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砂土地层盾构隧道开挖面土体应力状态分析

摘要:结合南京某越江隧道工程,建立了模拟盾构隧道开挖面失稳过程的数值模型,研究了越江盾构隧道开挖面失稳过程中土体应力变化以及由土体应力重分布引发的土拱效应。研究表明:沿埋深由下至上,土体竖向应力随开挖面位移的增大先减小后保持不变,水平应力先减小后略微增大;土体侧压力系数沿埋深由下至上先增大后减小;随开挖面位移增大,开挖面前方局部土体竖向应力和水平应力同时减小,形成失稳破坏区;失稳破坏区上部土体竖向应力减小,水平应力增大,形成拱顶区;失稳破坏区四周土体竖向应力增大,水平应力减小,形成拱脚区,土拱效应逐渐发挥。 
0 引言
  近年来,盾构施工技术得到广泛应用,随着工程地质、水文地质条件越来越复杂,特别是当盾构在水下施工时,由于水压较大、覆土厚度较浅,开挖面稳定难以控制,稍有不慎就有可能发生开挖面失稳坍塌和水体倒灌等事故。因此,高水压条件下保证开挖面的稳定是盾构施工的关键。国内外学者通过理论分析、模型试验和数值模拟等手段,研究了盾构隧道开挖面稳定性问题。理论研究主要集中在塑性极限理论模型和土体极限平衡分析模型方面,前者求解比较繁琐,后者中较常用的是 N.Horn提出的三角形楔形体模型,S.Jancsecz等修正了该模型,考虑了盾构上方土拱效应的影响。J.H.Atkinson等和 M.Hisatake等通过试验发现,开挖面破坏形状可以看成是开挖面前方的楔形体及其上部的筒仓状破坏区域。李君等利用盾构模型研究了干砂地层中盾构开挖面稳定性问题。此外,朱伟等、黄正荣等利用数值模拟方法研究了开挖面稳定性问题。
  综上所述,针对开挖面破坏模式的研究多集中在破坏区形状描述以及开挖面支护压力与土体变形的关系,较少从土体应力变化的角度分析开挖面失稳过程中土体应力重分布以及土拱效应。本文结合南京某越江隧道工程,研究了高水压条件下盾构隧道开挖面失稳过程中土体应力变化以及由土体应力重分布引发的土拱效应。
1 数值分析模型
  根据南京某越江隧道勘察及设计资料,本文在数值模拟计算中采用的模型尺寸为 44.0m×27.5m×33.0m(长 ×宽 ×高),隧道直径 D=11.0m,隧道开挖长度 22.0m,上覆土层厚 H=11.0m,水位位于模型顶部以上 11.0m。除模型顶部为自由面外,四周及底部采用变形约束条件。模型网格划分如图 1所示。
  土体材料服从 MohrCoulomb剪切破坏准则。盾构管片材料为 C50钢筋混凝土,厚 0.5m,采用 shell单元模拟。材料参数如表 1所示。 
2 土体应力变化规律
  图 2—4为随开挖面位移 δ增大,开挖面前方及上部土体失稳过程中水平(x向、y向)和竖向(z向)应力变化情况。从图 2和图 3可以看出:沿埋深由下至上,开挖面正前方及上方一定范围(埋深 >0.8D)土体水平
应力随开挖面位移增大而逐渐减小,但减小趋势逐渐变缓;开挖面上方一定范围内(埋深 <0.8D)土体水平应力随开挖面位移增大而略微增大。从图 4可以看出,与初始土体竖向应力相比,土体竖向应力随开挖面位移增大而逐渐减小,但沿埋深由下至上减小趋势逐渐变缓,最终基本不受位移影响。K.Terzaghi的 trapdoor试验及 V.J.Potts等数值模拟结果也得到类似规律。

  从土体应力变化规律可以看出,在开挖面支护压力逐渐减小的过程中,开挖面正前方及上方一定范围内(埋深 >0.8D)的土体竖向和水平应力都减小,土体应力释放,失稳破坏区域逐渐形成。开挖面上方一定范围(埋深 <0.8D)土体竖向应力减小、水平应力增大,土拱效应逐渐发挥。
  开挖面前方及上部土体侧压力系数变化规律如图5和图6所示。开挖面位移前,地表附近受高水压影响,侧压力系数接近 1.0,随埋深增加(>0.5D),侧压力系数稳定在 0.85左右。随着开挖面位移增大,土体 x向侧压力系数沿埋深由下至上先增大后减小,y向侧压力系数变化规律类似。李君等利用大尺寸模型试验在干砂条件下也得到了类似的侧压力系数变化规律。开挖面上方一定范围内(埋深≈0.8D附近)侧压力系数大于 1.0,表明主应力轴发生旋转,土拱效应逐渐发挥。


  从上述开挖面前方及上部土体应力变化规律可以看出,土拱效应对开挖面失稳模式的影响较大。为更直观地显示开挖面失稳过程中土体应力重分布引发的土拱效应,定义土体应力变化系数 βV =σV/σV0、βH =σH/σH0(土体失稳后某点竖向(水平)应力与初始应力之比),x=0和 y=24.5剖面土体竖向及水平应力变化系数如图7—10所示。从图7—10中可以看出:随着开挖面位移增大,开挖面前方局部土体向隧道方向变形,发
生松动破坏,土体应力释放,竖向应力和水平应力同时减小(βV <1,βH <1),形成失稳破坏区;失稳破坏区土体变形导致其上部土体竖直向下变形,土体颗粒松动,竖向应力减小(βV <1),水平方向受两侧土体限制,土体颗粒相互楔紧,水平应力增大(βH >1),形成拱顶区;失稳破坏区四周土体向失稳破坏区变形,土体颗粒松动,导致水平应力减小(βH <1),由于失稳破坏区顶部及拱顶区土体向下变形,土体颗粒摩擦错动,将部分竖向应力传递给失稳破坏区四周土体,导致竖向应力增大(βV >1),形成拱脚区,土拱逐渐形成。

3 结论
  通过对高水压条件下盾构隧道开挖面失稳过程中土体应力状态变化以及应力重分布引发的土拱效应进行分析,得出以下结论:
  1)随着开挖面位移增大,土体竖向应力逐渐减小,但减小趋势沿埋深由下至上逐渐变缓,最终基本不受位移影响。开挖面正前方及上方一定范围内(埋深 >08D),随开挖面位移增大土体水平应力逐渐减小,但减小趋势沿埋深由下至上逐渐变缓,开挖面上方一定范围内(埋深 <08D)土体水平应力随开挖面位移增大而略微增大。土体侧压力系数沿埋深由下至上先增大后减小,开挖面上方一定范围内(埋深≈0.8D附近)侧压力系数大于 1.0,表明主应力轴发生旋转,土拱效应逐渐发挥。

  2)随着开挖面位移增大,开挖面前方局部土体发生松动破坏,竖向应力和水平应力同时减小(βV <1,βH <1),形成失稳破坏区。失稳破坏区上部土体竖向应力减小,水平应力增大(βV <1,βH >1),形成拱顶区。失稳破坏区四周土体竖向应力增大,水平应力减小(βV >1,βH <1),形成拱脚区,土拱逐渐形成。

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