隨著城市軌道交通建設的高速發展，出現了大量利用土壓平衡盾構施工的隧道工程。土壓平衡盾構依靠盾構刀盤和土艙內(nei) 切削攪拌後的土體(ti) 維持開挖麵的穩定，支護壓力的合理選擇對於(yu) 控製盾構掘進對周邊環境的影響意義(yi) 重大。國內(nei) 外學者采用理論分析、模型試驗、數值模擬等手段對盾構開挖麵穩定特性進行研究。Anagnostou等首先采用楔型體(ti) 理論對泥水盾構和土壓盾構的開挖麵穩定特性進行分析，後續對於(yu) 盾構開挖麵穩定性的理論研究多基於(yu) 此。關(guan) 於(yu) 盾構開挖麵穩定特性的模型試驗多采用離心機試驗或小尺寸模型試驗。隨著計算機技術的發展，越來越多的學者開始利用數值模擬的方法對盾構開挖麵穩定特性進行研究。黃正榮等采用數值模擬的方法分析了不同土層條件、不同支護壓力作用下盾構開挖麵的變形和破壞情況。盾構掘進過程中開挖麵土體(ti) 存在超孔隙水壓力，且超孔隙水壓力對開挖麵穩定存在較大影響。本文在前人研究的基礎上，利用考慮流固耦合的數值分析方法，對盾構開挖麵欠支護和超支護兩(liang) 種模式進行計算，研究超孔隙水壓力的存在對於(yu) 盾構開挖麵穩定特性的影響。
1 土壓平衡盾構開挖麵水土應力狀態
土壓平衡盾構掘進過程中，在刀盤切削擠壓作用下開挖麵水土應力狀態非常複雜。為(wei) 了研究開挖麵水土應力狀態，在盾構掘進斷麵上埋設水土壓力計監測盾構掘進過程中開挖麵水土壓力的變化情況，監測結果如圖1所示。由圖可見，盾構前方土體(ti) 在盾構掘進過程中有超孔隙水壓力產(chan) 生，盾構向前掘進施工時，超孔隙水壓力上升，管片拚裝階段盾構停推，孔隙水壓力下降；距離盾構刀盤越近，超孔隙水壓力越大，土壓力增量亦存在相似的發展規律；盾構開挖麵上超孔隙水壓力和土壓力增量沿深度基本保持不變。
（ａ）測點布置（m）
（ｂ）超孔隙水壓力
（ｃ）土壓力增量
圖1 開挖麵水土壓力發展情況
2 考慮流固耦合的數值模型
為(wei) 了研究超孔隙水壓力影響下盾構開挖麵穩定特性，建立考慮流固耦合的盾構掘進數值模型，如圖2所示。模型長200m，深60m，盾構直徑為(wei) 14.27m，上覆土厚度取20m。模型側(ce) 麵邊界約束水平向位移，底部約束豎向位移。土體(ti) 非線性本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，選擇該模型模擬土體(ti) 特性主要考慮以下三方麵原因：①模型比較簡單，參數較少；②計算參數與(yu) 土體(ti) 物理特性相關(guan) ；③工程中應用廣泛。土體(ti) 考慮為(wei) 黏性飽和土，取：幹重度1.3MN／m3，彈性模量10MPa，泊鬆比0.35，黏聚力10KPa，有效內(nei) 摩擦角25°，滲透係數10－6m/s，孔隙比1.0，地下水位位於(yu) 地表。
圖2 數值模型
根據原位監測數據，盾構開挖麵上超孔隙水壓力和有效應力增量與(yu) 深度無關(guan) ，因此數值模擬計算中作用於(yu) 開挖麵的支護壓力形式為(wei)
式中：ｚ為(wei) 土體(ti) 埋深；p0（ｚ）為(wei) 埋深ｚ處的靜止土壓力；K0為(wei) 單位埋深的靜止側(ce) 向土壓力；Δp為(wei) 設定的支護壓力與(yu) 靜止側(ce) 向土壓力的差，當Δp＜0時，支護壓力偏小，當Δp＞0時，支護壓力偏大。由於(yu) 考慮了孔隙水滲流情況，模型可以模擬盾構掘進過程支護壓力增量Δp隨盾構刀盤靠近而逐漸增大的過程。盾構單環推進時間設置為(wei) 1h，管片拚裝時間設置為(wei) 1h。在Δp增大至指定值後，維持Δp值不變進行固結計算，以模擬管片拚裝過程。
3 計算結果
圖3所示為(wei) 計算得到的欠支護狀態下支護壓力增量Δp與(yu) 開挖麵水平位移ｕ的關(guan) 係曲線。由圖可見，欠支護情況下極限開挖麵支護壓力增量為(wei) －180 KPa。圖4所示陰影部分為(wei) 失穩狀態開挖麵土體(ti) 塑性區分布範圍。可見，當開挖麵失穩時開挖麵前方大範圍土體(ti) 產(chan) 生鬆動破壞，並延伸至地表。
圖3 欠支護狀態下的Δp－ｕ關(guan) 係曲線
圖4 欠支護極限狀態土體(ti) 塑性區（Δp＝－200KPa）
圖5所示為(wei) 計算得到的超支護狀態下支護壓力增量Δp與(yu) 開挖麵水平位移ｕ的關(guan) 係曲線。可見，曲線較為(wei) 平緩，沒有明顯的拐點。其斜率曲線第一個(ge) 拐點為(wei) 極限荷載，則極限荷載確定為(wei) 100KPa。圖6所示陰影區域為(wei) 失穩狀態開挖麵土體(ti) 塑性區分布範圍。可見，該塑性區與(yu) 欠支護狀態塑性區分布完全不同，受盾構擠壓作用，開挖麵前方土體(ti) 塑性區由盾構頂部呈一定角度向前發展至地表，開挖麵後方盾構上方土體(ti) 塑性區由盾構頂部呈一定角度向後發展至地表。
圖5 超支護狀態下的Δp－ｕ關(guan) 係曲線
圖6 超支護狀態極限狀態土體(ti) 塑性區（Δp＝120KPa）
4 參數的影響
土體(ti) 滲透係數不同，超孔隙水壓力的消散速度亦不相同，因此土體(ti) 滲透係數可能對開挖麵穩定存在一定影響。考慮土體(ti) 滲透係數K＝10－4，10－5，10－6，10－7m/s進行計算，得到欠支護和超支護狀態下支護壓力增量Δp和開挖麵土體(ti) 水平位移ｕ關(guan) 係曲線如圖7所示。
（ａ）欠支護狀態
（ｂ）超支護狀態
圖7 不同滲透係數時的Δp－ｕ關(guan) 係曲線
由圖可見，土體(ti) 滲透係數越大，相同支護壓力增量情況下開挖麵水平位移越大，曲線拐點對應的極限支護壓力增量越小；K＜1μm/s時，Δp和ｕ的關(guan) 係曲線受土體(ti) 滲透係數影響較小。因此，土體(ti) 滲透係數越大，保持開挖麵穩定越困難，需要更加精確地設定開挖麵支護壓力。
圖8所示為(wei) 欠支護狀態下開挖麵前方地表豎向位移ｗ隨時間的發展情況。可見，當Δp＝－80KPa時，地表沉降隨著時間的增長逐漸發展並趨於(yu) 穩定；當Δp＝－100KPa時，停推前期沉降隨時間的增長逐漸發展，當停推時間達到7h時，地表沉降發展速度突然增大，意味著開挖麵發生失穩。因此，當開挖麵處於(yu) 欠支護狀態，支護壓力較小時，長時間停推可能導致原本穩定的開挖麵發生失穩。
圖9所示為(wei) 超支護狀態下開挖麵前方地表豎向位移ｗ隨時間的發展情況。可見，當Δp＝120KPa時，盾構上方地表呈下沉狀態，開挖麵前方地表呈隆起狀態；隨著停推時間的增長，盾構上方地表沉降緩慢發展並趨於(yu) 穩定，盾構前方地表先下沉後上抬並趨於(yu) 穩定。因此，當開挖麵處於(yu) 超支護狀態時，盾構長時間停推對開挖麵穩定性影響較小。
圖8 欠支護狀態地表豎向位移隨時間的發展
圖9 超支護狀態地表豎向位移隨時間的發展
5 結論
本文利用原位監測探索了土壓平衡盾構開挖麵水土壓力分布情況，並利用考慮流固耦合的數值分析方法對盾構開挖麵穩定特性進行研究，得到：
（1）土壓平衡盾構掘進過程中，開挖麵上會(hui) 產(chan) 生可觀的超孔隙水壓力和土壓力增量，且超孔隙水壓力和土壓力增量沿深度基本保持不變。
（2）盾構開挖麵處於(yu) 欠支護狀態和超支護狀態時，開挖麵前方土體(ti) 塑性區的發展和分布完全不同。
（3）受盾構開挖麵超孔隙水壓力的影響，土體(ti) 滲透係數越大，開挖麵穩定越難以維持。當盾構處於(yu) 欠支護狀態時，盾構長時間停推可能導致開挖麵失穩。
轉自《上海交通大學學報》