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隧道盾构法施工开挖面稳定性研究方法评析
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内容提示：裴洪军 孙树林 吴绍明 裴红岩 苑明文 随着隧道技术的发展,盾构隧道成为城市地下工程施工的主要施工方法,而盾构在推进过程中开挖面稳定性的研究未能引起关注,本文就开挖面稳定性的研究方法作出评析与比较,从而更好地指导开挖面稳定性的研究工作。
1 引言
盾构隧道技术是城市地下工程施工对周围地层扰动最小的施工方法,已成为我国城市地铁隧道施工中一种重要的施工方法。同其他施工方法一样,由于地质条件和施工工艺的限制,很难避免盾构推进对周围环境的扰动,甚至导致过大的地面沉降。而这种环境的破坏主要取决于盾构开挖面的稳定性,所以开挖面的稳定是盾构施工的一个重要问题。虽然围绕这一问题已做了不少的研究工作,但由于地质条件的复杂多变及施工参数的变化,使得研究成果具有一定的局限性,为此本文综合地评析了盾构法施工开挖面稳定的研究方法,以期更好地指导对开挖面稳定性的研究工作。（参考《建筑中文网》）
2 隧道盾构法开挖面稳定的研究方法
2.1 开挖面稳定系数法
许多学者已经描绘了隧道开挖面的破坏机制,通过理论分析或是经验以稳定系数N的形式提出了保持开挖面稳定所需支持力的计算公式,Bromｓ和Bennermark[1] (1967)提出了粘性土稳定的确定方法。
N=(σsγH-σt)/Su(1)
γ:土体单元的重力;D:盾构直径;
Su:盾构轴心处土体的不排水剪切强度;
σｓ地面荷载;H:地表到盾构轴心处距离;
σt:盾构面支持应力;
当稳定系数N<6时,开挖面稳定。Bromｓ和Ben nermark所定义的稳定系数是一种安全系数,相反较高的稳定系数却对应于较低的安全系数,而实际上安全系数又不容易确定。Bromｓ和Bennermark还指出:当(H/D)=1.5时,N=5～7开挖面处于稳定,可以看出盾构埋深与直径的比值是一个重要影响因子,所以随着这个比值的不同稳定系数也会有很大的波动。Kimura和Mair(1981)通过固结粘性土的离心试验,针对开挖面的稳定给出了较大的稳定系数取值范围,并且证实了取决于埋深的开挖面稳定系数在N=5～10。然而,Romo和Diaz[2] (1981)意识到稳定系数并不能详细地反映开挖面的实际稳定性,所以为稳定系数提出了一个安全系数,定义为土体的剪切强度与最大剪应力的比值,指出开挖面破坏的范围在N=6～7,而基于安全系数的开挖面稳定系数在6.5左右。尽管这些结果与Peck(1969)所论述的有很好的相关性,但应指出:这些是建立在土体是非线性弹性材料,在盾构推进过程中不存在滑移假定基础之上的。1980年Daviｓetal.[3]在研究了在隧道开挖面的稳定性时,利用Bromｓ和Bennermark所提出的稳定分析的极限实例,得出盾构在掘进过程中开挖面稳定时两个下限解。
N=4ln(2C/D 1)(2)
N=2 2ln(2C/D 1)(3)
N:稳定性系数;C:盾构埋深D:盾构的直径;
虽然稳定系数法得到了一系列的改进,表达形式多样化,但始终没有考虑到渗透力对开挖面的影响,适合无地下水施工条件中的计算。同时也因没有考虑到弧效应过高地估计了破坏力,今后开挖面稳定系数法的研究工作也应包括这两个方面。
2.2 极限平衡法
Horn于1961年根据筒仓理论提出计算模型如图(1),圆形开挖面的面积和正方形面积大致相等,即(楔形体的宽)B=(π/4)D,国外的学者有的采用计算模型:B=D或B=1.8D。G.Anagnoｓtou和K.kovarl[4]利用此模型研究开挖面的稳定问题,从而简化了三维开挖面稳定的破坏机制,计算开挖面稳定时所需的支持力是通过考虑楔形体和棱柱体极限平衡得出的。其中较为困难的一步就是计算模型的水头场,同时还要考虑盾构隔板不排水性。应用三维有限元可以确定,求水头场的目的在于计算渗流力对开挖面稳定的影响,当渗透力能够计算以后,最后在水平方向列出极限平衡方程,反复迭代w,从而求出开挖面稳定时所需最大的支持力。c(土体粘聚力)f(土体摩擦角)对支持力的大小起决定性作用,但G.Anagnoｓtou和K.kovarl的计算模型只适用于同一种土,c,φ不能直接取均值,而且也未考虑隧道的弧效应。笔者认为应对极限平衡法计算模型作出改进,将楔形体按土层分成n个隔离体,每个隔离体都是同性土。这种处理方法能够很好的解决开挖面楔形体不同种土层的问题,c,φ值可以直接取。每个隔离体受到上下隔离体的合力作用,在水平和垂直方进行向合力为零的分析,从而得出最大的支持力作为实际掘进过程中最小的支持力。极限平衡法可以考虑到渗透的作用,使得计算更加符合有地下水的施工条件。
2.3 试验研究方法
程展林等人[5]通过模型试验,对泥浆盾构施工中泥浆维持开挖面稳定的力学机理,开挖面前缘土体的应力变化规律,泥浆压力作用机理及泥皮形态进行了研究,认为在中粗砂地基中,泥水式盾构挖掘隧道,通过泥浆压力的作用,是可以保持开挖面稳定的,提出了中粗砂地基中临界泥浆压力公式:
Pnf=(0.6～0.7)tg2(45°-φ′/2)(σν-u) u(4)
φ′:地基土有效内摩擦角;u:孔隙水压力;σν:
为上覆土体竖向应力;(0.6～0.70):反映砂土地基的拱效应。这种方法考虑到了拱效应和孔隙水压对稳定的影响,与国外最简单的泥浆压力按地下水所产生的静水压力再加上20kPa来确定临界压力的方法相比考虑更为全面且符合实际情况。离心试验作为研究隧道开挖面稳定性的方法在国外较为常见。PierreChambon[6]根据离心实验研究无粘性土盾构开挖面的稳定性,指出最重要的影响参数是盾构直径,最小的支持力随着隧道直径线性增大,如图(2),并给出了开挖面的破坏形态是泡状的,指出应变主要集中在泡的边界面上,如图(3)。但离心机中的小规模试验并不能很真实地反映实际条件,只能模拟最坏的设置条件。
2.4 有限元法
许多评判开挖面稳定性的方法是基于极限方法、静态方法计算的,这是趋于粗糙的估算。有限元在土工数值计算中广泛应用,能够更加准确的模拟真实的施工条件。目前国内外有许多学者用有限元研究隧道开挖面的稳定性。王敏强[7]等人采用三维非线性有限元模拟盾构推进的过程,提出了计算模型,可以应用到研究开挖面稳定的研究中。Buhanetal[10]描绘了EPB开挖面的三维有限元计算模型,在计算模型中包括了渗透力作用在开挖面上,针对直径为8m盾构机的开挖面稳定性进行了研究,发现开挖面的稳定安全系数只与水平和垂直方向的渗透系数的比值有关,密度对其影响很小。而PierreChambon[8]指出三维模型能够获得满意的效果,二维方法由于没有考虑弧效应过高地估计了破坏压力,基于理论和实践盾构开挖面的破坏范围大致相似,而不同的就在于垂直方向上的范围。针对三维能够取得很好的模拟盾构推进时土体的受力情况,笔者认为应用有限元法时三维有限元应优先选择。
3 结语和展望
本文较为系统地对国内外隧道盾构法开挖面的研究成果进行分类,并给予了详尽的评价,为以后学者的研究奠定了良好的基础。笔者相信:随着我国地铁建设逐步开展,城市地下工程施工技术的研究开发已成为一个重要的课题。盾构隧道施工以其具有绿色环保的特点已受到了各方面的注目[9],可以预计盾构施工方法日后在中国大地上会得到飞速的发展。计算机科学技术的发展必将会大大的促进了隧道盾构法开挖面稳定性的研究,从而更好地指导盾构法隧道的施工。
参考文献:
[1] Chambon,P.andCorte,J.F.,“Shallowtunnelｓincohe ｓionleｓｓｓoil:Stabilityoftunnelface,”[J].Journalof GeotechnicalEngineering,AmericanSocietyCivilEngi neerｓ,Vol.120,pp.1148～1165,1994.
[2] Romo,M.P.andDiaz,C.M.,“FaceｓtabilityandGroundｓettlementinShieldTunneling,”[C].Proc.Ofthe10thInt’lConf.onSoilMechanicｓandFoundationEngineering,Vol.1,Stockholm,pp.357～360,1981.
[3] E.H.Daviｓ,M.J.Gunn,R.J.Mair,andH.N.Senevi ratne,“Theｓtabilityofｓhallowtunnelｓandundergroundopeningｓincoheｓivematerial.”[J].Geotetechnical,30(4):397-416,1980.
[4] G.AnagnoｓtouandK.Kovarl[J].“TunelingandUnderg roundSpaceTechnology,”Vol.11,No.2.165～173,1996.
[5] 程展林,吴忠明,徐言勇.砂基中泥浆盾构法隧道施工开挖面稳定性试验研究[R].长江科学院院报,Vol.18,No.5,2001.
[6] PierreChambonChambon,“Shallowtunnelｓincoheｓionleｓｓｓoil: Stabilityoftunnelface,”[J].JournalofGeotechnicalEngineering,Vol.120,No.7,1994.
[7] 王敏强,陈宏胜.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真[J].岩石力学及工程学报,Vol.21,No.2,2002.
[8] P.deBuhan,A.Cuvillier,L.Dormieux,andS.Mag houｓ,“Faceｓtabilityofｓhallowcirculartunnelｓdrivenun derthewatertable:Anumericalanalyｓiｓ,”[J].Interna tionalJournalforNumericalandAnalyticalMethodｓinGeo mechanicｓ,23:79～95,1999.
盾构隧道技术是城市地下工程施工对周围地层扰动最小的施工方法,已成为我国城市地铁隧道施工中一种重要的施工方法。同其他施工方法一样,由于地质条件和施工工艺的限制,很难避免盾构推进对周围环境的扰动,甚至导致过大的地面沉降。而这种环境的破坏主要取决于盾构开挖面的稳定性,所以开挖面的稳定是盾构施工的一个重要问题。虽然围绕这一问题已做了不少的研究工作,但由于地质条件的复杂多变及施工参数的变化,使得研究成果具有一定的局限性,为此本文综合地评析了盾构法施工开挖面稳定的研究方法,以期更好地指导对开挖面稳定性的研究工作。（参考《建筑中文网》）
2 隧道盾构法开挖面稳定的研究方法
2.1 开挖面稳定系数法
许多学者已经描绘了隧道开挖面的破坏机制,通过理论分析或是经验以稳定系数N的形式提出了保持开挖面稳定所需支持力的计算公式,Bromｓ和Bennermark[1] (1967)提出了粘性土稳定的确定方法。
N=(σsγH-σt)/Su(1)
γ:土体单元的重力;D:盾构直径;
Su:盾构轴心处土体的不排水剪切强度;
σｓ地面荷载;H:地表到盾构轴心处距离;
σt:盾构面支持应力;
当稳定系数N<6时,开挖面稳定。Bromｓ和Ben nermark所定义的稳定系数是一种安全系数,相反较高的稳定系数却对应于较低的安全系数,而实际上安全系数又不容易确定。Bromｓ和Bennermark还指出:当(H/D)=1.5时,N=5～7开挖面处于稳定,可以看出盾构埋深与直径的比值是一个重要影响因子,所以随着这个比值的不同稳定系数也会有很大的波动。Kimura和Mair(1981)通过固结粘性土的离心试验,针对开挖面的稳定给出了较大的稳定系数取值范围,并且证实了取决于埋深的开挖面稳定系数在N=5～10。然而,Romo和Diaz[2] (1981)意识到稳定系数并不能详细地反映开挖面的实际稳定性,所以为稳定系数提出了一个安全系数,定义为土体的剪切强度与最大剪应力的比值,指出开挖面破坏的范围在N=6～7,而基于安全系数的开挖面稳定系数在6.5左右。尽管这些结果与Peck(1969)所论述的有很好的相关性,但应指出:这些是建立在土体是非线性弹性材料,在盾构推进过程中不存在滑移假定基础之上的。1980年Daviｓetal.[3]在研究了在隧道开挖面的稳定性时,利用Bromｓ和Bennermark所提出的稳定分析的极限实例,得出盾构在掘进过程中开挖面稳定时两个下限解。
N=4ln(2C/D 1)(2)
N=2 2ln(2C/D 1)(3)
N:稳定性系数;C:盾构埋深D:盾构的直径;
虽然稳定系数法得到了一系列的改进,表达形式多样化,但始终没有考虑到渗透力对开挖面的影响,适合无地下水施工条件中的计算。同时也因没有考虑到弧效应过高地估计了破坏力,今后开挖面稳定系数法的研究工作也应包括这两个方面。
2.2 极限平衡法
Horn于1961年根据筒仓理论提出计算模型如图(1),圆形开挖面的面积和正方形面积大致相等,即(楔形体的宽)B=(π/4)D,国外的学者有的采用计算模型:B=D或B=1.8D。G.Anagnoｓtou和K.kovarl[4]利用此模型研究开挖面的稳定问题,从而简化了三维开挖面稳定的破坏机制,计算开挖面稳定时所需的支持力是通过考虑楔形体和棱柱体极限平衡得出的。其中较为困难的一步就是计算模型的水头场,同时还要考虑盾构隔板不排水性。应用三维有限元可以确定,求水头场的目的在于计算渗流力对开挖面稳定的影响,当渗透力能够计算以后,最后在水平方向列出极限平衡方程,反复迭代w,从而求出开挖面稳定时所需最大的支持力。c(土体粘聚力)f(土体摩擦角)对支持力的大小起决定性作用,但G.Anagnoｓtou和K.kovarl的计算模型只适用于同一种土,c,φ不能直接取均值,而且也未考虑隧道的弧效应。笔者认为应对极限平衡法计算模型作出改进,将楔形体按土层分成n个隔离体,每个隔离体都是同性土。这种处理方法能够很好的解决开挖面楔形体不同种土层的问题,c,φ值可以直接取。每个隔离体受到上下隔离体的合力作用,在水平和垂直方进行向合力为零的分析,从而得出最大的支持力作为实际掘进过程中最小的支持力。极限平衡法可以考虑到渗透的作用,使得计算更加符合有地下水的施工条件。
2.3 试验研究方法
程展林等人[5]通过模型试验,对泥浆盾构施工中泥浆维持开挖面稳定的力学机理,开挖面前缘土体的应力变化规律,泥浆压力作用机理及泥皮形态进行了研究,认为在中粗砂地基中,泥水式盾构挖掘隧道,通过泥浆压力的作用,是可以保持开挖面稳定的,提出了中粗砂地基中临界泥浆压力公式:
Pnf=(0.6～0.7)tg2(45°-φ′/2)(σν-u) u(4)
φ′:地基土有效内摩擦角;u:孔隙水压力;σν:
为上覆土体竖向应力;(0.6～0.70):反映砂土地基的拱效应。这种方法考虑到了拱效应和孔隙水压对稳定的影响,与国外最简单的泥浆压力按地下水所产生的静水压力再加上20kPa来确定临界压力的方法相比考虑更为全面且符合实际情况。离心试验作为研究隧道开挖面稳定性的方法在国外较为常见。PierreChambon[6]根据离心实验研究无粘性土盾构开挖面的稳定性,指出最重要的影响参数是盾构直径,最小的支持力随着隧道直径线性增大,如图(2),并给出了开挖面的破坏形态是泡状的,指出应变主要集中在泡的边界面上,如图(3)。但离心机中的小规模试验并不能很真实地反映实际条件,只能模拟最坏的设置条件。
2.4 有限元法
许多评判开挖面稳定性的方法是基于极限方法、静态方法计算的,这是趋于粗糙的估算。有限元在土工数值计算中广泛应用,能够更加准确的模拟真实的施工条件。目前国内外有许多学者用有限元研究隧道开挖面的稳定性。王敏强[7]等人采用三维非线性有限元模拟盾构推进的过程,提出了计算模型,可以应用到研究开挖面稳定的研究中。Buhanetal[10]描绘了EPB开挖面的三维有限元计算模型,在计算模型中包括了渗透力作用在开挖面上,针对直径为8m盾构机的开挖面稳定性进行了研究,发现开挖面的稳定安全系数只与水平和垂直方向的渗透系数的比值有关,密度对其影响很小。而PierreChambon[8]指出三维模型能够获得满意的效果,二维方法由于没有考虑弧效应过高地估计了破坏压力,基于理论和实践盾构开挖面的破坏范围大致相似,而不同的就在于垂直方向上的范围。针对三维能够取得很好的模拟盾构推进时土体的受力情况,笔者认为应用有限元法时三维有限元应优先选择。
3 结语和展望
本文较为系统地对国内外隧道盾构法开挖面的研究成果进行分类,并给予了详尽的评价,为以后学者的研究奠定了良好的基础。笔者相信:随着我国地铁建设逐步开展,城市地下工程施工技术的研究开发已成为一个重要的课题。盾构隧道施工以其具有绿色环保的特点已受到了各方面的注目[9],可以预计盾构施工方法日后在中国大地上会得到飞速的发展。计算机科学技术的发展必将会大大的促进了隧道盾构法开挖面稳定性的研究,从而更好地指导盾构法隧道的施工。
参考文献:
[1] Chambon,P.andCorte,J.F.,“Shallowtunnelｓincohe ｓionleｓｓｓoil:Stabilityoftunnelface,”[J].Journalof GeotechnicalEngineering,AmericanSocietyCivilEngi neerｓ,Vol.120,pp.1148～1165,1994.
[2] Romo,M.P.andDiaz,C.M.,“FaceｓtabilityandGroundｓettlementinShieldTunneling,”[C].Proc.Ofthe10thInt’lConf.onSoilMechanicｓandFoundationEngineering,Vol.1,Stockholm,pp.357～360,1981.
[3] E.H.Daviｓ,M.J.Gunn,R.J.Mair,andH.N.Senevi ratne,“Theｓtabilityofｓhallowtunnelｓandundergroundopeningｓincoheｓivematerial.”[J].Geotetechnical,30(4):397-416,1980.
[4] G.AnagnoｓtouandK.Kovarl[J].“TunelingandUnderg roundSpaceTechnology,”Vol.11,No.2.165～173,1996.
[5] 程展林,吴忠明,徐言勇.砂基中泥浆盾构法隧道施工开挖面稳定性试验研究[R].长江科学院院报,Vol.18,No.5,2001.
[6] PierreChambonChambon,“Shallowtunnelｓincoheｓionleｓｓｓoil: Stabilityoftunnelface,”[J].JournalofGeotechnicalEngineering,Vol.120,No.7,1994.
[7] 王敏强,陈宏胜.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真[J].岩石力学及工程学报,Vol.21,No.2,2002.
[8] P.deBuhan,A.Cuvillier,L.Dormieux,andS.Mag houｓ,“Faceｓtabilityofｓhallowcirculartunnelｓdrivenun derthewatertable:Anumericalanalyｓiｓ,”[J].Interna tionalJournalforNumericalandAnalyticalMethodｓinGeo mechanicｓ,23:79～95,1999.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/13567.htm
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