建筑偏載下大直徑盾構隧道開挖面穩定性數值模擬分析

沈 雯

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

盾構法憑借自身的突出優勢，成為了目前城市地鐵建設中最主要的一種施工技術，在實際施工過程中，能否穩定控制開挖面，決定了開挖能否安全順利地進行，而開挖面的穩定性又取決于開挖面支護力的控制和確定。通常情況下，支護力過大會使土體隆起，支護力過小則會引起土體發生沉降，甚至造成地層的坍塌。近些年來，我國由于盾構施工過程中開挖面支護力施加不當而造成的施工事故屢次發生。

國內外學者在研究開挖面失穩破壞模式的基礎上總結了許多理論計算模型，主要包括塑性極限分析理論和楔形體計算模型理論。Broms等[1]最早提出了黏土地基不排水開挖面穩定系數法；Horn[2]提出了三維楔形體模型的概念，指出通過對楔形體的力學特征進行分析可以求得作用在楔形體上的泥漿支護力的取值范圍；Anagnostou等[3]基于上述的三維楔形體計算模型，假定土層為均質的，提出了考慮土壓平衡盾構施工過程中，地下水滲流產生的滲透力對楔形體的影響；魏綱等[4]對三維楔形體計算模型進行了修正，提出了梯形楔體計算模型。通過算例分析表明，梯形楔體計算模型計算得到的最小支護應力小于楔形體計算模型，計算結果更接近離心模型試驗結果[5]；Mair[6]采用離心模型試驗研究了飽和軟黏土地層的開挖面穩定性，研究結果表明：由于黏聚力的存在，開挖面失穩的區域大大增加，呈現出“盆”狀沉降槽；湯旅軍等[7]基于離心模型試驗對密實砂土地層中盾構隧道開挖面穩定性進行研究，研究結果表明：隨著開挖面位移的增大，開挖面支護力先減小為極限值，而后逐漸增大并最終趨于殘余值；丁菲[8]采用離心模型試驗對水下盾構隧道開挖面失穩過程進行模擬，揭示了盾構隧道在開挖面失穩過程中前方區域土拱效應的發展及開挖面漸進破壞過程；馬忠武等[9]基于透明土技術開展模型試驗，研究了隧道前方縱斷面土體位移矢量、沉降槽和破壞模式，研究結果表明：開挖面失穩后土體以垂直位移為主，淺埋時土體破壞呈現“楔”形，破壞面延伸至地表，深埋時擾動范圍向開挖面變窄，并出現壓力拱，擾動體呈現為“筒倉”形。

朱偉等[10]采用FLAC 3D研究了砂土中盾構開挖面變形與破壞模式，研究結果表明：砂土地層開挖面失穩時，開挖面附近破壞區域呈“楔”形，其上為“煙囪”狀，當埋深較大時，開挖面破壞發展不到地表面，表現為局部破壞；秦建設等[11]采用FLAC 3D研究了黏土中盾構開挖面變形與破壞模式，研究結果表明：黏土開挖面失穩表現為“鼓出”狀，開挖面失穩影響區域較大。由于土拱作用的存在，開挖面破壞表現為局部破壞，使開挖面坍塌未發展到地表；許春彥[12]基于FLAC 3D軟件建立了數值計算模型，分別研究了在砂土和黏土地層中進行盾構施工時開挖面穩定性問題，同時對隧道埋深、直徑及土層材料對地表沉降規律、開挖面極限支護力、開挖面失穩后隧道地層變形狀態進行了敏感性分析；陳東海[13]依托長沙市某盾構隧道工程，建立了盾構掘進過程中顆粒的離散元力學模型，通過改進掘進面支護壓力，研究了砂卵石地層盾構掘進面的失穩機理。

綜上所述，既有相關研究主要集中于不考慮地表建筑荷載條件下的盾構開挖面失穩機制，而實際上盾構在城市核心區施工過程中，將不可避免地接近既有建筑物結構，位于盾構側方的建筑物無疑會造成地表偏載。建筑物結構荷載無疑會增加地層的附加荷載，造成開挖面的不平衡荷載，對開挖面的控制產生影響。因此，有必要進一步研究在建筑偏載作用下的盾構開挖面失穩演化規律，為盾構隧道開挖面控制提供技術支撐。

1 大直徑盾構隧道開挖面數值建模

通過采用Plaxis 3D數值模型，構建在受建筑偏載下的大直徑盾構隧道開挖面演化三維數值模型。構建的三維模型尺寸為150 m（長）×100 m（寬）×80 m（高），采用大直徑盾構施工，盾構已經掘進15 m，直徑為14.26 m，盾構隧道軸線埋深也為14.26 m，即考慮盾構埋深在0.5D（D為隧道直徑）淺埋工況下。地表建筑為民房建筑，基礎為矩形平面的淺基礎，建筑物的長邊和短邊分別為30 m和20 m，盾構開挖面到建筑物邊緣的距離為2 m，建筑物長邊和盾構外緣在同一線上。建筑物和盾構相關平面和三維有限元模型如圖1、圖2所示。考慮到建筑物為8層，其地基荷載為350 kPa。

圖1 建筑物與盾構平面相對位置示意（單位：m）

圖2 三維有限元模型

大直徑盾構位于上海軟黏土層施工，由于本文主要為研究開挖面與地表建筑偏載的影響，因此假定土層為均一的上海軟黏土地層。淤泥質黏土具有應變軟化、剛度下降的特點，因此，小應變（HS-Small）模型土體本構模型考慮土體的受力變形。該本構模型可以反映土體在受力過程中剛度弱化的效應。相關土體參數取值如表1所示。本文暫不考慮盾構本身的變形，因此考慮其為剛度結構。為對比分析建筑荷載對開挖面的影響，同時對地表無建筑的情況進行建模分析。

表1 淤泥質黏土的HS-Small模型參數

開挖面支護壓力分布考慮為均布，這和泥水盾構施加的均勻泥水壓力一致。計算模型考慮支護比從1.0減少到0.1之間變化過程中，大直徑盾構開挖面的演化發展歷程。

2 結果分析

2.1大直徑開挖面變形演化分析

圖3為地表無建筑荷載時大直徑盾構開挖面總位移發展演化云圖。

圖3 地表無建筑荷載時開挖面總位移發展演化云圖

由圖3可見，當開挖面支護壓力與地層靜止側向壓力相等時，開挖面總位移僅為1～2 mm，開挖面穩定性極好，盾構掘進對地層的擾動小；隨著開挖面支護比從1.0下降至0.4時，開挖面正前方的土體位移逐漸發展，但是開挖面基本保持較為穩定的狀態，最大開挖面位移從2 mm增加值10 mm。當開挖面支護壓力進一步減小為0.2時，發現開挖面前方土體位移迅速發展，最大土體位移在開挖面前方，最大位移達到了56 mm，此時土體位移場仍然集中于開挖面前方；而當開挖面支護壓力比降至0.1時，土體位移發展至地表，影響范圍明顯增大，在開挖面前方土體位移達到260 mm，此時開挖面有失穩的趨勢。

圖4為地表有建筑荷載時開挖面總位移發展演化云圖。對比圖3可以發現，盾構前方建筑的存在對開挖面變形演化有重要的影響。觀察圖4（a）～圖4（d）可見，地表建筑物引發地層附加荷載和附加位移，當開挖面支護比為0.6～1.0時，地表建筑的存在對開挖面位移發展影響不大，而開挖面支護比進一步降低時，地表建筑荷載逐步與開挖面相互影響，逐漸形成位移的貫通區域，且開挖面前方最大荷載高達20 mm，大于無建筑的情況。這也說明，盡管開挖面前方存在荷載，只要開挖面支護壓力保持在靜止側向土壓力附近，盾構前方開挖面依然能保持較好的穩定性。

圖4 地表有建筑荷載時開挖面總位移發展演化云圖

當開挖面支護比降至0.2時，開挖面前方與地表已經形成了類似“喇叭”狀的位移貫通區域，土體位移明顯增大，開挖面前局部土體位移在110 mm附近；當支護比為0.1時，此時開挖面已經失穩，最大土體位移高達480 mm。對比圖4（f）與圖3（f）發現，有建筑荷載情況下開挖面失穩影響區域明顯大于無建筑的情況。可見，當地表存在不平衡建筑荷載時，盾構開挖面前方土體位移增大，且失穩影響區域遠大于無建筑的情況。

2.2開挖面位移分析

進一步對盾構軸線前方側向位移、深層側向位移和地表沉降進行分析，以探究地表不平衡建筑荷載對開挖面穩定的影響。圖5為盾構開挖面軸線前方土體側向位移隨支護比變化的發展曲線。由圖5可見，當支護比大于0.8時，有無地表建筑物2種情況下，軸線處側向位移基本一致，可見，當盾構開挖面在建筑物下方時，開挖面支護壓力比若調整為0.8以上，開挖面可保持較好的穩定性；當支護比逐漸減小時，盾構軸線前方的側向位移逐步增加，同時發現地表存在建筑時，側向位移大于無建筑情況下的位移。由側向位移發展曲線可見，當支護比為0.3時，側向位移曲線發生明顯的轉折；當支護比大于0.3，在有無建筑荷載的情況下，開挖面前方的側向土體位移相差不大；而當支護比小于0.3時，側向土體位移迅速發展，且有無建筑的情況下側向土體位移差進一步增加。可見，支護比為0.3是關鍵的控制性支護比，實際盾構掘進施工時，開挖面的支護比不應小于該值，否則將會導致開挖面的失控發展。

圖5 不同支護比下盾構開挖面軸線前方土體側向位移曲線

由圖5發現，當支護比從0.2降到0.1時，地表無建筑情況下，側向位移從50 mm迅速發展到172 mm；同樣地，在地表存在建筑的情況下，側向位移從96.6 mm急劇發展到306.7 mm。可見，此時開挖面穩定性遭到破壞，開挖面前方土體失穩崩塌。同時發現，在存在建筑物的情況下，開挖面前方土體位移發展遠大于無建筑的情況，地表建筑物的存在加劇了開挖面的失穩破壞，因此，在實際軟土地基施工過程中，當上方存在建筑物時，較小的支護壓力將會造成嚴重的開挖失穩破壞。

圖6和圖7分別為地表有建筑和無建筑情況下，盾構開挖面前方土體側向位移隨深度的變化發展曲線。由圖6和圖7可見，隨著支護比降低，深層土體側向位移逐步發展，側向位移曲線類似于“凸肚”形，且位移變化范圍主要在盾構開挖面范圍內。同時發現當支護比大于0.3時，土體側向位移相對較小，而當支護比小于0.3時，土體側向位移迅速發展。

圖6 地表有建筑情況下盾構開挖面前方土體側向位移隨深度的變化發展曲線

圖7 地表無建筑情況下盾構開挖面前方土體側向位移隨深度的變化發展曲線

為進一步對比建筑是否存在對深層土體的側向位移的影響，給出了0.1～0.4支護比下深層土體的側向位移曲線，如圖8所示。

圖8 不同支護比下有無建筑物的盾構開挖面前方土體側向位移曲線

總體而言，地表存在建筑的情況下，深層土體的側向位移大于無建筑物的情況。當支護比從0.4下降至0.1時，地表有建筑時的最大土體深層位移分別是無地表荷載的2.0、1.8、2.0和1.9倍。可見，地表建筑物將會加劇深層土體的側向位移發展。

2.3開挖面前方地表沉降分析

當開挖面支護壓力下降，將會導致前方土體位移發展。圖9和圖10分別為無地表建筑和有地表建筑物開挖面前方的地表沉降發展曲線。由圖9可見，在地表無建筑時，隨著支護比下降，開挖面前方土體逐步發生沉降，沉降曲線類似于“勺子”形，最大沉降點在盾構開挖面前方5 m位置處，沉降發生范圍在盾構開挖面前方15 m范圍內，約為1倍盾構隧道直徑。當支護比為0.2時，地表沉降最大，最大沉降值為5.3 mm。

圖9 無地表建筑時盾構開挖面前方的地表沉降發展曲線

圖10 有地表建筑時盾構開挖面前方的地表沉降發展曲線

當存在地表建筑物時，盾構開挖面前方地表沉降槽曲線略有波動，可能是受到附近建筑荷載影響所致，但是整體上地表沉降曲線類似于“勺子”形分布。同時對比發現，有建筑物時地表沉降量均遠大于無建筑時地表沉降量。當支護比為0.2時，地表最大沉降量達到26.6 mm，是無建筑條件下沉降的5倍左右。可見當地表存在建筑時，其地表沉降量明顯增大。

圖11為支護比為0.1時盾構開挖面前方的地表沉降分布示意。當支護比為0.1時，盾構開挖面已經失穩。此時，有無地表建筑的沉降槽曲線基本一致，最大沉降量分別為75 mm和81 mm，二者相差不大，最大沉降均位于開挖面前方5 m處。

圖11 支護比為0.1時盾構開挖面前方的地表沉降分布示意

3 結語

通過建立地表偏載下盾構開挖面穩定性分析三維模型，分析了在軟黏土地層中地表有無建筑荷載下盾構隧道的受力演化規律，得到的主要結論如下：

1）當支護比在0.6～1.0時，地表是否存在建筑對開挖面位移發展影響不大；當開挖面支護比降至0.2時，開挖面前方與地表已經形成了類似“喇叭”狀的位移貫通區域，盾構開挖面前方土體位移增大，且失穩影響區域遠大于無建筑的情況。

2）當支護比為0.3時，側向位移曲線發生明顯的轉折；當支護比大于0.3時，對于有無建筑荷載的情況而言，開挖面前方的側向土體位移相差不大；而當支護比小于0.3時，側向土體位移迅速發展，且有無建筑的側向土體位移差進一步增加。支護比為0.3是關鍵的控制性支護比，實際盾構掘進施工時，開挖面的支護比不應小于該值，否則將會導致開挖面的失控發展。

3）隨著支護比降低，深層土體側向位移逐步發展，側向位移曲線類似于“凸肚”形，且位移變化范圍主要在盾構開挖面范圍內。同時發現當支護比大于0.3時，土體側向位移相對較小，而當支護比小于0.3時，土體側向位移迅速發展。

4）隨著支護比下降，開挖面前方土體逐步發生沉降，沉降曲線類似于“勺子”形，最大沉降點在盾構開挖面前方5 m位置處，有建筑情況的沉降范圍和沉降量均大于無建筑的情況。