趙順義

（重慶工商職業(yè)學(xué)院）

南湖路湘江隧道開挖面極限支護(hù)壓力計算及影響因素研究

趙順義

（重慶工商職業(yè)學(xué)院）

本文以南湖路湘江泥水盾構(gòu)隧道為工程實例，通過ANSYS建模求解了泥水盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護(hù)壓力，并討論了不同工況參數(shù)對極限支護(hù)壓力的影響，結(jié)論如下：泥水平衡盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護(hù)壓力隨土層的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的增大而增大，土層的粘聚力c與極限支護(hù)力大致呈線性關(guān)系變化，隨著土層內(nèi)摩擦角的增大，極限支護(hù)力與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線的斜率也逐漸增大。研究結(jié)果對控制支護(hù)壓力、預(yù)估地層加固范圍具有重要的指導(dǎo)意義。

泥水盾構(gòu)隧道；極限支護(hù)壓力；影響因素

引言

目前廣泛采用的閉胸式盾構(gòu)施工中，主要通過加氣、加泥水或開挖面切削的渣土自身在壓力艙內(nèi)作用等措施來控制開挖面支護(hù)壓力，同時控制開挖面變形和地基沉降。相對于開挖面土、水壓力，壓力艙支護(hù)壓力較小時，會出現(xiàn)地基沉降甚至坍塌，支護(hù)壓力較大時，則會出現(xiàn)地表隆起。合理的確定開挖面支護(hù)壓力是盾構(gòu)掘進(jìn)施工中一項關(guān)鍵技術(shù)，開挖面支護(hù)壓力大小的控制應(yīng)該保證不至于壓力過低發(fā)生開挖面坍塌，同時又不能壓力過大而發(fā)生隆起破壞，因此目前開挖面支護(hù)壓力研究中很大部分研究側(cè)重于開挖面極限支護(hù)壓力的確定。

文章以南湖路湘江泥水盾構(gòu)隧道為工程實例，通過ANSYS建模求解了泥水盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護(hù)壓力，并討論了不同工況參數(shù)對極限支護(hù)壓力的影響，得出了一些有用的結(jié)論，對盾構(gòu)法隧道施工中合理的確定支護(hù)壓力的大小具有一定的指導(dǎo)作用。

1、工程概況

隧道全長1422.978m，隧道東岸設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井一座，設(shè)三個單車道匝道出口，西岸南、北線各設(shè)置一座盾構(gòu)接收井。盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為：雜填土層、粉質(zhì)粘土層、粉細(xì)砂層、圓礫層、卵石層、強風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化礫巖。盾構(gòu)到達(dá)河漫灘段粉細(xì)砂層最厚處12m，隧道頂最薄覆土7.1m。該隧道不同地層里程如表1所示。

表1 不同地層里程統(tǒng)計表

2 數(shù)值模擬方程及模型建立

2.1 數(shù)值模擬方法及過程

由于實際作用于開挖面的支護(hù)壓力為梯形荷載，為了方便說明，取隧道中心點支護(hù)壓力值來代表開挖面支護(hù)壓力大學(xué)，所以文中的開挖面支護(hù)壓力統(tǒng)一指開挖面中心點施加的支護(hù)壓力，對于開挖面支護(hù)壓力大小的衡量，引入支護(hù)壓力比的概念。

盾構(gòu)開挖是一個逐漸推進(jìn)的過程，考慮到本文分析的重點是開挖面極限支護(hù)壓力及開挖面穩(wěn)定研究，故數(shù)值計算中采取一次開挖到一定距離 (文中取 15m)并施加支護(hù)結(jié)構(gòu)。開挖面極限支護(hù)壓力研究的模擬過程如下：

（1） 建立原始地層模型；

（2） 一次性開挖隧道 15m，并及時設(shè)置襯砌管片 (文中用殼單元來模擬管片)，同時在開挖面上施加大小與原始地層側(cè)向靜止土壓力值相等的梯形支護(hù)作用力；

Kaldi語言模型由于其內(nèi)部表示為有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換器，因此要求將上述工具所訓(xùn)練的ARPA語言模型轉(zhuǎn)換為特定于解碼的二進(jìn)制格式[16]。為此，需要使用了工具arpa2fst、fstcompile和多個Perl腳本等一些實用工具對ARPA語言模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

（3）開挖面支護(hù)壓力以緩慢的速度逐漸減小，作出支護(hù)壓力比與開挖面中心點水平位移的曲線，隨著支護(hù)壓力比的減小開挖面中心點的水平位移逐漸增大，當(dāng)支護(hù)壓力比變化很小而開挖面中心點的水平位移急劇增大時，認(rèn)為此時的支護(hù)壓力比即為最小極限支護(hù)壓力比，由于此時出現(xiàn)過大變形，程序中止計算。

2.2 模型建立

根據(jù)不同地質(zhì)條件及單元所在地質(zhì)情況，賦予土層力學(xué)材料參數(shù)。為減小模型邊界效應(yīng)影響，隧道模型的計算范圍：上取至地面，下取至隧道底部以下15m，橫向取至隧道兩側(cè)各 25m，由于研究開挖面支護(hù)壓力的影響，一次性開挖長度取15m，總長度取30m。位移邊界條件：兩側(cè)面限制水平位移，底部限制豎向位移，地表取為自由邊界。計算模型及網(wǎng)格化分如圖 1所示，網(wǎng)格采用映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格共剖分為10920個單元，15666個節(jié)點。

圖1 ANSYS計算模型及網(wǎng)格劃分圖

2.3 計算過程分析

開挖面支護(hù)壓力不足引起圍巖應(yīng)力釋放導(dǎo)致地基變位，首先是開挖面附近土體單元發(fā)生向盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)的水平位移，通過計算開挖面支護(hù)壓力變化與開挖面中心點朝向壓力艙方向水平位移之間的關(guān)系，明確開挖面極限支護(hù)壓力下限，如圖 2所示。計算結(jié)果表明，隨著開挖面支護(hù)壓力的逐漸減小，開挖面前方土體水平位移量逐漸增加，當(dāng)支護(hù)壓力下降到一定程度，開挖面水平位移量急劇增大(在圖中表現(xiàn)為曲線的斜率接近 0 時)，此時認(rèn)為開挖面失去穩(wěn)定，即可得到最小極限支護(hù)壓力。

圖2 開挖面中心點水平位移與支護(hù)壓力比關(guān)系圖示

為了得到精細(xì)化的破壞模式，文中取中風(fēng)化礫巖、雜填土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂和強風(fēng)化礫巖來分別進(jìn)行分析，得出隧道開挖面橫斷面及縱斷面破壞圖如圖3、4所示，從而可看出求極限支護(hù)壓力時的開挖面失穩(wěn)模式。

圖3 橫斷面破壞模式

圖4 縱斷面破壞模式

3 開挖面極限支護(hù)壓力的確定

為了對盾構(gòu)隧道施工的支護(hù)壓力提出一個合理的取值范圍，本文以盾構(gòu)段隧道樁號為準(zhǔn)，每隔40米選取一個隧道截面，記錄其不同的材料參數(shù)，使用ANSYS模型計算每個截面支護(hù)壓力的下限值與上限值。

3.1 參數(shù)選取

表2 隧道南線線盾構(gòu)段截面劃分及地層分布表

69608.3粉細(xì)砂/強風(fēng)化礫巖9粉細(xì)砂/強風(fēng)化礫巖8.8粉細(xì)砂/強風(fēng)化礫巖9.2中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖9.6粉細(xì)砂/中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖9.9粉細(xì)砂/中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖12中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖12.8中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖13.5中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖13.7中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖13.2中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖11.7中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖10.3中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖9.6粉細(xì)砂/中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖9.4中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖9.4中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖9.9中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖9.4中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖8.7中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖11.4中風(fēng)化礫巖/強風(fēng)化礫巖SK1+000-------------740880912010160112001224013280143201536016400174401848019520205602160022640236802472025760

圍巖參數(shù)分布特征如表3所示：

表3 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計算結(jié)果

通過ANSYS建立的隧道開挖面模型對該隧道盾構(gòu)區(qū)樁號每隔40米所選取的26個截面進(jìn)行計算，得到每個截面的支護(hù)壓力最大壓力比和最小壓力比，再求出其極限支護(hù)壓力的下限值與上限值，如表4、圖5所示。

表4 隧道開挖面極限支護(hù)壓力計算結(jié)果

（附注：其中bar為壓強單位，1bar=100kPa）

圖5 隧道盾構(gòu)段不同截面極限支護(hù)壓力取值范圍表

圖5給出了隧道不同截面支護(hù)壓力的取值范圍，開挖面的實際支護(hù)壓力應(yīng)小于最大極限支護(hù)壓力，大于最小極限支護(hù)壓力，為隧道施工過程中的開挖面支護(hù)壓力控制提供了取值范圍的指導(dǎo)。

4 開挖面支護(hù)壓力參數(shù)敏感性分析

由于影響泥水盾構(gòu)隧道破壞的因素很多，本文假設(shè)隧道周邊土體為均質(zhì)，對影響隧道開挖面極限支護(hù)壓力的影響因素（如隧道埋深、土體內(nèi)摩擦角和粘聚力）進(jìn)行計算分析。

本文取不同的隧道埋深比、土體內(nèi)摩擦角和土層的粘聚力來分析隧道開挖面極限支護(hù)壓力的變化情況，如表5所示

表5 隧道埋深比、土體內(nèi)摩擦角和土層粘聚力的組合值

通過ANSYS建立的模型求解得出泥水盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)力的數(shù)值變化曲線，如圖6-8所示。

圖6 不同粘聚力和埋深比組合對極限支護(hù)力的影響 圖7 不同內(nèi)摩擦角對極限支護(hù)力的影響

圖8 不同內(nèi)摩擦角和埋深比對極限支護(hù)力的影響

由圖6可知，內(nèi)摩擦角一定時，開挖面極限支護(hù)力隨埋深增大而呈曲線增大；同一埋深下，粘聚力越大，極限支護(hù)力越大。

由圖7可知，極限支護(hù)力與土層的粘聚力c大致呈線性關(guān)系變化，且隨著內(nèi)摩擦角的增大，極限支護(hù)力增加幅度越來越大。

由圖 8可以看出，粘聚力一定，同一埋深下，開挖面極限支護(hù)力隨土層內(nèi)摩擦角的增大而增大；內(nèi)摩擦角φ≤5°時，極限支護(hù)力隨著埋深比的增加大致呈線性增加；當(dāng)內(nèi)摩擦角逐漸增大時，極限支護(hù)力成曲線增長，且增長幅度增加。

綜上可知，可以采取增加埋深比、土層內(nèi)摩擦角和粘聚力的方法防止開挖面隆起破壞，如：地表堆載，對地層進(jìn)行注漿改良等等。

5、結(jié)語

本文以南湖路湘江泥水盾構(gòu)隧道為工程實例，通過ANSYS建模求解泥水盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護(hù)壓力，并且討論了不同工況參數(shù)對極限支護(hù)壓力的影響，得到如下結(jié)論：

泥水平衡盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護(hù)壓力隨土層的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的增大而增大，土層的粘聚力c與極限支護(hù)力大致呈線性關(guān)系變化，隨著土層內(nèi)摩擦角的增大，極限支護(hù)力與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線的斜率也逐漸增大。對于控制支護(hù)壓力、預(yù)估地層加固范圍具有指導(dǎo)意義。

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1007-6344（2016）09-0052-03