■彭小庆

（山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），太原 030032）

盾构隧道施工过程中，当开挖面遇到特殊岩土时，容易出现失稳现象，研究影响隧道开挖面失稳的因素对于工程建设具有重要的意义。 现阶段，已有学者在隧道开挖失稳方面进行了不少研究，如李奥等[1]、李凤涛等[2]以某黏土层隧道施工为例，采用数值分析及离心试验的方法对隧道失稳形态进行分析， 将数值模拟与离心机试验结果进行对比，验证了该方法的合理性和适用性。 乔金丽等[3]、傅鹤林等[4]重点研究了渗流作用下的隧道开挖面稳定性，推导得到了深流作用下盾构隧道开挖面极限支护压力计算公式。 唐涛等[5]、加武荣等[6]以某地铁线路类矩形盾构试验段工程为研究对象，采用理论分析和数值模拟的手段，对类矩形盾构隧道的开挖施工问题进行了详细研究。 唐振等[7]、龚文等[8]以某运营隧道为研究对象，对盾构隧道的横向变形进行了较为系统的研究，研究结果可为处理隧道横向变形提供建议。 本文以某盾构隧道施工为研究对象，采用数值模拟的方法，讨论开挖面水平位移随支护应力比的变化规律，并以隧道开挖面主动失稳破坏为分析对象，重点探析了隧道埋深、土体粘聚力及内摩擦角对开挖面位移及极限支护力影响规律，以期为同类隧道建设工程的设计及施工提供参考。

1 工程背景

以某全长1.6 km 的城市盾构隧道工程为例，该隧道围岩以砂粉土为主，整体结构较为松散，围岩稳定性较差。 隧道埋深16.1～22.3 m，直径8.0 m，衬砌厚度30 cm； 拟采用数值模拟的方法探究隧道开挖面主动失稳破坏因素。

2 数值建模

采用大型有限元软件ABAQUS 软件建立隧道数值模型如图1 所示。 根据实际隧道的大小及开挖影响范围等情况，建立长50 m、宽20 m、高40 m 的模型，除模型上边界外，其他边界均进行位移和边界约束。衬砌长度15 m，厚度30 cm。隧道均采用摩尔库伦本构模型， 围岩与衬砌分别建立实体单元、结构单元，图中模型网格分别为35268 个，衬砌采用shell 单元，地层模型为C3D8 单元。 为着重研究隧道支护力不当造成的支护面破坏规律，故不考虑盾尾间隙及注浆层的作用及其对隧道开挖面的影响。 表1 为土体的物理力学参数。

表1 土体计算参数

图1 隧道计算模型

3 数值结果分析

3.1 不同λ 时的开挖面主动失稳分析

作用于开挖面的支护力是呈梯形分布的，因此初始支护力等同于静止的水压力和土压力之和，开挖面初始位移可视为0。 为了考虑最不利因素的影响，在计算极限支护力过程中，以隧道中轴线位置处的支护力为分析对象，并定义支护应力比λ：

式中：σ0表示盾构隧道轴线位置处的静止水压力与土压力之和。

当考虑地下水的作用时，σ0可以表示为：

式中：γ 表示土层加权容重；K0表示土层加权静止土压力系数；hw表示水头高度；η 表示水压力折减系数，该值与土体渗透系数有关。

图2 为λ 分别等于0.7、0.5、0.3 以及0.1 时的开挖面水平位移云图。

图2 不同λ 时开挖面主动失稳过程中位移云图

由图2 可知，随着开挖面支护应力的减小，开挖面向隧道内部方向位移，当支护应力减小至一定值时，开挖面前方的土体发生塑性变形。 随着支护应力减小，隧道开挖面位移迅速增大，由“半圆形”大应变区发展为“烟囱形”破坏区，此外，开挖面的最大水平位移值位于隧道开挖面中心位置。

图3 为隧道在主动失稳状态时开挖面水平位移随支护应力比变化曲线。 由图3 可知，当支护应力比＞0.3 时，开挖面位移增长较为缓慢，当支护应力比处于0.25～0.3 时，水平位移增速逐渐加快。 当支护应力比＜0.25 时，开挖面水平位移则呈现出迅速增大变化，即此时开挖面已处于主动失稳破坏状态。

图3 开挖面水平位移随支护应力比变化曲线

3.2 隧道开挖面稳定性影响因素分析

影响隧道开挖面位移及支护力的因素有很多，本节主要以隧道埋深、土体内摩擦角以及粘聚力为对象进行分析。

3.2.1 隧道埋深

图4 为取隧道上覆土层厚度C 与隧道直径D的比值为变量条件下不同隧道埋深时开挖面水平位移随λ 变化规律。

图4 不同隧道埋深时开挖面水平位移随λ 变化曲线

由图4 可知，隧道埋深变化时，曲线变形规律均相同。 且随着隧道埋深的增加，发生主动破坏时的开挖面水平位移越大， 对应的临界支护应力比越小。

图5 为开挖面主动极限支护力随隧道埋深比变化曲线，以粘聚力5 kPa，内摩擦角30°进行分析。由图5 可知，当隧道埋深在2D 内时，随隧道埋深增大，开挖面主动极限支护力逐渐增大，而当隧道埋深继续增大时，隧道开挖面主动极限支护力基本不再增大且呈趋于定值的趋势，这与“土拱”效应有关。

图5 开挖面主动极限支护力随隧道埋深比变化曲线

3.2.2 土体内摩擦角

图6 为取土体内摩擦角为变量条件下不同土体内摩擦角时开挖面水平位移随λ 变化规律。

图6 不同内摩擦角时开挖面水平位移随λ 变化曲线

由图6 可知，土体内摩擦角变化时，曲线变形规律相差较大。 随着土体内摩擦角的减小，同支护应力状态下的隧道开挖面水平位移越大，即土体内摩擦角越小，隧道开挖面越早进入极限平衡状态。

图7 为开挖面主动极限支护力随土体内摩擦角变化曲线，可以看出，随着土体的内摩擦角的增大， 开挖面主动极限支护力呈逐渐减小趋势，其中当土体内摩擦角≥40°时，对应隧道开挖面主动极限支护应力比接近0，即土体强度较高时，即使在开挖面不施加支护力，隧道开挖面也能保持稳定。

图7 开挖面主动极限支护力随土体内摩擦角变化曲线

3.2.3 土体粘聚力

以土体粘聚力为变量，分析不同土体粘聚力时开挖面水平位移随λ 变化规律，如图8 所示。

图8 不同粘聚力时开挖面水平位移随λ 变化曲线

由图8 可知，当支护应力＞0.5 时，各曲线基本重合，即此时土体粘聚力的变化对隧道开挖面水平位移基本无影响。 当支护应力比＜0.5 时，随着土体内摩擦角的减小，开挖面失稳破坏时产生的水平位移越小，即土体粘聚力越小，隧道开挖面越早进入极限平衡状态。

图9 为开挖面主动极限支护力随土体粘聚力变化曲线。 由图可知，开挖面主动极限支护力随土体内摩擦角的增大而减小。 对比图7 和图9 可知，土体内摩擦角比土体粘聚力对隧道开挖面主动极限支护应力影响更大。

图9 开挖面主动极限支护力随土体粘聚力变化曲线

4 结论

以某盾构隧道施工为例， 采用数值模拟的方法，讨论了开挖面水平位移随支护应力比的变化规律，并以隧道开挖面主动失稳破坏为对象，重点分析了隧道埋深、土体粘聚力及内摩擦角对开挖面位移及极限支护应力的影响，得到以下结论：（1）随着支护应力减小，隧道开挖面位移迅速增大，由“半圆形”大应变区发展为“烟囱形”破坏区；当支护应力比＞0.3 时，开挖面位移增长较为缓慢，当支护应力比处于0.25～0.3 时，随着支护应力比的减小，隧道开挖面土体由弹性变形过渡到塑性变形，直至发生主动失稳破坏。 （2）随着隧道埋深的增加，发生主动破坏时的开挖面水平位移越大，对应的临界支护应力比越小；当隧道埋深在2D 内时，主动极限支护力随隧道埋深增大而增大； 当隧道埋深继续增大时，隧道开挖面主动极限支护力基本不再增大且呈趋于定值的趋势，这与“土拱”效应有关。 （3）土体内摩擦角和粘聚力越小，隧道开挖面越早进入极限平衡状态；开挖面主动极限支护力随土体内摩擦角和粘聚力的增大而减小，土体内摩擦角比土体粘聚力对隧道开挖面主动极限支护应力影响更大；且当土体强度较高时，即使在开挖面不施加支护力，隧道开挖面也能保持稳定。