确定泥水盾构隧道开挖面支护压力的方法

摘要

本发明涉及一种确定泥水盾构隧道施工开挖面支护压力合理范围的方法，采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法；对现场隧道施工土体取样并进行性能测试，依据试验数据和隧道具体实际情况，建立与符合现场施工条件的泥水盾构隧道施工开挖面分析模型并进行计算，通过确定隧道施工段开挖地层侧向土压力、开挖面中心平衡压力和开挖面前方土体主应力，并结合土体摩尔-库伦破坏准则判别开挖面前方的土体单元的破坏情况，最终确定泥水盾构隧道施工开挖面支护压力的合理范围。本方法能够在隧道施工推进的同时，根据不同施工条件和状态，进行实时分析确定出开挖面支护压力的合理范围，具有适用广、可靠性高、应用方便的特点。

说明书

技术领域

本发明属盾构隧道工程施工领域，特别是一种确定泥水盾构隧道开挖面支护压力的方法，可以确定泥水盾构隧道开挖面支护压力的合理范围。

背景技术

在隧道工程中，盾构法施工由于不受季节、天气条件等外界因素的干扰影响，以及施工速度快，施工人员少，施工精度高等特点，显示了极大的优越性。特别是泥水平衡盾构施工适用于各种复杂的地质环境，在世界大中型隧道建设中，尤其在城市地下工程的隧道建设中得到了广泛的应用。

在泥水盾构施工过程中，作为地下施工将不可避免地对地层以及周边建筑物或构筑物产生影响。这种影响若过大将造成周边土体发生较大变形，甚至可能出现地层的塌陷以及周围建筑物的破坏，从而导致发生重大安全事故。近年来，在上海、广州、杭州、深圳等地的隧道施工中，由于施工条件复杂，地层坍塌事故均有发生。因此，为了减少泥水盾构施工对周围环境的影响，确保施工的安全，必须制定专项施工工艺方案，设定合理的泥水盾构施工参数，并在施工中加强对周围环境的监控。

开挖面支护压力是泥水盾构施工工艺中最重要的工艺参数，是控制泥水盾构隧道施工对周围环境影响的最主要控制目标之一。在泥水盾构隧道施工过程中，若设定的泥水支护压力过小，开挖面前方土体不被支护涌入泥水舱，引起地表沉降过大，甚至发生塌陷；而设定的泥水支护压力过大，开挖面前方土体受力较大则可能产生地表隆起，发生泥浆冒出，甚至出现土体劈裂破坏。因此，确定开挖面支护压力的合理范围是制定泥水盾构施工工艺方案，确保施工安全的关键问题。

目前工程中确定泥水盾构开挖面支护压力的方法主要是采用经验公式进行简单计算，这种方法理论基础薄弱，不可能准确地确定开挖面支护压力，也无法保证施工安全。由于影响泥水盾构开挖面支护压力的因素繁多，其中包括：隧道的埋深、土质情况、地下水位、地下构筑物的分布、泥水特性、泥水盾构的直径等等，加之不同隧道的地质条件和周围环境都不同，在建隧道施工与已建成隧道项目施工状况不会完全等同，因此，具有根据不同地质条件、周围环境和施工状况，能够准确地确定泥水盾构施工开挖面支护压力合理范围的方法是十分必要的。

发明内容

为了达到准确确定不同地质条件、周围环境和施工状况下泥水盾构隧道施工开挖面支护压力合理范围的目的，本发明提供了一种开挖面单元强度法，这是一种全面综合的方法。该方法采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法，最终通过开挖面前方土体单元强度确定出开挖面支护压力范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种确定泥水盾构隧道施工开挖面支护压力合理范围的方法，采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法；对现场隧道施工土体取样并进行性能测试，依据试验数据和隧道具体实际情况，建立与符合现场施工条件的泥水盾构隧道施工开挖面分析模型并进行计算，通过确定隧道施工段开挖地层侧向土压力、开挖面中心平衡压力和开挖面前方土体主应力，并结合土体摩尔-库伦破坏准则判别开挖面前方的土体单元的破坏情况，最终确定泥水盾构隧道施工开挖面支护压力的合理范围；本方法具体实施步骤如下：

（1）进行现场隧道施工土体性能测试试验，具体步骤如下：

1）根据现场地质情况，对各层土体选取相应的取土方案；每层土体取3-4块试块；在取土时，应避免对土体的扰动；

2）将试块放置于剪切盒中，剪切盒与试样间隙应用膨胀水泥砂浆填充；

3）施加垂直压力，进行试块土体压缩，压力按等量分成3至4级逐渐增大，直至试块土体垂直变形稳定；

4）施加剪力，进行试块土体剪切，剪力每隔1min等量加载一次并记录相应的剪切力及剪切变形量；当试块土体剪切变形急剧增加或者剪切变形达到试样尺寸的1/10时，认为土体破坏；

5）绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线，确定相应各土层土体的内摩擦角                                                以及土体的粘聚力值； 

（2）进行泥水盾构隧道施工数值模拟，采用有限元方法，其具体步骤如下：

1）根据隧道施工实际地质条件和周围环境，建立隧道施工非线性有限元模拟模型；

2）土体采用弹塑性本构关系，设置自由面、对称面和法向位移约束等边界条件；

（3）施加隧道施工段土体自重及地面超载作用力进行非线性有限元数值模拟计算，得到隧道施工初始地应力场，从而确定泥水盾构隧道施工段开挖断面地层原始侧向土压力；

（4）将泥水盾构隧道开挖断面原始地层侧向土压力设置为开挖面压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算；以开挖面中心点位移作为判定指标，判别开挖面中心是否达到力的平衡；通过进行数值试验，如果开挖面中心点位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小；开挖面中心位移绝对值最小，近似为零时，确定出开挖面中心平衡压力；

（5）保持开挖面中心平衡压力不变，以开挖面顶端和底端位移作为判定指标，判别开挖面整体是否达到力的平衡；开挖面压力沿开挖断面深度方向为梯形分布，呈现为一斜线；通过进行数值试验，调整压力斜线的斜率，如果开挖面顶端和底端位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小；开挖面顶端和底端位移绝对值最小，近似为零时，确定出开挖面平衡泥水压力；

（6）施加所确定的开挖面平衡泥水压力，得到开挖面前方土体的应力状态，确定开挖面前方土体单元主应力；

（7）结合莫尔-库仑强度理论，即土体任一平面，即破坏面上的抗剪强度是该面上法向应力的函数：

式中为土体的粘聚力，为土体的内摩擦角，其值由步骤（1）试验中测定；

在泥水盾构隧道施工过程中，通常采用控制开挖面中心点压力的方法在控制开挖面稳定，故定义压力比为：

式中为开挖面中心点泥水压力设定值；为开挖面中心点初始泥水压力值；通过调整值，改变开挖面压力并进行开挖面前方土体单元破坏情况的判断，确定开挖面支护压力的合理范围。

本发明的有益效果是，采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法，根据泥水盾构隧道施工不同地质条件、周围环境和施工状况，通过数值模拟计算，结合土体摩尔-库伦破坏准，准确地确定出泥水盾构隧道施工开挖面支护压力的合理范围。本方法摆脱了以往根据经验公式确定开挖面支护压力，而导致施工风险较大的问题；另外，本方法还能够在隧道施工推进的同时，根据不同施工条件和状态，进行实时分析确定出开挖面支护压力的合理范围，具有适用广、可靠性高、应用方便的特点。

附图说明

图1 本发明方法的操作流程图。

图2 本发明的泥水盾构隧道施工数值模拟模型图。

图3 本发明开挖面前方土体单元示意图。

图4 本发明开挖面失稳至劈裂破坏过程图。

图5本发明开挖面失稳至坍塌破坏过程图。

图6确定的泥水盾构隧道施工开挖面支护压力的范围图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:

如图1所示，一种确定泥水盾构隧道施工开挖面支护压力合理范围的方法，采用试验测试—数值模拟计算—理论判断相结合的方法。对现场隧道施工土体取样并进行性能测试，依据试验数据和隧道具体实际情况，建立与符合现场施工条件的泥水盾构隧道施工开挖面分析模型并进行计算，通过确定隧道施工段开挖地层侧向土压力、开挖面中心平衡压力和开挖面前方土体主应力，并结合土体摩尔-库伦破坏准则判别开挖面前方的土体单元的破坏情况，最终确定泥水盾构隧道施工开挖面支护压力的合理范围。

（1）进行现场隧道施工土体性能测试试验。现场取样进行土体原位直剪试验，得到土体的内摩擦角以及土体的粘聚力。具体步骤如下：

1）根据现场地质情况，对各层土体选取相应的取土方案。每层土体取3-4块试块。在取土时，应避免对土体的扰动。

2）  将试块放置于剪切盒中，剪切盒与试样间隙应用膨胀水泥砂浆填充。

3）施加垂直压力，进行试块土体压缩，压力按等量分成3至4级逐渐增大，直至试块土体垂直变形稳定。

4）施加剪力，进行试块土体剪切，剪力每隔1min等量加载一次并记录相应的剪切力及剪切变形量。当试块土体剪切变形急剧增加或者剪切变形达到试样尺寸的1/10时，认为土体破坏。

5）绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线，确定相应各土层土体的内摩擦角以及土体的粘聚力值。 

（2）泥水盾构隧道施工数值模拟方法为有限元方法，其具体步骤如下：

1)根据隧道施工实际地质条件和周围环境，建立隧道施工非线性有限元模拟模型。本例模型中隧道开挖直径为11.22m；隧道埋深为9.59m，隧道轴向（Y向）长75 m、横向（X向）宽50 m、竖向（Z向）深度为60 m。

2)土体采用弹塑性本构关系，设置自由面、对称面和法向位移约束等边界条件，如图2所示。

（3）施加隧道施工段土体自重及地面超载作用力进行非线性有限元数值模拟计算，得到隧道施工初始地应力场，从而确定泥水盾构隧道施工段开挖断面地层原始侧向土压力。

对隧道施工进行有限元模拟，根据土体非线性建立非线性有限元求解方程为

                               

其中，为整体刚度矩阵，它是单元节点位移的函数，为位移矩阵， 为土体自重，为地面超载作用力。

（4）将泥水盾构隧道开挖断面原始地层侧向土压力设置为开挖面压力，作为力边界条件施加并进行非线性有限元数值模拟计算。以开挖面中心点位移作为判定指标，判别开挖面中心是否达到力的平衡。通过进行数值试验，如果开挖面中心点位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小。开挖面中心位移绝对值最小，近似为零时，确定出开挖面中心平衡压力。

（5）保持开挖面中心平衡压力不变，以开挖面顶端和底端位移作为判定指标，判别开挖面整体是否达到力的平衡。开挖面压力沿开挖断面深度方向为梯形分布，呈现为一斜线。通过进行数值试验，调整压力斜线的斜率，如果开挖面顶端和底端位移为正，表示压力过大；反之，表示压力偏小。开挖面顶端和底端位移绝对值最小，近似为零时，确定出开挖面平衡泥水压力。

（6）施加所确定的开挖面平衡泥水压力，得到开挖面前方土体的应力状态，根据下式换算确定开挖面前方土体单元主应力。

                       

式中,,为三个主应力，，，，。其中为三个应力不变量。如图3所示。

（7）结合莫尔-库仑强度理论，即土体任一平面（破坏面）上的抗剪强度是该面上法向应力的函数：

                           

式中为土体的粘聚力，为土体的内摩擦角，其值由步骤（1）试验中测定。

当土体主应力已知，土体的莫尔圆与破坏包线相割，即

                      

土体处于破坏状态。

在泥水盾构隧道施工过程中，通常采用控制开挖面中心点压力的方法在控制开挖面稳定，故定义压力比为：

                                     

式中为开挖面中心点泥水压力设定值；为开挖面中心点初始泥水压力值。进行开挖面前方土体单元破坏情况的判断，确定开挖面支护压力的合理范围。

通过改变调整开挖面压力进行计算，将压力比由1以0.01的增量逐步增大，开挖面泥水压力也将逐步增大，相应的开挖面土体将出现变形、失稳，失稳加剧直至劈裂破坏的过程，如图4所示。在不同压力比下，确定开挖面前方土体单元主应力，结合莫尔-库仑破坏准则对开挖面前方的土体单元进行破坏判定。本实例中，当=1.00时，开挖面处于初始状态，开挖面中心点泥水压力为初始泥水压力值，如图4(a)所示；增大值，当=1.40时，开挖面前方土体单元主应力符合莫尔-库仑破坏准则，开挖面开始失稳，此时的开挖面压力即为开挖面支护压力的上限值，如图4(b)所示；继续增大值，开挖面失稳的土体单元逐渐增多，破坏逐步发展，当=2.50时的破坏发展状况如图4(c)所示；继续增大值，当=3.50时，开挖面前方土体单元出现破坏滑移面，呈现劈裂破坏，如图4(d)所示。

同理，将压力比由1逐步减小，直至相应土体发生坍塌破坏，如图5所示。通过判定可确定开挖面支护压力的下限值。本实例中，当=1.00时，开挖面处于初始状态，开挖面中心点泥水压力为初始泥水压力值，如图5(a)所示；减小值，当=0.78时，开挖面开始失稳，此时的开挖面压力即为开挖面支护压力的下限值，如图5(b)所示；继续减小值，开挖面失稳的土体单元逐渐增多，破坏逐步发展，当=0.50时的破坏发展状况如图5(c)所示；继续减小值，当=0.10时，开挖面前方土体单元出现破坏滑移面，呈现坍塌破坏，如图5(d)所示。

最终确定了泥水盾构隧道施工开挖面支护压力合理范围，如图6所示。