復雜地層中基于流固耦合的盾構隧道開挖面穩定性研究*

曹校勇，劉永強，孫海東，李 鐸

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710068； 2.中交隧道工程局有限公司，北京 100024)

0 引言

盾構法具有對周邊環境影響小、地質條件適應能力強、施工相對安全且迅速的特點，成為修建水下隧道的首選。國內外越江海軟土隧道幾乎均采用了泥水盾構修建，如英法海峽隧道、東京灣隧道、武漢長江隧道、獅子洋隧道等。已有工程經驗表明，在軟弱地層隧道工程施工過程中，合理地選擇支護壓力對地層周邊環境的影響意義重大。故泥水盾構在越江海軟土層中掘進時，確保開挖面穩定是保證工程安全最重要的問題。

盾構法發展至今，關于盾構隧道開挖面穩定性的研究方法較多，主要有穩定系數法、極限平衡法、試驗研究法、強度折減法和數值模擬法等，其中以試驗研究法和數值模擬法為主，研究成果豐碩。Buhan 等考慮地下水滲流作用，建立了數值仿真模型進行分析，發現其對開挖面穩定性的影響較大；康志軍等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；Schweiger等通過分析考慮滲流力影響的開挖面支護壓力，發現平衡滲流力是開挖面支護壓力的重要組成部分；繆林昌等采用顆粒流軟件從微觀角度分析了盾構隧道掘進過程開挖面失穩機理及砂土中盾構掘進引起的土體破壞形態與分布范圍；黃正榮等采用數值模擬方法分析了地下水水位對支護壓力的影響，研究結果表明，開挖面穩定所需的支護壓力與地下水水位有著密切關系，且水頭壓力對隧道開挖面支護壓力的影響較大；高健等基于極限平衡法研究了地下水穩態滲流對開挖面極限支護壓力的影響，研究結果表明，隨著地下水水位的升高，穩態滲流場產生的滲透壓力對平衡開挖面支護壓力具有較明顯的作用；王浩然等建立考慮穩態滲流影響的彈塑性有限元計算模型并進行數值模擬分析，研究結果表明，滲流力將使隧道開挖面底部的大主應力發生偏轉。

綜上所述，已有研究多從開挖面失穩機理和滲流場對開挖面的影響方面展開，且模擬和試驗地層多為均一地層，未考慮復雜地層的影響。鑒于此，本文依托中寧穿黃隧道工程，開展復雜地層條件和流固耦合作用下，不同支護壓力比對開挖面穩定性的影響研究。

1 工程概況

中寧穿黃隧道采用泥水盾構施工，北岸始發豎井位于石空鎮東黃莊南，距黃河大堤堤腳(濱河大道)約233m。南岸接收豎井位于中寧縣縣城莫嘴村北，距黃河大堤堤腳(濱河南路)約126m。盾構從黃河北岸始發井始發，由南岸接收井吊出。管片采用通用環，內徑為5 500mm，外徑為6 200mm，厚度為350mm，環寬為1 200mm。

根據該區間縱斷面設計、工程地質報告及汛期統計，選取3種工況進行開挖面穩定性研究，其中，工況1為隧道覆土厚度最小(26.0m)，工況2為隧道覆土厚度最大(34.1m)，工況3為隧道處于百年一遇洪水情況下。所選工況地質剖面如圖1所示。

2 模型建立與參數選取

2.1 模型建立與網格劃分

本文采用有限差分軟件FLAC 3D對不同工況、支護壓力比下開挖面穩定性進行分析。根據不同工況的地質剖面，利用MIDAS GTS NX軟件建立單元網格模型，所有模型單元均采用實體單元，如圖2所示，將模型導入FLAC 3D軟件中進行流固耦合計算。

2.2 邊界條件與模型參數

為更好地模擬實際工程情況，對于位移邊界，模型四周及底面設置法向位移約束，模型上表面設置為自由面，不施加約束。考慮隧道埋深條件和地應力場分布，在模型上表面和內部單元施加相應的構造應力，以模擬地層真實的自重應力場；對于模型的流體邊界，設定隧道掌子面為透水邊界，注漿層固結需要一定時間，也設為透水邊界，管片襯砌設為不透水邊界。本文計算涉及的地層參數如表1所示。

表1 地層參數

2.3 數值模擬過程與監測斷面選取

管片幅寬1.2m，共50環，盾構掘進步長取1個幅寬，每開挖1環進行1次流固耦合平衡計算，開挖面超前管片拼裝2環，每完成1步開挖，同時進行壁后注漿和盾尾管片拼裝，針對開挖面泥漿壓力對地層的作用，在開挖面上固定孔隙水壓力模擬泥漿壓力對開挖面孔隙水壓的作用，并提取開挖面在自重作用下的節點法向最大不平衡力，以一定系數反向施加于開挖面，模擬泥漿對開挖面的支護作用。

為消除邊界效應的影響，選取隧道中間位置處作為監測斷面。

3 結果分析

不同工況下，以泥漿支護壓力比為計算條件，進行開挖面穩定性流固耦合分析，其中泥漿支護壓力比分別為0.6，0.7，0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6。

3.1 開挖面中心前方地層滲流場

孔隙水壓力監測點位于開挖面中心前方0～30m位置，不同支護壓力比下開挖面中心前方地層孔隙水壓力變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，當泥漿支護壓力比為1.0時，監測點位置的地層孔隙水壓力基本不變，說明該支護壓力比條件下，盾構開挖基本不對地層滲流場造成擾動；當泥漿支護壓力比<1.0時，開挖面前方地層孔隙水壓力小于原地層孔隙水壓力，這是因為地下水在壓力差作用下向開挖面回涌，使開挖面處孔隙水壓力降低；當泥漿支護壓力比>1.0時，開挖面前方地層孔隙水壓力大于原地層孔隙水壓力，這是因為泥漿在壓力差作用下涌入地層，對地層水造成擠壓；各泥漿支護壓力比下，隨著距開挖面距離的增大，監測點位置的地層孔隙水壓力逐漸恢復到原地層孔隙水壓力，且恢復速率基本一致，說明在該泥漿支護壓力比范圍內，泥漿壓力對開挖面前方地層的影響范圍基本一致，長度約為15m；當泥漿支護壓力比為1.6時，工況2開挖面位置的地層孔隙水壓力與原地層孔隙水壓力差為0.213MPa，遠大于工況1，3的地層孔隙水壓力差，說明隧道埋深越大，泥漿支護壓力比對開挖面孔隙水壓力的影響越大。

3.2 開挖面中心正上方地層豎向應力

地層土應力監測點位于開挖面中線處，工況1，2監測范圍為開挖面中心至上方29m，工況3監測范圍為開挖面中心至地表。不同支護壓力比下開挖面中心正上方地層豎向應力變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，當泥漿支護壓力比為0.9時，監測點位置的地層豎向應力更接近原地層豎向應力，說明在該泥漿支護壓力比下，盾構開挖對地層豎向應力場的影響更小；當泥漿支護壓力比<0.9時，開挖面上方地層豎向應力小于原地層豎向應力，這是因為開挖面泥漿支護壓力小，開挖面處地層松動，引起上方地層松動；當泥漿支護壓力比>0.9時，開挖面上方地層豎向應力大于原地層豎向應力，這是因為開挖面泥漿支護壓力大，對前方地層造成擠壓，從而擠壓上方地層；各泥漿支護壓力比下，隨著距開挖面距離的增大，監測點位置的地層豎向應力逐漸恢復到原地層豎向應力；不同工況下，隨著距開挖面距離的增大，地層豎向應力恢復速率不同。工況1～3下泥漿壓力影響范圍分別約為8，5，8m，說明隧道埋深越大，泥漿壓力對地層豎向應力的影響范圍越小。

3.3 開挖面中心正上方地表豎向位移

一般情況下，隧道正上方地表豎向位移最大，故選擇開挖面中心正上方地表作為地表豎向位移監測點。開挖面中心正上方地表豎向位移變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨著泥漿支護壓力比的增大，工況1，2開挖面中心正上方地表豎向位移呈減小趨勢，這是因為泥漿支護壓力比增大會造成地層隆起；工況3開挖面中心正上方地表豎向位移呈增大趨勢，這是因為隧道上方地層主要為細砂且位于水下，地層松散，泥漿壓力增大時，細砂層被擠開，地表層下降；隧道埋深越大，泥漿壓力對地表豎向位移的影響越小。

3.4 開挖面中心上方地表縱向位移

開挖面中心上方地表縱向位移變化曲線如圖6所示。由圖6可知，當泥漿支護壓力比為1.0時，開挖面中心上方地表縱向位移基本為0，說明該泥漿支護壓力比下，盾構開挖基本不引起開挖面縱向移動，開挖面穩定性較好；當泥漿支護壓力比<1.0時，開挖面土體向開挖面內側移動，這是因為泥漿支護壓力小于地層壓力，在壓力差作用下開挖面土體向開挖面內側移動；當泥漿支護壓力比>1.0時，開挖面土體向開挖面外側移動，這是因為泥漿支護壓力大于地層壓力，對開挖面土體造成擠壓；隧道埋深越大，相同支護壓力比下，開挖面中心上方地表縱向位移越大，這是因為隧道埋深越大，開挖面中心原地層應力越大，乘以相應系數后，與原應力的差值越大，故引起的開挖面中心上方地表縱向位移越大；開挖面中心上方地表縱向位移與泥漿支護壓力比基本呈線性關系。

4 結語

通過數值模擬手段，對中寧穿黃隧道盾構區間3種工況、8種泥漿支護壓力比下的開挖面穩定性進行研究，得出以下結論。

1)當泥漿支護壓力比為1.0時，監測點位置的地層孔隙水壓力和開挖面中心上方地表縱向位移更接近原始狀態；當泥漿支護壓力比為0.9時，監測點位置的地層豎向應力更接近原始狀態。

2)不同泥漿支護壓力比下，隨著距開挖面距離的增大，監測點位置的地層孔隙水壓力均逐漸恢復到原地層孔隙水壓力，且恢復速率基本一致，說明在該泥漿支護壓力比范圍內，泥漿壓力對開挖面前方地層的影響范圍基本一致，約為15m。

3)不同泥漿支護壓力比下，隨著距開挖面距離的增大，監測點位置的地層豎向應力逐漸恢復到原地層豎向應力，但不同工況下的地層豎向應力恢復速率不同。

4)工況1～3泥漿壓力對開挖面中心上方地層豎向應力的影響范圍分別約為8，5，8m。

5)隨著泥漿支護壓力比的增大，工況1，2開挖面中心正上方地表豎向位移呈減小趨勢，工況3開挖面中心正上方地表豎向位移呈增大趨勢。

6)開挖面中心上方地表縱向位移與泥漿支護壓力比基本呈線性關系。

7)隧道埋深會對泥漿支護壓力作用產生影響。

8)綜合來講，當泥漿支護壓力比為1.0時，開挖面穩定性最好。