態開展，而考慮雙線隧道近接施工擾動時開挖面穩定性的影響未見報道。鑒于此，本文提出了基于屈服接近度的隧道開挖擾動分析方法，并結合廣佛環線沙堤隧道工程，建立FLAC3D流固耦合分析模型，并考慮了地下水滲流作用影響，分析了富水地層雙線小凈距土壓平衡盾構隧道在不同縱向開挖間距下先行隧道開挖面擾動行為，評價了富水地層雙線盾構施工時開挖面的穩定性，該方法可為類似工程設計和施工提供參考。

1 滲流作用下開挖面穩定性分析

1.1 基于屈服接近度的開挖面擾動分析

隧道開挖擾動引起圍巖性質的弱化，根本是其力學性質的弱化，因此巖體應力狀態的變化能夠反映隧道開挖的擾動程度。而巖土體內一點的應力狀態，可以由主應力構成的主應力空間來描述；如圖1為π平面上一點A的應力狀態，當主應力空間中應力點滿足相應極限平衡條件時，則構成了屈服面。

圖1 π平面上一點應力狀態示意

根據主應力空間內初始屈服面與未屈服應力點的相互關系，周輝等[11]提出了屈服接近度(YAI)的概念，即空間應力狀態下的一點沿最不利應力路徑到屈服面的距離，與相應的最穩定參考點在相同羅德角方向上沿最不利應力路徑到屈服面的距離之比，并推導了基于Mohr-Coulomb準則的屈服接近度計算函數(式(1))。當應力點在屈服面上時，屈服接近度YAI的值為0，在等傾線上時為1，即YAI∈[0,1]。

YAI=

(1)

式中，I1為應力張量的第一不變量；J2為偏應力張量的第二不變量；θσ為應力羅德角；c為地層黏聚力；φ為摩擦角。

基于上述屈服接近度的概念，將隧道開挖面巖體主應力值及相關參數代入式(1)，可得隧道開挖前后開挖面的屈服接近度分別為YAI0和YAI1；通過比較YAI0和YAI1數值的差異性，即可判斷隧道開挖對巖體的擾動程度及其穩定性。

1.2 流固耦合計算理論基礎

基于屈服接近度的概念，從主應力狀態變化程度對隧道開挖巖體穩定性進行評價；而對于地下水因素的考慮，結合FLAC3D有限差分軟件提供的流固耦合計算模塊來實現。首先利用FLAC3D軟件建立數值分析模型并進行隧道開挖的流固耦合計算，然后利用屈服接近度概念對開挖巖體穩定性進行分析，從而實現對流固耦合作用下隧道開挖穩定性的評價分析。

流體在介質中流動時，主要引起孔隙水壓、飽和狀態、滲透流量的改變。在利用FLAC3D有限差分軟件進行流固耦合計算時，地層中孔隙水壓、飽和狀態、體積應變等應力場及滲流場量值的變化關系滿足相應的流動方程、平衡方程和本構方程[12]。由于地層水文地質參數有限，進行盾構隧道開挖的流固耦合計算時，結合FLAC3D軟件的計算原理，將巖體視作多孔介質，假設地層水平滲透系數與豎向滲透系數一致，采用各向同性滲流模型進行計算，流體在巖土體內的運動滿足Darcy滲流定律

qi=-k[p-ρfxjgi]

(2)

式中，k為介質的滲流率；ρf為流體的密度；gj(j=1,2,3)為重力加速度的3個分量。

流固耦合計算時滲流場和應力場的關系符合Biot固結理論，且本文中只涉及飽和土體的滲流，相應的控制方程如下

Δσij+αΔpδij=Hij(σij,Δξij)

(3)

式中，Δσij為應力增量率；α為Biot系數；Δp為孔隙水壓力增量；δij為Kronecher因子；Hij為給定函數；Δξij為總應變增量。

2 數值模型建立

2.1 工程概況

廣佛環線沙堤隧道位于佛山市南海區和禪城區內，設計起點里程DK1+615 m，終點里程DK7+830 m，為雙線隧道；隧道全長5 985.731 m，盾構段全長5 035 m。其中隧道自3號井始發時雙線最小間距僅3 m，最小覆土厚度6.5 m，始發后長距離穿越南北大涌河，為典型的小凈距雙線水下盾構隧道。圖2為廣佛環線沙堤隧道3號井始發段的線路平面情況，由于存在較大的施工風險，施工時對3號井始發段縱向加固28 m(17.5環距離)，并在始發區一定范圍內對南北大涌河進行了臨時改道。

圖2 3號井始發區段線路平面示意(單位：環)

3號井始發段隧道范圍內地下水類型為第四系孔隙水，補給主要通過大氣降水入滲及南北大涌側滲。含水層主要為第四系海陸交互沉積層中的粉砂、細砂、中砂、粗砂及強、弱風化砂巖；含水層分布廣泛連續，富水較好～好，透水中等～強。強、弱風化砂巖厚度較大，分布廣泛，巖體裂隙較發育或稍發育，含有較為豐富的地下水，富水性較好，透水性一般。圖3為隧道施工時外送的渣土，由于隧道范圍內地下水豐富，開挖引起地下水向隧道內滲流，土倉渣土呈流塑狀。

圖3 土倉流塑狀渣土

該區間隧道設計管片內徑7.7 m，外徑8.5 m，幅寬1.6 m，厚度0.4 m，采用錯縫拼裝方式，管片襯砌混凝土強度等級為C50。工程中采用2臺土壓平衡盾構機進行作業，并考慮始發段小凈距及富水地層等復雜因素所帶來的風險，先進行左線始發掘進，在保持一定縱向施工間距的情況下進行右線的始發掘進。因此，針對該工程3號井始發段的特殊工程特點，研究雙線隧道不同縱向開挖間距下的施工“疊加效應”。考慮始發段有一定的加固范圍，以未加固段的典型斷面位置處地層條件(圖4)為依據，進行數值模擬分析。其中雖然南北大涌河改道但地下水豐富，設水位線位于地表處；雙線隧道在該斷面處埋深11.5 m，凈距6.10 m。

圖4 計算斷面地層地質示意(單位：m)

2.2 數值模型

圖5 三維數值模型(單位：m)

利用FLAC3D軟件建立考慮雙線隧道縱向施工間距的流固耦合數值計算模型，如圖5所示。根據實際工程左右線的縱向間距，考慮力學和滲流邊界效應，模型總體尺寸為100 m(X軸)×104 m(Y軸)×55.73 m(Z軸)。力學邊界中地表為自由面，四周及底面采用法向位移約束條件；滲流邊界條件中地表為透水邊界(水頭為0)，模型底面為弱風化巖層，設定為不透水邊界；該區段地下水豐富，模型四周設為水頭邊界，隧道開挖掌子面設為透水邊界。

模型中巖土體為理想彈塑性模型，遵循Mohr-Coulomb屈服準則；管片為C50鋼筋混凝土材料，采用Shell結構單元模擬；考慮盾構注漿層的作用，并根據張云等[13]的研究，將盾尾間隙概化為均質、等厚、彈性的等代層，且根據工程中盾尾間隙的實際大小將等代層的厚度取為0.3 m。地層及材料的力學和滲流參數取值如表1所示。

表1 各土層及材料主要物理參數

圖7 監測斷面處先行隧道開挖面水壓力分布(單位：MPa)

圖6為土壓平衡盾構隧道開挖計算模擬示意，通過在開挖面上施加梯形荷載，以模擬土倉壓力，改變單元性質，實現對注漿層和管片襯砌的模擬。考慮FLAC3D流固耦合計算的效率，設置單線施工模擬的循環進尺為8 m(5環管片的拼裝施工)；根據文獻[14-15]中的盾構開挖流固耦合數值模擬流程，每個開挖步內先進行力學計算，后進行流固耦合計算至設定時間。計算中左線先始發，并通過設置左線和右線模擬開挖的先后距離，改變其縱向開挖間距D。

圖6 施工模擬計算示意(單位：m)

針對雙線盾構隧道縱向開挖間距D的差異，設置了9種計算工況，分別為D=0 m(左右線同時開挖)、D=8 m(5環)、D=16 m(10環)、D=24 m(15環)、D=32 m(20環)、D=48 m(30環)、D=64 m(40環)、D=80 m(50環)、D=104 m(先左線后右線)，沿縱向在y=96 m位置處設置監測斷面，根據不同工況下左線隧道開挖至該監測斷面時的狀態量，分析先行隧道開挖面的穩定性。

3 數值計算結果分析

3.1 開挖面滲流場分析

現以設定的監測斷面為目標面，得到不同工況下左線隧道開挖至監測斷面時開挖面的滲流場分布，如圖7所示。

由圖7可知，土壓平衡盾構隧道施工時，在開挖面的位置處形成明顯的“滲流漏斗”，水壓力呈向隧道內凹陷的漏斗狀對稱分布，地下水向隧道內部發生滲流，且在開挖面上水壓力的漏斗狀分布在距隧道中心一定距離后逐漸收斂。當左線和右線同時開挖時，在雙線隧道開挖面附近水壓力均呈漏斗狀分布；當左線先于右線開挖時，巖體水壓力的漏斗狀分布主要存在于左線隧道附近。隨著縱向開挖間距的增大，先行隧道開挖面的水壓力分布，趨向于以左線隧道中心為軸線呈近似對稱分布；各工況中當左、右線縱向開挖間距大于32 m時，先行隧道開挖面處水壓力分布基本相同，說明縱向滲流場的影響范圍為4～5倍洞徑，在此范圍外后行隧道施工對先行隧道開挖面的滲流場擾動很小。

當地下水流入隧道開挖面時，在開挖面附近由于水頭差的作用，會形成作用在土體骨架上的滲透力。而盾構隧道開挖面的穩定性，取決于作用在土體骨架上的有效支護壓力和水頭差作用引起的作用在開挖面的滲透力，且滲透力在總支護壓力中占有重要比重[3]。如圖7所示，當左、右線同時開挖時，先行隧道開挖面附近地下水滲流最明顯，此時作用在開挖面巖體骨架上的滲透力也最大，開挖面的穩定性最低；隨著縱向開挖間距的增大，雙線隧道開挖對先行隧道開挖面滲流場的影響差異性逐漸減弱，后行隧道開挖而引起的先行隧道開挖面巖體上的滲透力減小；即說明當縱向開挖間距較大時，就滲流場擾動方面而言后行隧道開挖對先行隧道開挖面穩定性影響很小。

3.2 開挖面擾動分析

設先左線后右線開挖(D=104 m)工況下先行隧道開挖至監測斷面時開挖面的最小屈服接近度為YAI0，并通過式(4)定義后行隧道施工對先行隧道開挖面最小屈服接近度的擾動率n

(4)

式中，YAI為不同縱向間距下先行隧道開挖至監測斷面時開挖面的最小屈服接近度。

利用式(1)和式(4)得到各工況下先行隧道開挖面的最小屈服接近度及其擾動率如表2所示，各工況下先行隧道開挖面最小屈服接近度變化趨勢如圖8所示。

表2 不同縱向間距下開挖面最小屈服接近度

圖8 監測斷面處開挖面最小屈服接近度變化曲線

由圖8可知，隨著雙線隧道縱向間距的增大，開挖面最小屈服接近度逐漸變大，隧道開挖引起的地層擾動程度逐漸減小，且這種變化趨于平緩。根據表2，以縱向間距為104 m(先左后右)工況下開挖面最小屈服接近度為參考，當縱向間距大于48 m時，后行隧道開挖對先行隧道開挖面最小屈服接近度的擾動小于10%，即先后行隧道開挖間的相互擾動影響較小，應力擾動“疊加效應”不明顯；而當左右線同時開挖時，開挖面最小屈服接近度為0.144 4，擾動率為42.67%；即當雙線隧道縱向開挖間距較小時，施工擾動很容易引起巖體屈服，開挖面穩定性較差；因此在雙線隧道施工中應選定合理的縱向開挖間距，保證施工安全性。

隨著縱向間距的變化，監測斷面處先行隧道開挖面土體變形(y向)如圖9所示。不同縱向間距下開挖面縱向變形規律基本相同，拱頂位置發生的變形最大，拱底位置變形很小；在隧道中心線位置附近變形有一定的突變，開挖面上部產生較大變形且變形沿埋深方向變化率較大，而下部變形較少且變形沿埋深方向變化率較小。綜上可知，土壓平衡盾構隧道施工時開挖面上部土體易率先發生局部失穩破壞。

圖9 監測斷面處先行隧道開挖面變形位移曲線

變形是對巖體應力狀態改變的宏觀表現，如圖9所示，隨著雙線隧道縱向開挖間距的減小，開挖面的變形逐漸變大，隧道開挖對開挖面的應力擾動更加明顯。當縱向間距大于48 m時，先行隧道開挖面最大變形(y向)在-11.337～-10.311 mm，差異性較小，說明此工況下后行隧道開挖對先行隧道開挖面的巖體擾動影響不明顯。基于開挖面最小屈服接近度和開挖面變形規律，得到雙線隧道不同縱向間距下后行隧道對先行隧道開挖面的擾動影響規律基本相近。

3.3 開挖面極限支護壓力分析

根據穩定性理論，現以支護壓力發生變化情況下，開挖面中心點水平位移發生明顯突變時的支護壓力作為開挖面的極限支護壓力[16]。且模擬中支護壓力為梯形荷載，因此取中心點處的支護壓力值表示開挖面支護壓力，并利用文獻[16]中定義的支護壓力比λ來表示開挖面支護壓力大小。針對監測斷面，設不同工況下先行隧道開挖至監測斷面時左右線盾構處于停機狀態，而后保持后行隧道開挖面支護壓力不變，逐級調整先行隧道開挖面支護壓力比，并進行一定時間的流固耦合計算，從而得到不同工況下先行隧道開挖面支護壓力比與開挖面中心點處水平位移的關系曲線如圖10所示。

圖10 不同支護壓力下先行隧道開挖面中心點水平位移

由圖10可知，同一工況下，隨著支護壓力比的減小，先行隧道開挖面中心點處水平位移逐漸增大；當支護壓力比大于0.4時，中心點水平位移變化很小；當支護壓力比在0.4～0.3范圍時，中心點水平位移有一定的增加，位移曲線斜率有一定程度的增大；當支護壓力比小于0.3時，中心點水平位移迅速增加，位移曲線斜率較大。且當支護壓力比在0.3～0.25，中心點水平位移曲線發生明顯突變，不同工況下突變點位置差別不大；根據極限支護壓力的定義，以開挖面中心點位移發生明顯突變時的支護壓力作為極限支護壓力，可知不同縱向開挖間距下先行隧道開挖面的極限支護壓力差別不大。根據文獻[10]，開挖面中心點位移的變化規律反映了開挖面土體應力狀態的變化；而由圖10知，當開挖面支護壓力小于極限支護壓力時，不同工況下中心點水平位移的差異性明顯，隨著縱向間距的減小，中心點水平位移越大；即說明隨著縱向間距的減小，后行隧道開挖對先行隧道開挖面的應力擾動越顯著。

4 結論

本文基于屈服接近度概念，提出滲流作用下開挖面穩定分析方法，并結合廣佛環線沙堤隧道工程建立了FLAC3D流固耦合分析模型，分析不同縱向開挖間距下富水地層雙線小凈距土壓平衡盾構近接施工時，先行隧道開挖面的滲流場和應力場擾動行為，得到如下結論。

(1)后行隧道對于先行隧道開挖面滲流場的影響范圍為4～5倍洞徑；隨著縱向開挖間距的增大，先行隧道開挖面的水壓力分布趨向于以隧道中心為軸線呈近似對稱分布，后行隧道開挖引起的先行隧道開挖面的滲透力較小。

(2)屈服接近度可以從應力擾動的角度反映隧道施工對于土體的擾動程度和開挖面的穩定性；當雙線隧道縱向開挖間距較小時，施工擾動很容易引起巖體屈服，開挖面穩定性較差；因此在雙線隧道施工中應選定合理的縱向開挖間距，保證施工安全。

(3)對于富水地層雙線小凈距土壓平衡盾構隧道，不同縱向開挖間距下先行隧道開挖面的極限支護壓力差別不大。