软土地层中盾构开挖面失稳情况下的土体扰动影响分析

颜 超

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

近年来，随着我国经济的高速增长和城市化水平的不断提高，隧道及地下空间开发得到了迅猛的发展。作为地下交通设施建造的主要方法，盾构法已得到了广泛的应用。盾构隧道施工中，开挖面的稳定情况将直接影响周围土层以及建（构）筑物的变形。当开挖面支护压力过小时，开挖面将发生失稳破坏，致使地表因沉降过大而发生塌陷，从而导致事故的发生，因此，保证开挖面稳定性是盾构隧道施工的关键。

盾构隧道开挖面失稳是盾构隧道研究领域的重点和热点，同时也是一个非常传统的研究课题，国内外学者如朱伟等[1]、Kamata等[2]，Chen等[3]通过数值模拟等方法开展了大量的研究。不过大多数研究都是针对砂土地层展开的，而对于像上海、杭州等滨海城市来说，地层以软黏土为主，因此弄清软黏土地层中盾构开挖面的失稳机制将会对软土地层的盾构掘进提供有益的参考。本文基于上海软土地层中的常规地铁盾构隧道工程，通过数值模拟的方法对典型尺寸下的盾构开挖面失稳扰动机制展开分析和研究，以期为后续软土地层盾构施工提供理论基础。

1 有限元模型

1.1 模型尺寸

依据常见的地铁盾构隧道工程情况，本文采用有限元软件Abaqus建立了相应典型尺寸的隧道有限元模型，如图1所示。其中，模型的整体尺寸具体为25 m（x方向）×20 m（y方向）×20 m（z方向），如图1（a）所示；盾构埋深取9 m，直径取6 m，开挖长度取10 m，如图1（b）所示。

1.2 材料参数选取

在数值计算中，土体采用实体单元（C3D8I）进行模拟，本构模型采用Mohr-Coulomb模型，土体物理力学参数选取上海地区典型软土地层参数，具体参数情况如下：密度为1 800 kg/m3，压缩模量为2.15 MPa，黏聚力为13 kPa，内摩擦角为13°。

图1 有限元模型

1.3 边界条件及计算工况

整个数值模拟计算过程分为以下几个步骤：

1）在初始分析步中，将土体除上表面之外，其他各表面设置法向位移为0的边界条件。隧道和挡板设置各方向位移为0的边界条件。

2）地应力平衡分析步，这一步将土体赋予重力，使土体生成自重应力场，且将土体初始沉降控制在10-6以下。为模拟试验中先有隧道、后将土体填入这一过程，我们将隧道模型和土体模型之间的接触关系绑定，并采用Abaqus自带的生死单元功能，将隧道失效，这样可以确保在地应力平衡过程中，隧道内部土体的位移场和应力场为0，相当于隧道内部土体对外部土体没有影响，以此来模拟试验中隧道内部无土的情况。

3）将隧道内部土体失效，同时激活隧道单元和挡板单元。挡板和开挖面之间采用法向硬接触、切向摩擦的接触关系，摩擦因数为0.7。

4）向挡板施加一个后退的位移边界条件，模拟开挖面失稳。

同时为了可以更为全面地分析开挖面失稳对土体的扰动规律，在数值计算中还设置了如下计算工况，详见表1，其中C代表隧道埋深，D代表隧道直径。

表1 计算工况

2 计算结果分析

2.1 地层位移场分析

图2为开挖面失稳情况下，盾构开挖面前方位移场云图。图中圈出了数值模拟计算得到的开挖面失稳对前方土体变形的影响范围。可以看出，由于黏聚力的存在，前方土体失稳区域近似呈现出“盆”状，这与Mair[4]采用离心试验所给出的饱和软黏土开挖面一般失稳区域形态一致。

图2 土体变形数值与试验云图对比

图3更详细地给出了数值计算所得到的地层变形结果。其中图3（a）为深度1.5D处开挖面前方土体的竖向位移曲线，图3（b）为深度1.5D处开挖面前方土体的水平位移曲线。对于开挖面前方沿隧道纵向距离L、竖向位移v和水平位移w均采用隧道直径D进行了无量纲化处理，即L/D、w/D、v/D。

图3 深度1.5D处开挖面前方土体变形曲线

从图3可以看出，深度1.5D处开挖面前方土体的水平位移和竖向位移变化趋势基本一致，均呈现出先快速增大，后缓慢减小的趋势，整体呈现出下凹的沉降槽。水平位移与竖向位移的最大值均发生在0.3D～0.4D的区域。

2.2 不同埋深比下开挖面失稳土体扰动分析

本文分别计算了埋深比C/D为0.5、1.0、1.5、2.0这4种工况下开挖面前方土体的变形情况，并绘制了位移场云图（图4）。

从图4可以看出，在不同埋深比下，开挖面前方的位移场整体形态并没有大的变化，整体呈现出“盆”状，但是随着埋深比的不同，开挖面失稳对前方土体位移的影响范围却发生了较大的改变。主要体现为以下几点：

1）随着隧道埋深的增加，开挖面失稳对地表的影响逐渐减小。当埋深为0.5D时，前方土体的位移会迅速延伸至地表；埋深1.0D时影响明显减小；当埋深为1.5D和2.0D时，开挖面前方土体的变形已经对地表基本不产生影响。

2）随着隧道埋深的增加，开挖面失稳破坏产生的位移最大值逐渐增加，且均出现在掌子面正前方处。

为进一步分析埋深比对隧道开挖面失稳的影响，本文提取了不同埋深情况下的地表纵向沉降曲线，如图5所示，并对横纵坐标进行了无量纲化处理。

图4 不同埋深比下开挖面前方土体变形云图

图5 不同埋深下地表沉降曲线

从图5可以看出，地表沉降整体上呈现先增大后减小的凹槽状，同时不难发现，不同的埋深比条件下，地表沉降值变化巨大。当埋深比为0.5时，竖向沉降的比值为2.7左右，埋深为1.0时，该值减小到1.5左右，当埋深比为2时，竖向沉降比值减小到只有1.0左右，说明地表沉降值随着埋深的增大迅速减小。

除此之外，地表沉降的影响范围也与隧道埋深比有很大的关系。从图5中还可以看出，隧道埋深比为0.5时，开挖面失稳对地表的影响范围最小，随着埋深的增加，地表沉降槽的宽度逐渐增大。这可能与黏土黏聚力较大有一定的关系。

在黏土中，由于黏聚力的存在，破坏区域不像在砂土中，能够直接延伸到地表，而是呈一个向外扩散的趋势。当埋深较浅时，这一特点尚不明显，但是随着埋深的增加，可以发现，在黏土中的破坏形式与在砂土中存在明显的差异。

图6为不同埋深条件下，开挖面前方中轴线上土体的变形曲线。由图6可知，竖向位移和水平位移的最大值均发生在开挖面处，随着与开挖面的距离增大，水平位移和竖向位移值迅速减小，当距离开挖面约为2.0D时，水平位移和竖向位移基本减小为0。

值得注意的是，随着埋深的增加，开挖面处的最大位移不减反增，这点与地表沉降规律相反。这可能是由于随着埋深的增加，开挖面处的应力值增高，一旦发生失稳现象出现应力释放，开挖面处小范围内的应力场变化过大，就会产生局部较大的位移值。

图6 不同埋深下开挖面前方中轴线土体变形曲线

3 结语

本文主要基于常见地铁盾构工程，通过数值方法和无量纲分析揭示了软土地层中盾构开挖面失稳扰动机理。主要得到了以下几条结论：

1）在软土地层中，由于黏聚力的存在，开挖面失稳时前方土体失稳区域近似呈现出“盆”状，这与砂土地层中的失稳模式是不同的。

2）通过对不同埋深比下盾构开挖面失稳进行模拟，发现在软土地层中，随着隧道埋深的增加，开挖面失稳对地表的影响逐渐减小，当埋深达到1.5D及以上时，开挖面失稳将不再延伸至地表。

3）不同埋深比下盾构开挖面失稳对地表沉降范围的影响不一样。埋深比越小，地表沉降范围影响也越小；当埋深比增加，地表沉降范围也会增加。