南京纬三路过江通道泥水盾构带压开舱开挖面最小支护压力确定

吴忠善，钟小春，杨钊，杨擎

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098；3.中交第二航务工程局有限公司技术中心，湖北 武汉 430040）

0 引言

盾构施工对周围环境造成的影响与开挖面稳定程度密切相关。施工中，开挖面的稳定是通过压力舱的支护应力得以实现的，开挖面支护应力过大将造成地表隆起破坏，而压力过小，容易导致地表沉陷甚至坍塌。在城市隧道工程中，由于开挖面支护应力不当造成的开挖面坍塌事故多次出现[1-2]。

为此，很多学者采用多种研究方法开展这方面的研究。应用离心模型试验，通过增大加速度的办法，可以将试验模型的应力还原到实际地层中的应力状态，较好地还原了盾构稳定性状态[3-4]。随着计算机技术及有限元仿真技术的发展，数值模拟计算可模拟盾构隧道施工的复杂工程，从而为盾构隧道开挖面稳定问题的研究提供便利，但其存在输入数据及计算参数的选择对计算结果影响较大这一不利因素（这也是目前数值分析应用于岩土工程中存在的一个共同问题），有学者建议通过下述方法在一定程度上克服这一缺陷[5-6]：利用模型试验模拟简单的理想隧道开挖→应用数值模拟研究同样的问题从而对数值计算参数的确定进行标定→建立新的数值模型，模拟复杂的实际隧道开挖过程。

针对目前国内最大的泥水盾构穿越长江带压进舱作业情况，如何确保开挖面稳定的情况下，尽可能降低开挖面的支护压力，确保进舱维修人员安全，是一项关系到开挖能否成功的关键问题。通过建立数值分析模型，开展了高水压条件下的三维计算分析，并将计算成果与实验总结的成果进行了分析。

1 工程简介及开舱位置地质条件

南京纬三路过江通道工程位于南京长江大桥与纬七路南京长江隧道之间，下距长江大桥约4.9 km，上距南京长江隧道约4.7 km。该工程盾构段隧道设计为双管隧道，北起南京浦口区顶山转盘西侧，跨越规划中的沙子河路、江北滨江大道，以隧道形式穿越长江、江南滨江大道后，南管隧道与定淮门大街顺接，长5 530 m（盾构段4 134.8 m），主要承担纬三路与浦口之间的交通联系；北管隧道与扬子江大道顺接，长4 930 m（盾构段3 537.8 m），主要承担扬子江大道与浦口间的交通联系。

南京纬三路过江通道泥水盾构掘进至如图1所示的地质条件时，掘进遇到困难，推力不断增大、扭矩突破了装配扭矩，被迫停机检查。江水至盾构隧道中心的水压力为0.553 MPa，江面至江底的水深为27.34 m。上覆土主要为粉细砂、粗砂、卵石和强风化砂岩，主要物理力学指标如表1所示。盾构掘进范围内的土层主要是粗砂、卵石和强风化砂岩，属于强渗透性地层，渗透系数在10-2cm/s数量级上。为了确保泥浆压力能够有效支护开挖面砂土，需要在开挖面上形成有效、致密的泥膜。

管片混凝土等级为C50，弹性模量3.45×104MPa，管片厚度0.6 m，环宽度2.0 m，环直径14.4 m。

2 模型的建立

图1 某次泥水盾构停机开舱位置地层和江面水位示意图（单位：m）Fig.1 Theformation and theriver water level(m)of theopening position for onceslurry shield

表1 各层土物理力学性质Table 1 Physical and mechanical property of each soil layer

根据地质条件及与盾构隧道位置的相对关系，运用岩土工程数值分析软件Plaxis3D 2012建立如图2所示的三维计算模型，模型采用15节点楔形体单元。模型可以考虑不同开挖面支护压力作用下开挖面的稳定情况及江底变形情况。

图2 盾构隧道开挖面支护压力3D计算模型Fig.2 3D model of the support pressure of shield tunnel face

计算步骤：1）盾构从边界一次性掘进15 m；2）在开挖面上施加水平支护压力，中心压力为地层初始土水压力，压力变化幅度为12 kN/m（泥浆舱中泥浆比重为1.2~1.25）；3） 逐渐降低开挖面的支护压力，直到开挖面产生塌方破坏，求得此时的土水压力，即为开挖面的极限支护压力。

作用于开挖面的支护压力通常为梯形荷载，在数值计算过程中，取隧道中心点支护压力值来代表开挖面支护压力大小，为了比较支护压力和静止土压力的关系，引入支护压力比λ进行衡量：

式中：σs为盾构开挖面中心处的支护压力；σ0为隧道中心水平静止土压力。

梯度为λ·K0·γ，γ为土的重度。

3 计算结果分析

3.1 三维计算结果分析

在数值模拟过程中，可得到不同支护压力下对应的开挖面土体位移，根据支护压力与开挖面土体位移关系曲线，把支护压力的微小变化而导致开挖面周围土体位移突变的压力定义为极限支护压力[7-9]。

图3为支护压力比和开挖面土体最大位移的关系曲线。从图中可以看出：当支护压力比λ＜0.86时，该曲线发生突变，出现拐点，计算模型受力从稳定状态向不稳定状态急剧变化。当支护压力比λ＜0.858时，计算已经不能收敛，即便得到收敛解也不符合实际情况，因此从图中可以得出极限支护压力比为0.86，于是得到极限支护压力为560.7 kPa。

图3 开挖面中心点水平位移随支护压力比变化规律Fig.3 Center of excavation surface horizontal displacement along with the support pressure ratio change rule

泥水盾构开挖面中心地层土水初始压力为651.8 kPa，极限支护压力为560.7 kPa，其中包含水压力553 kPa，土压力7.7 kPa。从中可以看出主要为水压力，考虑到泥水盾构采用泥浆压力支护，泥浆压力转换为土颗粒之间的有效应力会有一定的损失，一般工程采用以下公式确定泥浆压力，文献[9]指出：开挖面土仓压力通常按下式设定：泥浆舱压力=地下水压+土压+预压。土压力是指掘削面上的水平向的作用土压力。计算土压力的竖向基准荷载与土质状况和覆盖层厚度有关，可以是全部覆盖土层厚度对应的竖直土压力，也可以是松弛土压。其中，地下水压力按照静水压力进行计算。对于黏性土地层通常是把地下水压力计在土压力中，即按照水土压力合算的总应力法进行计算；对于透水性强的砂类土，需要按照有效应力法计算主动土压力，并与静水压力之和即为需要设定的土仓压力。预压通常设定为20 kPa，因此为了确保开挖面的稳定，开挖面中心点的泥浆压力应设定为580.7 kPa。

考虑一定的安全富余量，黄正荣[8]、乔金丽[9]将强度折减法引入盾构开挖面稳定性的数值模拟，分析了不同支护压力比与安全系数的关系，并提出实际施工中，开挖面支护压力至少应取极限支护压力的1.1倍。由此计算得出开挖面支护压力为616.8 kPa。

开挖面压力究竟设置多少较为合适，还需要结合开挖面安全稳定性分析确定。如图4所示，当开挖面压力为极限支护压力再加上20 kPa时，安全系数从1.0增加到1.93，增加幅度可观；当开挖面增加到极限支护压力的1.1倍时，开挖面安全稳定性继续提高到3.38；当开挖面支护压力为初始地层支护压力时，开挖面安全稳定性达到4.83。开挖面稳定系数与隧道中心点支护压力呈线性比例增长。

图4 盾构开挖面安全稳定性与支护压力的关系Fig.4 Relation between the shield tunnel excavation face stability and the support pressure

为了确保工程安全，考虑泥浆压力的波动和泥浆压力转换为开挖面土体的有效应力的损耗，开挖面中心点的支护压力设定在600 kPa。

3.2 经验公式计算结果

程展林等[10]通过模型试验研究了土拱效应和孔隙水压对盾构开挖面稳定性的影响，并提出中粗砂地层中极限泥浆支护压力公式：

式中：φ′为地基土有效内摩擦角；u为孔隙水压力；σv为上覆土体竖向应力；（0.6~0.7）反映砂土地基的拱效应。

通过计算得到开挖面中心点的支护压力为595.0 kPa，与3.1节中经计算后推荐的支护压力基本上一致。

3.3 工程中压力计算方法

采用主动土压力方法确定盾构开挖面极限支护土压力，综合考虑隧道上覆各种土层的影响，将主动土压力系数定为0.314。最终确定盾构刀盘中心点土压力为0.659 MPa，远大于理论计算和经验公式的情况。

分析以上的土压力设定较大的原因，主要是采用计算模式存在问题。按照挡土墙主动土压力模式确定开挖面支护压力，没有考虑三维拱效应对塌落土体的支撑作用，从而计算结果明显偏大。

4 结语

通过以上分析可知：

1）盾构开挖面支护压力确定是盾构施工中一个非常关键的因素，涉及到地面沉降甚至可能引发开挖面塌方。

2）在粉细砂和中粗砂、卵石地层中开挖面支护压力可采用极限支护压力+预压的办法和极限支护压力的1.1倍来确定，通常可以取两者的平均值来确定。

3） 目前工程中采用的计算方法概念不够明确，因为盾构开挖面失稳的问题是一个三维问题，采用土力学中挡墙主动土压力直接计算极限支护压力仅考虑平面问题，其结果偏于安全。

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