扬州瘦西湖隧道全黏土地层泥水盾构施工开挖面稳定性研究

王承震

(中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250014)

0 引言

伴随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，地下空间工程成为开发热点。随着我国各大城市地铁以及多个国家重大越江隧道工程(如西气东输穿越长江隧道、南水北调中线穿黄隧道、南京长江过江公路隧道、上海沪崇苏公路隧道、广州狮子洋海底隧道等)的相继修建，盾构隧道施工法以其安全、环保、低扰动、高效快速的优势，已成为当下重大隧道工程建设的主流施工方法。近年来，国内外出现了越来越多的大型泥水盾构隧道工程，如荷兰绿心隧道的盾构直径达到14.87 m，南京长江隧道和扬州瘦西湖隧道直径达14.93 m，西班牙马德里M30公路隧道直径达15.2 m，等等。

随着大直径泥水盾构隧道在世界范围内的广泛成功应用，其开挖面稳定性逐渐引起人们的重视。G.Anagnostou等［1］认为刀盘开挖面的支撑和开挖面上的渗流控制是泥水盾构和土压平衡盾构在开挖隧道过程中需要注意的2个问题;Kimura T.等［2］的研究表明正面土体稳定在由盾构开挖引起的地层变形中起着非常重要的作用;Mair R.T.［3］利用沙土箱研究了开挖面稳定性与土体力学特性和地下水情况的影响之间的关系;程展林等［4］采用专门加工的盾构开挖面稳定试验系统，包括模型箱、盾构模型、压力控制台及测试系统，测定在刀盘活动及改变泥浆压力过程中开挖面前缘土体的应力变化，以确定开挖面的稳定性;秦建设等［5－6］通过对砂土地层盾构施工数值模拟计算，研究开挖面稳定性问题，并与前人的离心试验研究成果进行对比研究;沈培良等［7］、姜忻良等［8］针对不同地区盾构施工的开挖面变形和地面沉降进行研究，对类似环境下的盾构施工具有指导作用;文献［9－14］通过模型试验和数值模拟等方法对不同地层条件下的盾构开挖面稳定性问题进行了比较充分的研究;文献［15－18］对盾构施工中的开挖面支护压力和土体变形规律进行了研究。

综上所述，虽然国内外对大直径盾构隧道施工与开挖面稳定性有了一定研究，但是对于在全黏土地层下的大直径盾构隧道开挖面稳定性研究仍有不足之处。泥水盾构开挖面稳定对盾构施工轴线及地面沉降控制有重要影响，与隧道工程施工安全有紧密联系。本文以扬州瘦西湖隧道工程为背景，通过室内试验和数值模拟，进行了全黏土地层大直径盾构隧道掘进中开挖面稳定性研究，针对开挖面破坏进行原因分析，并提出控制措施。

1 工程背景

1.1 工程概况

扬州瘦西湖隧道工程地处扬州市中心区域，下穿扬州市重要风景区和多个文物保护建筑，是扬州城建史上的首条隧道，也是扬州市城市总体规划中的重要城市交通通道之一。其工程位置及范围示意如图1所示，工程地质条件如图2所示。

图1 工程位置及范围示意图Fig.1 Location and scope of project

该项目包括瘦西湖东西两侧的明挖段隧道、瘦西湖隧道及地面接线道路配套工程，隧道段主线全长2 630 m，匝道全长520 m，盾构段长1 275 m，隧道结构采用单管双层型式。盾构在湖东现场组装后，由湖东向湖西始发掘进。采用德国海瑞克公司生产的泥水混合式盾构，开挖直径14.93 m，盾构管片环外径14.5 m，内径13.3 m，管片壁厚0.6 m，管片宽2 m。瘦西湖隧道为圆形盾构隧道，采用双层双向2车道布置，其余路段采用箱型断面布置，隧道设计车速为60 km/h。

图2 扬州瘦西湖隧道区段分布及工程地质图(单位:m)Fig.2 Division and engineering geological map of Slender West Lake Tunnel(m)

1.2 工程问题

扬州瘦西湖黏土地区，盾构在硬塑黏土膨胀地层中掘进停机检修，特别是长时间停机时，曾3次遇到开挖面坍塌失稳问题。开挖面前方土体坍塌如图3所示。

图3 开挖面前方土体坍塌Fig.3 Ground surface collapse

统计了3次坍塌时的相关信息，如前泥水舱压力为0.2 MPa左右，且压力稳定，支护应力比约为0.7，正常状态下能够保持开挖面稳定而不至破坏。3次塌方均出现在盾构停机维护3 d以上的地方，且发生在第6天和第7天左右。

2 工程地质条件

结合扬州瘦西湖隧道地层条件和施工情况，确定其物理力学性质指标，对含水率、密度和干密度、界限含水量、颗粒级配、自由膨胀率、膨胀力等主要参数进行试验。准确了解膨胀土的特性及变化条件，预测隧道开挖时可能出现的状况，或者对已经出现的状况进行深入分析，从而采取相应的处理措施。瘦西湖黏土基本性质如表1所示。颗粒级配曲线如图4所示。

表1 瘦西湖黏土基本性质Table 1 Property of clay of Slender West Lake Tunnel

图4 颗粒级配曲线Fig.4 Curve of particle size distribution

3 瘦西湖隧道开挖面稳定性分析

3.1 计算模型

利用有限元软件FLAC3D对隧道开挖面进行模拟分析。数值模拟计算采用摩尔－库仑材料本构模型和摩尔－库仑破坏准则来反映黏土材料的力学性质和剪切破坏特性。材料的屈服判断应用剪切屈服函数及不相关联流动法则，同时破坏包络线采用满足相关联流动法则的拉伸屈服函数。计算模型取盾构直径为15 m，顶部覆土为20 m。模型尺寸为X方向取65 m，Y方向取60 m，Z方向隧道上方至地面取20 m，隧道下方取25 m。围岩左、右、前、后边界和下边界均为法向约束，上边界为自由边界。管片采用LINER结构单元模拟，LINER结构单元能够反映土体与管片的接触作用。扬州瘦西湖隧道工程3次塌方都是在停机5～6 d之后，为了更准确地预测开挖面稳定性与泥水浸润时间的关系，模型中泥水浸润时间取至12 d。模型共计39 000个计算单元，计算模型见图5，模型参数如表2所示。

图5 数值模拟试验模型Fig.5 Numerical simulation model

表2 地层物理力学性质参数Table 2 Physical and mechanical parameters of different materials

盾构施工开挖面失稳的研究主要侧重于开挖面前方土体相对盾构泥水舱方向的变位情况，数值计算过程通过关键监测点位移变化来研究，如图6所示。

研究中定义支护压力比为隧道中心点处支护压力与隧道中心点处原始静止侧向土压力的比值，并且定义开挖面位移最大的监测点位移急剧增大而不收敛时，对应的支护压力比为极限支护压力比。同时，通过监测隧道开挖面附近周围土体单元应力随开挖面支护应力减小的变化情况，来研究支护应力不足引起的膨胀土地基应力释放问题，如图6所示的F1—F6。盾构施工中，支护压力比过大，支护压力超过上限极限支护压力时，土体向盾构掘进方向失稳，可能出现地表隆起现象;支护压力比过小，支护压力低于下限极限支护压力时，前方开挖面泥水压力将会大于支护压力，土体向盾构掘进相反方向失稳，可能出现开挖面坍塌、地表沉降等现象。因此，施工中需要合理控制支护压力比，把实际支护压力控制在极限支护压力的上下限之间。

图6 监测点分布Fig.6 Distribution of monitoring points

3.2 计算工况设计

首先模拟初始自重应力场的平衡，然后进行隧道开挖模拟，模拟过程在某一浸润时步后，通过在开挖面施加特定形式的支护压力，并逐渐减小支护压力，研究开挖面周围土体应力、应变与支护压力的关系。

3.3 计算结果分析

3.3.1 极限支护压力比与泥水浸润时间的关系

泥水盾构在膨胀土地层开挖面稳定性分析，很重要的一部分是对泥水浸入后，随着地层含水率的增大，地层强度降低，进而导致极限支护压力的变化的分析。图7是膨胀力为108 kPa时极限支护压力比随泥水浸润时间的变化关系。

图7 膨胀力为108 kPa时极限支护压力比随泥水浸润时间的关系Fig.7 Relationship between the ratio of ultimate support pressure and slurry infiltration time when expansion force is 108 kPa

从图7中可以看出，随着泥水浸润时间的增长，极限支护应力比不断增大。在前2 d内，极限支护压力比增长缓慢;从第3天开始，随着浸润时间的增长，极限支护压力比显著增大;当超过8 d后，极限支护压力比增长放缓。当浸润时间为6 d时，土体处于强度较大且不破坏状态，对应的极限支护应力比为0.64。

3.3.2 极限支护压力比与膨胀力大小的关系

膨胀土本身膨胀力的大小也是决定开挖面变形受力及稳定性的重要因素。膨胀力是指土体在有侧限条件下充分吸水，使其保持不发生竖向膨胀所需施加的压力值。在此过程中，压力值大小随含水率的增加而变化。已有的研究表明，影响膨胀土膨胀力大小的内部因素主要有膨胀土矿物组成、级配以及自由膨胀率，外部因素主要有土的初始含水率、干密度等。由于影响膨胀土膨胀力大小的因素有很多，膨胀力大小测定方法往往不够精确，导致工程勘测得到的膨胀力大小往往是一个建议取值范围。本工程中给出的膨胀力大小为108 kPa，而实际地层中可能由于膨胀土在不同位置膨胀力大小不一，所以本次计算取80～140 kPa共6级膨胀力进行计算。采用不同膨胀力的膨胀土，在泥水浸润时间为6 d时，进行计算模拟。开挖面极限支护压力比随膨胀土膨胀力的变化情况见图8。

图8 极限支护压力比随膨胀力大小的关系Fig.8 Relationship between the ratio of ultimate support pressure and expansion force

从图8中可以看出，随着膨胀土膨胀力取值的增大，开挖面极限支护压力呈现增长趋势。当膨胀力小于100 kPa时，极限支护压力比变化较为平缓;超过100 kPa时，极限支护压力比明显增大。因此，膨胀力在100 kPa时为该工程膨胀土的一个关键转折点，若膨胀力超过140 kPa，则在设计和施工中应采取必要的安全措施。

3.3.3 地层应力释放与支护压力比的关系

盾构开挖过程会对周围土体产生扰动，并造成应力释放。盾构停机检修过程中，在应力释放的同时，伴随着开挖面接触应力的减小，开挖面支护压力比亦减小。对于应力释放，通常考虑为支护应力不足及盾尾壁后注浆引起的应力释放2部分，其中，对于开挖面支护应力小于原有地应力引起的应力释放，通常在计算中通过设定某一假定的应力释放率来考虑。本文通过监测停机检修过程中随开挖面支护应力的变化，以及开挖面附近土体单元的应力及应变的变化情况，为研究因开挖引起的应力释放规律提供参考。

图6所示的单元竖向应力及水平应力与开挖面支护应力比的变化情况如图9和图10所示。

图9 水平向应力释放率与支护压力比的关系Fig.9 Relationship between horizontal stress release rate and the ratio of ultimate support pressure

图10 竖向应力释放率与支护压力比的关系Fig.10 Relationship between vertical stress release rate and the ratio of ultimate support pressure

由图9和图10可知:

1)随着开挖面支护应力的逐渐减小，开挖面周围土体的竖向应力变化与单元位置有关，在隧道顶部(测点F1和F2)及底部(测点F5和F6)表现为应力减小，而在隧道断面水平位置，隧道洞口外测点F3表现为极限压力许可范围内应力增大，隧道洞口内测点F4表现为极限压力许可范围内应力增大，临近极限支护应力时，应力快速释放。

2)在极限支护应力允许范围内，支护应力减小引起周围土体的应力释放，在隧道洞口范围内和隧道洞口范围外的土层表现不均等，隧道洞口范围内土层应力释放率大于隧道洞口范围外土层应力释放率。

3)在极限支护应力允许范围内，支护应力减小引起周围土体的应力释放在竖向和水平向不均等，竖向应力释放率大于水平向应力释放率。

4)在极限支护应力范围内，由于开挖面支护应力不足引起的水平向应力释放率一般在20%以内，竖向应力释放率一般在30%以内。

4 开挖面失稳破坏形式及原因分析

由上述分析可知，极限支护压力比随着泥水浸润时间和土体膨胀力的增大而增大。当盾构在膨胀土地层长时间停机时，由于其极限支护压力比不断增大，当保持支护压力不变的情况下，可能会发生失稳。扬州瘦西湖隧道工程3次塌方都是在停机5～6 d之后。开挖面监测点竖向及水平位移随泥水浸润时间的变化关系如图11和图12所示。

图11 开挖面监测点竖向位移随泥水浸润时间的变化关系Fig.11 Relationship between vertical displacement of monitoring points at excavation face and slurry infiltration time

图12 开挖面监测点水平位移随泥水浸润时间的变化关系Fig.12 Relationship between horizontal displacement of monitoring points at excavation face and slurry infiltration time

由图11和图12可知，随着泥水浸润时间的增长，开挖面前方土体的位移量不断增加，塑性区不断扩大，土体往泥水舱方向位移量水平向大于竖直向，土体位移模式表现为“鼓出型”，但是这种破坏现象区别于一般黏性地层的“鼓出型”破坏模式。在已有的关于黏土地层开挖面破坏的研究中，位移最大点多位于隧道中心点附近，隧道四周位移逐渐减小，呈现出向隧道内部凸出的形式;而在本次计算中，S1为隧道顶部附近位移监测点，S9为隧道底部位移监测点，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8为隧道开挖断面内开挖面前方土体位移监测点，高程依次减小，无论是竖向位移还是水平位移，前方土体位移最大点为隧道顶部土体，向隧道底部位移逐渐减小，破坏形式表现为隧道顶部土体涌入隧道内部。

随着浸润时间的增长，开挖面附近土体逐渐向泥水舱内移动，应力向周围位移量较小土体发生传递，表现为一定的拱效应;同时，由于土体变形，导致滑动区域土体侧向作用力明显减少。随着浸润时间的增长，开挖面前方土体的位移量不断增加，开挖面前方土体塑性区持续扩大，呈扇形向地表扩散发展，极限支护压力接近开挖面支护压力时，塑性区发展到地表面，开挖面失稳，塑性区大小基本保持不变，区域内土体的位移量急剧增大，地表呈现出局部塌陷的现象。

5 膨胀土地层开挖面稳定控制措施

随着盾构的开挖，开挖面前方具有裂隙性的膨胀土裂隙开展，渗透系数增大，加速了泥水入渗。由于泥浆入渗，膨胀土因含水率增加发生一定量的膨胀，向泥水舱内部发生挤入，并且强度降低。由于盾构停机时间较长，这种现象持续发展，导致开挖面极限支护压力比增大，开挖面稳定性降低。因此，控制开挖面稳定性应从以下几方面着手:

1)控制开挖参数，尽量平稳匀速开挖，减少开挖面扰动，尽量避免开挖面前方膨胀土裂隙开展，减少泥浆入渗通道;

2)减少停机时间，如因特殊情况需要停机检修时，可以采用“多次短停”的方式进行，防止因停机时间过长，开挖面前方土体强度不足而导致坍塌;

3)适当提高泥水支护压力，防止因开挖面极限支护压力比增加而发生破坏;

4)停机时适当增加泥浆密度和黏度，选用低渗透性能的泥浆，减少泥浆入渗量。

综合上述措施，对盾构开挖参数和膨胀土地层条件进行修正，并进行模型验证。假定停机时间为2 d，开挖面支护压力设定为0.25 MPa，考虑开挖控制措施裂隙开展程度较小，选取较低渗透系数，膨胀土地层强度参数根据表2进行设定，模型尺寸、边界条件及地层其他参数与之前的模型一致。计算结果如图13所示。

图13 采取控制措施后盾构开挖面稳定性计算分析图(泥水浸润2 d、支护压力比为0.75)Fig.13 Results of excavation face stability analysis after taking control measures(with slurry infiltration time being 2 days and support pressure ratio being 0.75)

由图13可知，采取开挖面稳定控制措施后，开挖面扰动较小，开挖面前方土体应力释放量很小，竖向位移和轴向位移均在10－2m量级，塑性区分布于盾构开挖面下部的小范围内，开挖面稳定性能够得到很好地保障。

6 结论与讨论

1)超大直径泥水盾构近年来在国内外得到越来越多的应用，开挖面稳定性是保证工程安全的关键。本文针对扬州瘦西湖盾构隧道开挖面失稳塌方现象，以开挖面前方土体含水率分布变化引起膨胀应力场和土体强度降低为主要研究内容，展开膨胀土地层掘进中泥水盾构开挖面稳定性研究，揭示了随着泥水浸润时间的增加，土体强度降低，开挖面稳定性不断下降的机制。

2)本文着重研究膨胀土地区、全黏土地层极限支护压力比的变化与开挖面破坏形式，发现支护压力比随着浸水时间的增加、膨胀土膨胀力的增高而加大，当保持支护压力不变的情况下，可能会发生失稳，且失稳形式区别于一般黏性地层的“鼓出型”破坏模式，破坏形式表现为隧道顶部土体涌入隧道内部。

3)根据开挖面失稳原因，提出以下已通过模型计算验证的稳定控制措施:①控制盾构开挖参数，减少开挖面扰动;②采用“多次短停”的方式进行停机检修;③增加泥浆密度和黏度，减少泥浆入渗量，以提高泥水支护压力。

文章虽然较为全面地研究了停机过程的开挖面稳定性，但是使用模型分析把问题简单化，没有充分考虑地层不均一性和地下水的情况，并针对其他地层，应有不同的变形规律，这将是后续工作的重点。

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