軟土地層中盾構開挖面失穩情況下的土體擾動影響分析

顏 超

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

近年來，隨著我國經濟的高速增長和城市化水平的不斷提高，隧道及地下空間開發得到了迅猛的發展。作為地下交通設施建造的主要方法，盾構法已得到了廣泛的應用。盾構隧道施工中，開挖面的穩定情況將直接影響周圍土層以及建（構）筑物的變形。當開挖面支護壓力過小時，開挖面將發生失穩破壞，致使地表因沉降過大而發生塌陷，從而導致事故的發生，因此，保證開挖面穩定性是盾構隧道施工的關鍵。

盾構隧道開挖面失穩是盾構隧道研究領域的重點和熱點，同時也是一個非常傳統的研究課題，國內外學者如朱偉等[1]、Kamata等[2]，Chen等[3]通過數值模擬等方法開展了大量的研究。不過大多數研究都是針對砂土地層展開的，而對于像上海、杭州等濱海城市來說，地層以軟黏土為主，因此弄清軟黏土地層中盾構開挖面的失穩機制將會對軟土地層的盾構掘進提供有益的參考。本文基于上海軟土地層中的常規地鐵盾構隧道工程，通過數值模擬的方法對典型尺寸下的盾構開挖面失穩擾動機制展開分析和研究，以期為后續軟土地層盾構施工提供理論基礎。

1 有限元模型

1.1 模型尺寸

依據常見的地鐵盾構隧道工程情況，本文采用有限元軟件Abaqus建立了相應典型尺寸的隧道有限元模型，如圖1所示。其中，模型的整體尺寸具體為25 m（x方向）×20 m（y方向）×20 m（z方向），如圖1（a）所示；盾構埋深取9 m，直徑取6 m，開挖長度取10 m，如圖1（b）所示。

1.2 材料參數選取

在數值計算中，土體采用實體單元（C3D8I）進行模擬，本構模型采用Mohr-Coulomb模型，土體物理力學參數選取上海地區典型軟土地層參數，具體參數情況如下：密度為1 800 kg/m3，壓縮模量為2.15 MPa，黏聚力為13 kPa，內摩擦角為13°。

圖1 有限元模型

1.3 邊界條件及計算工況

整個數值模擬計算過程分為以下幾個步驟：

1）在初始分析步中，將土體除上表面之外，其他各表面設置法向位移為0的邊界條件。隧道和擋板設置各方向位移為0的邊界條件。

2）地應力平衡分析步，這一步將土體賦予重力，使土體生成自重應力場，且將土體初始沉降控制在10-6以下。為模擬試驗中先有隧道、后將土體填入這一過程，我們將隧道模型和土體模型之間的接觸關系綁定，并采用Abaqus自帶的生死單元功能，將隧道失效，這樣可以確保在地應力平衡過程中，隧道內部土體的位移場和應力場為0，相當于隧道內部土體對外部土體沒有影響，以此來模擬試驗中隧道內部無土的情況。

3）將隧道內部土體失效，同時激活隧道單元和擋板單元。擋板和開挖面之間采用法向硬接觸、切向摩擦的接觸關系，摩擦因數為0.7。

4）向擋板施加一個后退的位移邊界條件，模擬開挖面失穩。

同時為了可以更為全面地分析開挖面失穩對土體的擾動規律，在數值計算中還設置了如下計算工況，詳見表1，其中C代表隧道埋深，D代表隧道直徑。

表1 計算工況

2 計算結果分析

2.1 地層位移場分析

圖2為開挖面失穩情況下，盾構開挖面前方位移場云圖。圖中圈出了數值模擬計算得到的開挖面失穩對前方土體變形的影響范圍。可以看出，由于黏聚力的存在，前方土體失穩區域近似呈現出“盆”狀，這與Mair[4]采用離心試驗所給出的飽和軟黏土開挖面一般失穩區域形態一致。

圖2 土體變形數值與試驗云圖對比

圖3更詳細地給出了數值計算所得到的地層變形結果。其中圖3（a）為深度1.5D處開挖面前方土體的豎向位移曲線，圖3（b）為深度1.5D處開挖面前方土體的水平位移曲線。對于開挖面前方沿隧道縱向距離L、豎向位移v和水平位移w均采用隧道直徑D進行了無量綱化處理，即L/D、w/D、v/D。

圖3 深度1.5D處開挖面前方土體變形曲線

從圖3可以看出，深度1.5D處開挖面前方土體的水平位移和豎向位移變化趨勢基本一致，均呈現出先快速增大，后緩慢減小的趨勢，整體呈現出下凹的沉降槽。水平位移與豎向位移的最大值均發生在0.3D～0.4D的區域。

2.2 不同埋深比下開挖面失穩土體擾動分析

本文分別計算了埋深比C/D為0.5、1.0、1.5、2.0這4種工況下開挖面前方土體的變形情況，并繪制了位移場云圖（圖4）。

從圖4可以看出，在不同埋深比下，開挖面前方的位移場整體形態并沒有大的變化，整體呈現出“盆”狀，但是隨著埋深比的不同，開挖面失穩對前方土體位移的影響范圍卻發生了較大的改變。主要體現為以下幾點：

1）隨著隧道埋深的增加，開挖面失穩對地表的影響逐漸減小。當埋深為0.5D時，前方土體的位移會迅速延伸至地表；埋深1.0D時影響明顯減小；當埋深為1.5D和2.0D時，開挖面前方土體的變形已經對地表基本不產生影響。

2）隨著隧道埋深的增加，開挖面失穩破壞產生的位移最大值逐漸增加，且均出現在掌子面正前方處。

為進一步分析埋深比對隧道開挖面失穩的影響，本文提取了不同埋深情況下的地表縱向沉降曲線，如圖5所示，并對橫縱坐標進行了無量綱化處理。

圖4 不同埋深比下開挖面前方土體變形云圖

圖5 不同埋深下地表沉降曲線

從圖5可以看出，地表沉降整體上呈現先增大后減小的凹槽狀，同時不難發現，不同的埋深比條件下，地表沉降值變化巨大。當埋深比為0.5時，豎向沉降的比值為2.7左右，埋深為1.0時，該值減小到1.5左右，當埋深比為2時，豎向沉降比值減小到只有1.0左右，說明地表沉降值隨著埋深的增大迅速減小。

除此之外，地表沉降的影響范圍也與隧道埋深比有很大的關系。從圖5中還可以看出，隧道埋深比為0.5時，開挖面失穩對地表的影響范圍最小，隨著埋深的增加，地表沉降槽的寬度逐漸增大。這可能與黏土黏聚力較大有一定的關系。

在黏土中，由于黏聚力的存在，破壞區域不像在砂土中，能夠直接延伸到地表，而是呈一個向外擴散的趨勢。當埋深較淺時，這一特點尚不明顯，但是隨著埋深的增加，可以發現，在黏土中的破壞形式與在砂土中存在明顯的差異。

圖6為不同埋深條件下，開挖面前方中軸線上土體的變形曲線。由圖6可知，豎向位移和水平位移的最大值均發生在開挖面處，隨著與開挖面的距離增大，水平位移和豎向位移值迅速減小，當距離開挖面約為2.0D時，水平位移和豎向位移基本減小為0。

值得注意的是，隨著埋深的增加，開挖面處的最大位移不減反增，這點與地表沉降規律相反。這可能是由于隨著埋深的增加，開挖面處的應力值增高，一旦發生失穩現象出現應力釋放，開挖面處小范圍內的應力場變化過大，就會產生局部較大的位移值。

圖6 不同埋深下開挖面前方中軸線土體變形曲線

3 結語

本文主要基于常見地鐵盾構工程，通過數值方法和無量綱分析揭示了軟土地層中盾構開挖面失穩擾動機理。主要得到了以下幾條結論：

1）在軟土地層中，由于黏聚力的存在，開挖面失穩時前方土體失穩區域近似呈現出“盆”狀，這與砂土地層中的失穩模式是不同的。

2）通過對不同埋深比下盾構開挖面失穩進行模擬，發現在軟土地層中，隨著隧道埋深的增加，開挖面失穩對地表的影響逐漸減小，當埋深達到1.5D及以上時，開挖面失穩將不再延伸至地表。

3）不同埋深比下盾構開挖面失穩對地表沉降范圍的影響不一樣。埋深比越小，地表沉降范圍影響也越小；當埋深比增加，地表沉降范圍也會增加。