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盾构隧道开挖面稳定性分析

发表时间：2021/4/16 来源：《基层建设》2020年第32期作者：邓畅

[导读] 摘要：隧道开挖方法多种多样，但是目前的隧道开挖主要以盾构为主，虽然盾构施工方法对周围地层扰动最小，但是由于受到地质条件和施工工艺的影响，并非能够将完全避免对周围环境的扰动，因此经常会出现隧道开挖面稳定性被破坏，导致地面塌陷等破坏性的现象发展。

        湖南工业大学湖南省株洲市
        摘要：隧道开挖方法多种多样，但是目前的隧道开挖主要以盾构为主，虽然盾构施工方法对周围地层扰动最小，但是由于受到地质条件和施工工艺的影响，并非能够将完全避免对周围环境的扰动，因此经常会出现隧道开挖面稳定性被破坏，导致地面塌陷等破坏性的现象发展。因此分析盾构隧道开挖面稳定性具有一定的现实意义。
        关键词：开挖面盾构隧道稳定性
        1盾构隧道施工工艺
        1.1盾构施工法的发展历史
        盾构隧道开挖技术作为目前应对复杂地质条件，广泛运用于隧道开挖的较为成熟的施工工艺，主要是指借助盾构机在地下进行隧道开挖，在防止开挖面稳定性的同时确保开挖作业的安全性，进而实现隧道开挖的施工方法。盾构施工法由稳定开挖面、盾构挖掘机和衬砌三个部分组成，最早源自于英国，后来随着盾构施工的广泛运用，迅速得以传播。
        1.2盾构施工原理介绍
        按照开挖面与作业室之间隔墙的构造，可以将盾构机分为全开敞式、半开敞式和密封式三种。全开敞式主要适用于开挖面稳定性较好的围岩，半开敞式主要特点在于隔墙中可以设置排出口，而密封式盾构机则需要通过传感器掌握掘削情况，主要有泥水式盾构机和土压式盾构机。盾构施工过程主要分为以下步骤：一是在隧道开挖点建立供盾构安装的竖井或基坑；二是固定后的盾构机沿着涉及抽象，向另一端的设计孔洞进行推进；三是在地层中开挖时，盾构机会受到来自地层的阻力，需要借助盾构千斤顶将地层阻力由隧道衬砌结构船只竖井或季肯的后靠壁上；四是当盾构掘进达到预定设计孔洞时，进入竖井或基坑，完成挖掘。
        2盾构隧道开挖面稳定性影响因素
        盾构施工干扰因素较多，根据工程地质条件以及相关规范，我们主要上覆土层厚度、水位、地面荷载等方面分析盾构隧道开挖面稳定性的影响因素。
        2.1渗流效应影响因素
        在盾构机开挖过程中，会随着越来越复杂的土体层，减缓掘进速度，且随着地层中地下水含量的便会，使得隧道开挖会受到诸多因素的影响。渗流作用下施加的极限支护压力的大小对于隧道开挖面稳定性分营销不可忽视，尤其是隧道开挖面的孔隙水压力，需要利用数值软件进行渗透数据分析，然后根据地质实测数据，将各种渗透系数华建伟各向同性渗透系统。如果渗透时间相同，开挖面中心点位移的形态和趋势接温和，那么说明渗透系数对于隧道开挖面的稳定性影响存在两个方面：一是渗透系统对开挖面稳定性的影响因素被土层厚度、水位等其他影响的综合作用所掩盖，未能真实反映出渗流效应对开挖面的不稳定性影响因素被掩盖；二是盾构开挖时，运用渗透数据的基础时间不足，导致渗流效应对于盾构隧开挖面的影响因素还未及时反映。如果能够排除这两个方面的因素，那么就可以说明渗透系统在变化区间内，对盾构隧道开面的稳定性没有实质性的影响。
        2.2地表荷载影响因素
        在盾构开挖面稳定性影响因素中，隧道上覆土层超载对于开挖面的稳定性影响较为严重，因为隧道岩土体自身稳定性较差，加之盾构隧道开挖后收敛变形较大，容易使掌子面的稳定性遭到破坏。地表荷载主要是指地表大面积应力堆载、动荷载和静荷载。根据相关研究表明，地表荷载的位置差异，会对盾构隧道开挖面的稳定性产生不同的影响效果，其中影响最大的位置基本集中在开挖面的6×10m范围。同时，地表荷载对地表沉降有着直接的影响，随着地表荷载的逐渐增大，加载范围内地表沉降变化较为明显，但是当地表荷载达到一定的临界值之后，地表沉降受到地表荷载的影响会逐渐弱化。因此在盾构隧道开挖施工时，通过加大开挖面支护力，关注开挖面前方的荷载情况保障开挖面的稳定性。
        2.3有效粘聚力影响因素
        有效粘聚力是指在有效应力的情况下，总抗剪强度减去摩擦强度的值，或指破坏面没有任何正应力作用下的抗剪强度。隧道开挖面稳定性影响因素中的有效粘聚力主要是指覆土层土体有效粘聚力和开挖层土地有效粘聚力。

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覆土层土体有效粘聚力方面，随着覆土层逐渐增加，覆土层中的土体塑性区宽度会逐渐减少，根据楔形体理论进行反推，在相同支护力的作用下，抗剪强度低的土层会让开挖面其那方土体先行屈服，而当覆土层土体值很高，支护压力为零时，上覆土层依靠自身较高的抗剪强度则不会发生屈服，因此可以在盾构隧道开挖过程中通过增强覆土层土体的抗剪强度确保施工的安全性。而开挖层土体有效粘聚力则是通过增强开挖层值，提高开挖层的土体抗剪强度，增强土体的自稳能力，确保能够借助较小的支护应力实现最大程度的保障隧道开挖面的稳定性。
        3盾构隧道开挖面稳定性优化方案
        盾构隧道开挖面稳定性的影响因素众多，要想从风险因素出发，通过优化方式，实现盾构隧道开挖面的稳定性，就需要从以下几个方面着手。
        3.1数值模拟的软件集成
        随着盾构隧道开挖技术的不断成熟，被应用的也越来越广泛，但是渗流效应一直是影响盾构隧道开挖面稳定性的重要不利因素。因此在传统经验无法较好完成开挖面稳定性评估的背景下，可以通过数值模拟软件，对盾构隧道开挖面稳定性方面进行有效的评估。一方面，需要构建完善的评估系统，通过建立专门分析盾构隧道开挖面稳定性的系统，保障工程技术人员能够方便快捷的通过软件对隧道施工开挖面的稳定性进行数值模拟，然后为开挖面极限支护压力的施加提供数据参考。另一方面，需要建立完善的系统功能，为了保障数据的真实可靠以及方面快捷，需要在系统中构建完善的功能模型，如边界条件的生成功能，能够针对盾构法对隧道开挖面的稳定性分析构建特定的便捷条件。
        3.2灰关联分敏感性分析
        影响盾构隧道开挖面稳定性的众多因素由于量级不同，无法进行直观分析，需要借助灰关联分析对影响开挖面稳定新的影响因素的敏感性进行分析，然后按照敏感性大小，对盾构隧道开挖面稳定性的所有影响因素进行排序，然后根据敏感性的大小对其进行加固处理。同时，根据敏感性大小，提前设防，加以防范和控制，确保盾构施工的安全。一方面，要确定影响因子矩阵和参考矩阵，即将盾构隧道开挖面的影响因子矩阵确定出来，然后通过累加或累减对原始数据进行层次变化。另一方面，灰生成，即通过运算将原始数据进行变化，生成新数据，在研究盾构开挖面稳定性时由于影响因素不同，需要区别使用灰生成方法，确保转化后的数据能够满足分析的需要。
        3.3强度折减安全系数法
        盾构隧道开挖工程巨大，地质复杂，影响因素较多，如果仅依靠数值分析方法虽然能够计算出塑性区、围岩内部应力等数据，但是却无法将损伤破裂过程进行直观呈现。因此可以借助强度折减安全系数法，通过对岩土体强度参数的这件是岩土体处于极限状态，显示潜在的破坏面，得到盾构隧道开挖的安全系数。首先，需要选取盾构隧道几何的原始参考数据，确保数据的准确性，保障结果的可靠性；其次，选取合适的本构模型及屈服准则，即针对影响因素的不同，有针对性的进行本构模型和屈服准则的选择使用；最后选取土体失稳判定标准，因为它关系着临界折减系数值的确定。
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        作者简介：邓畅（2000-07-14），男，汉族，学历：大学本科，研究方向：土木工程地下