膨脹性巖土條件下盾構隧道開挖面穩定性研究

謝仁青

福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 龍巖 361000

0 引言

隧道開挖面的穩定性關系到作業安全,稍有不慎就可能引起塌方。膨脹性巖土主要為親水性的礦物,容易發生脹縮變化,成為影響開挖面穩定性的重要因素,其脹縮機理較為復雜,當前缺乏可靠的數學或物理模型。有限元分析法可用于建立隧道及膨脹土模型,進而確定支護力的設置要求。國內針對膨脹性巖土的隧道開挖面穩定性研究較為匱乏,故結合某工程案例對其開展探究。

1 工程概況

某城市地鐵1號線設計為雙線圓形隧道,采用土壓平衡式盾構機進行施工,隧道設計外徑為6.0 m,襯砌管片的厚度為0.3 m,因而內徑為5.4 m。該項目部分盾構施工區間的地質結構較為復雜,按照自上而下的順序,其土層分別為人工填土(厚度5～13.7 m)、淤泥質軟土(厚度小于等于5.4 m),黏土和粉質黏土(厚度0.4～3.5 m)、全風化泥質粉砂巖和泥巖(0.6～20 m)。盾構隧道埋深在-12～-30 m,位于全風化膨脹巖土層內,其地質結構與隧道的關系如圖1所示。

圖1 某地鐵盾構隧道地質結構示意圖

2 盾構隧道開挖面穩定性分析

在盾構隧道開挖面穩定性分析中,通常采用理論計算、現場實測以及計算機數值模擬3種方法。理論計算以極限平衡法和經驗公式法為主,數值模擬主要采用有限元分析法。考慮膨脹巖土的開挖面穩定性數值模擬,本次研究利用ABAQUS軟件對開挖面進行有限元分析,評價其穩定性。

2.1 盾構隧道建模

2.1.1 模型尺寸

隧道建立在x、y、z坐標系內,x方向代表隧道寬度(取50 m),y方向代表隧道的掘進方向(取90 m),z方向代表土層厚度(取50 m),模型計算范圍是隧道直徑的5倍,分別在x、y、z這3個方向設置位移約束。模型中的土體材料設計為三維六面體單元,襯砌設計為殼體結構(厚度為0.3 m)[1]。

2.1.2 設置模型初始條件

初始條件是指初始地應力的平衡條件,可在模型四周設置邊界條件,并且這些條件應與工程實際情況保持一致,包括土體載荷、土體產生的側壓力等,初始條件設置為:

σx=σy=K0σz

(1)

σz=γz′

(2)

式中:σx、σy、σz分別為x、y、z方向的初始地應力,z′表示應力在豎直方向的深度,將土體的靜止壓力系數記為K0,土體重度記為γ[2]。

2.1.3 開挖面支護力表達

隧道支護是開挖過程的必要條件,而支護力是開挖面穩定性分析的重要影響因素。在開挖的初始階段,靜止土體所產生的側壓力σ0為:

σ0=K0γH

(3)

式中:H表示地面到開挖面中心點的垂直距離,可理解為土層厚度。

支護應力σs可表示為:

σs=λK0γH

(4)

式中:λ為支護應力比。

2.1.4 隧道開挖面失穩判斷條件

隧道開挖面失穩具有多種判斷方法,常用的判斷條件為位移突變,即支護應力比(σs/σ0)基本穩定,但開挖面突然出現較大幅度的水平位移,研究過程以位移突變為主要判斷條件,同時利用地面沉降、塑性發展區云圖等因素進行輔助判斷[3]。

2.2 膨脹性巖土理論分析

2.2.1 工程特性指標

膨脹性巖土是指遇水后體積膨脹、失水后體積收縮的地質巖土,巖土脹縮過程非常復雜,當前主要采取4個指標對其進行工程描述,分別為膨脹力、自由膨脹率、無載荷膨脹率以及有載荷膨脹率[4]。

2.2.2 濕度應力場

膨脹土受到雨水、地下水的影響,體積容易出現脹縮,成為影響隧道開挖面穩定性的重要因素。濕度應力場理論可用于描述膨脹性巖土的應力變化,為開挖面穩定性分析提供理論依據[5]。國內科研人員在室內進行膨脹性巖土試驗,求出濕度線性膨脹系數α、膨脹土自由膨脹率δef、側限無載荷膨脹率δH之間的關系,具體為:

(5)

式中:Δw為膨脹過程中的含水率變化;μ是與含水率相關的參數。

2.2.3 膨脹性巖土的數值模型

膨脹性巖土的膨脹機理非常復雜,為了便于進行數值建模,需要設置簡化的條件,降低建模難度,基本假設如下。①將含水率的變化區域限定在開挖面前方的特定距離內。②土體線性膨脹系數穩定不變,膨脹率與含水率呈正相關[6]。③土體泊松比和彈性模量穩定不變。

隧道模型的幾何參數保持不變,在原本的巖土模型中設置膨脹土的范圍,增加膨脹系數,將膨脹土對開挖面的影響進深設置為2.0 m。

2.2.4 確定膨脹系數

巖土的膨脹程度與載荷的大小高度相關,在全風化膨脹巖土上方存在人工填土層和黏土層,載荷限制了膨脹土的膨脹率,建模時認為膨脹率與載荷大小呈線性相關。該地鐵工程膨脹性巖土膨脹力和自由膨脹率統計結果如表1所示。根據表述數據,膨脹土的自由膨脹率取均值38.7%,膨脹力取均值52.6 kPa。將不同載荷下的側限膨脹率記為δ,則為:

表1 地鐵項目沿線膨脹性巖土工程特性統計結果

(6)

式中:P為膨脹土所受載荷(與支護力相等)。在式(5)中,將巖土參數Δw和μ分別設定為42、0.3,將相關參數代入,可計算出濕度線性膨脹系數α為0.306。

2.3 數值模擬過程及結果分析

2.3.1 支護應力比與開挖面中心點水平位移模擬結果

模擬結果如圖2所示,將開挖面中心點的水平位移變化分為3個階段。在第一階段,支護應力比介于1.0～0.3,開挖面中心點的水平位移在0～200 mm,位移量較小,并且位移增幅較為緩慢。在第二階段,支護應力比介于0.3～0.2,中心點水平位移量在200～310 mm,水平位移增幅加快,臨近失穩狀態。在第三階段,支護應力比介于0～0.2,開挖面中心點水平位移量最大可達到760 mm,位移增幅快速升高,進入失穩狀態。

圖2 開挖面中心點水平位移量與支護應力比的關系

另外,圓點線條部分的含水率變化值為0%,其含義為不考慮膨脹因素,當含水率變化值為10%時,意味著膨脹土吸收水分,發生膨脹作用。從模擬結果來看,膨脹因素加劇了開挖面失穩,中心點水平位移量明顯增加。根據以上分析,支護應力比不可低于0.2。

2.3.2 隧道開挖面支護力與地面沉降的關系

隧道開挖面失穩常伴隨地面沉降,在模型地表設置一系列觀測點,分別沿橫向、縱向進行布置,模擬并觀察支護力變化與地面沉降量之間的關系。以坐標系原點O為參考點,沿y方向布置縱向觀測點,沿x方向布置橫向觀測點。將支護應力比分別設置為0、0.1、0.2、0.3、0.5、0.8,觀察橫縱向沉降量,以縱向觀測點為例,其沉降量模擬結果如表2。沉降量中的負值表示地面下沉,正值表示地面隆起。該結果表明,地表沉降幅度與支護應力比呈負相關,提高支護應力比有助于提高開挖面的穩定性。

表2 縱向觀測點沉降量模擬結果示例

2.3.3 含水率變化對開挖面穩定性的影響

將膨脹性巖土的含水率分別設定為0%、5%、10%、15%,支護應力比從1.0梯度下降至0(單次下降0.1),觀察開挖面中心點的水平位移量。模擬結果顯示,當支護應力比在1.0～0.3時,4種含水率對應的中心點水平位移曲線基本重合。當支護應力比介于0.3～0.2時,水平位移量出現分叉,與含水率的增加呈正相關。當支護應力比介于0.2～0時,水平位移量達到最大值。0%含水率對應的最大位移量為650 mm,5%含水率對應的最大位移量為700 mm,10%含水率對應的最大位移量為760 mm,15%含水率對應的最大位移量為830 mm,不同含水率下開挖面的極限支護力如表3所示。

表3 不同含水率下開挖面極限支護力

3 工程應用效果

將地鐵盾構隧道的實際工況參數設置為模型的邊界條件(見表4),同時考慮該項目的全風化膨脹巖土,自由膨脹率取38.7%,膨脹力取101 kPa。按照上文所建立的盾構隧道模型開展開挖面穩定性分析,將支護應力比設置在0～1.0。模擬結果顯示,當支護應力比在1.0～0.5時,中心點位移量為0～100 mm,當支護應力比介于0.5～0時,中心點位移量為100～920 mm。判斷失穩的條件為開挖面中心點位移超過100 mm,故該項目支護應力比不應低于0.5,否則將產生開挖面失穩的風險。

表4 地鐵項目材料參數

4 結束語

膨脹性巖土對隧道開挖面的穩定性具有較大的危害,由于此類地質條件容易出現脹縮,有可能引起較大的應力變化,因此必須設計足夠的開挖面支護力。本文建立了隧道開挖面和膨脹土模型,在不同支護應力比條件下模擬開挖面水平位移和地表沉降。經過對比,發現含水率越高時,膨脹土引起的位移量就越大。由此可見,作業時應該設置足夠的支護應力比。