考慮滲流條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)離心試驗(yàn)研究

陳仁朋 ，尹鑫晟 ，湯旅軍，陳云敏

(1. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058； 2. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所，浙江 杭州 310058；3. 浙江省電力設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310012)

1 引 言

為了解決城市日益繁重的交通壓力，越來(lái)越多的城市開(kāi)始興建地鐵隧道。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)土艙壓力維持開(kāi)挖面穩(wěn)定，是城市地鐵隧道建設(shè)的常用機(jī)型。當(dāng)土壓平衡盾構(gòu)穿越高水位地層（如穿越江河）時(shí)，地下水與土艙之間的高水壓差會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的滲透力，并作用于開(kāi)挖面上。過(guò)大的滲透力會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖面失穩(wěn)，特別是在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)拼裝管片時(shí)。在城市地區(qū)發(fā)生開(kāi)挖面失穩(wěn)事故，會(huì)引起嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡，因此研究滲流條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)問(wèn)題具有重要的意義。

到目前為止，許多研究者通過(guò)不同研究方法研究了滲流條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)問(wèn)題。在理論研究方面，Anagnostou等[1]提出了經(jīng)典的“棱柱-楔形體”極限平衡模型，用于計(jì)算穩(wěn)態(tài)滲流情況下極限有效支護(hù)力。Lee等[2]通過(guò)上限解分析，得到了的開(kāi)挖面失穩(wěn)時(shí)開(kāi)挖面前方土體為“雙圓錐形”的破壞模式，并基于這破壞模式計(jì)算穩(wěn)態(tài)滲流情況下極限有效支護(hù)力。之后，許多基于不同破壞模式假定的極限平衡模型（Lee等[3]、Perazzelli等[4]）和基于不同應(yīng)力場(chǎng)的上限解（劉維等[5]、王浩然等[6]）被提出來(lái)。在數(shù)值模擬方面，許多學(xué)者選擇有限元方法來(lái)研究滲流條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)問(wèn)題（Pellet等[7]、Str?hle等[8]、 Li 等[9]）。但是，有限元方法的精度依賴(lài)于本構(gòu)模型和土體參數(shù)的選擇，仍需要進(jìn)行模型試驗(yàn)來(lái)揭示滲流條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞的機(jī)制，只有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了滲流條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)問(wèn)題的試驗(yàn)，如 Lee等[3]在常重力下進(jìn)行了一系列關(guān)于滲流條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)問(wèn)題的小比尺模型試驗(yàn)，主要研究了不同地下水與土艙之間的水壓差對(duì)極限狀態(tài)時(shí)開(kāi)挖面有效支護(hù)壓力的影響。因?yàn)橥馏w的力學(xué)特性由土體的應(yīng)力水平?jīng)Q定，而常重力小模型試驗(yàn)的應(yīng)力水平較 小，所以試驗(yàn)得到的結(jié)果與實(shí)際情況仍然有一定差距。土工離心機(jī)能夠使小比尺模型達(dá)到實(shí)際的應(yīng)力水平（Taylor[10]），是一種研究巖土工程問(wèn)題的可靠工具。許多學(xué)者通過(guò)離心試驗(yàn)研究隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性問(wèn)題，這些試驗(yàn)的研究對(duì)象大部分為干砂地層（Chambon 等[11]、Oblozinsky 等[12]、 Thorpe[13]、Idinger等[14]）。雖然有的研究對(duì)象為飽和土地層（Mair[15]、Wong等[16]、Ng等[17]），但并沒(méi)考慮穩(wěn)態(tài)滲流的影響。考慮到滲流條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)問(wèn)題具有重要的意義，有必要進(jìn)行針對(duì)考慮滲流條件下開(kāi)挖面失穩(wěn)問(wèn)題的離心試驗(yàn)研究。

本次開(kāi)展了一系列離心模型試驗(yàn)，研究了3種不同水頭高度穩(wěn)態(tài)滲流條件下的隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)問(wèn)題，討論了開(kāi)挖面失穩(wěn)時(shí)有效支護(hù)壓力的變化情況。得到了有效支護(hù)壓力與地下水與土艙之間的水壓差的關(guān)系。

2 離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在浙江大學(xué)大型土工離心機(jī)（ZJU400）上進(jìn)行，該離心機(jī)最大容量為 400g? t，吊籃有效旋轉(zhuǎn)半徑為 4.5 m，最大離心加速度為150 g[18]。

圖1為滲流條件下隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)離心試驗(yàn)離心模型試驗(yàn)裝置的示意圖。包括剛性模型箱、模型盾構(gòu)、開(kāi)挖面伺服加載系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)、儲(chǔ)水箱，剛性模型箱內(nèi)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1.00 m×0.45 m×1.00 m。模型箱主要由4塊側(cè)板和1塊底板組成，前側(cè)板由高強(qiáng)鋁框內(nèi)鑲高強(qiáng)透明特種玻璃制成；模型盾構(gòu)主要包括盾殼、透水開(kāi)挖面板和隔板，盾殼橫截面為“D”字型，內(nèi)直徑為 100 mm。本裝置中透水開(kāi)挖面由“D”字形有孔鋁板及分別黏附在其前面的透水濾膜、黏附在其側(cè)面的泡沫條組成，隔板固定于盾殼內(nèi)部，用于控制加載桿運(yùn)動(dòng)方向。開(kāi)挖面伺服加載系統(tǒng)為位移控制式，主要包括括液壓作動(dòng)器、加載桿、差動(dòng)位移傳感器（LVDT）、控制軟件、軸力計(jì)等。水位控制系統(tǒng)是本套裝置重要組成部分，有供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)主要包括外置流量泵、離心機(jī)旋轉(zhuǎn)接頭、供水軟管、有孔鍍鋅管。排水系統(tǒng)則通過(guò)在上游設(shè)置溢流孔（在模型箱左側(cè)板上）、下游盾構(gòu)密封艙（即開(kāi)挖面板和盾構(gòu)隔板間空腔）位置外接軟管加電磁閥的方式實(shí)現(xiàn)排水。儲(chǔ)水箱主要用于存儲(chǔ)試驗(yàn)過(guò)程中排水系統(tǒng)排出的試驗(yàn)用水。

圖1 穩(wěn)態(tài)滲流下飽和砂質(zhì)粉土地層盾構(gòu)開(kāi)挖面失穩(wěn)離心試驗(yàn)示意圖(單位: mm)Fig.1 Sketch of shield excavation surface instability of centrifugal test (unit: mm)

2.2 試驗(yàn)方案

針對(duì)砂質(zhì)粉土地層本次開(kāi)展了3個(gè)不同水位高度飽和穩(wěn)態(tài)滲流開(kāi)挖面失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)。隧道模型直徑D=100 mm，隧道埋深比C/ D=1（C為隧道拱頂埋深），隧道拱頂以上遠(yuǎn)場(chǎng)水位高度Hw分別為1D、2D、3D，盾構(gòu)密封艙，即圖1中開(kāi)挖面板、隔板及盾殼形成的空腔）內(nèi)則處于無(wú)水狀態(tài)。試驗(yàn)中盾構(gòu)密封艙和遠(yuǎn)場(chǎng)平均水頭差Δh分別為1.5D、2.5D、3.5D。為了模擬直徑為5 m的隧道，試驗(yàn)過(guò)程中離心加速度保持為50 g。

試驗(yàn)中布置了測(cè)試開(kāi)挖面水平位移的 LVDT傳感器1只，測(cè)試開(kāi)挖面支護(hù)力的軸力計(jì)1只，見(jiàn)圖1。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)主要過(guò)程為：① 將模型裝置放入離心機(jī)吊籃并固定，開(kāi)始傳感器數(shù)據(jù)采集。② 打開(kāi)流量泵和電磁閥供排水，離心加速度逐漸提高到50 g并穩(wěn)定20～30 min左右，此階段通過(guò)伺服控制保證開(kāi)挖面位置不變。③ 當(dāng)開(kāi)挖面前方形成穩(wěn)態(tài)滲流時(shí)（開(kāi)挖面前方孔壓計(jì)讀數(shù)基本穩(wěn)定），逐漸后撤開(kāi)挖面。當(dāng)開(kāi)挖面水平位移S＜6 mm時(shí)，開(kāi)挖面后撤速度v=0.2 mm/min；當(dāng) 6 mm＜S＜10 mm 時(shí)，v=0.4 mm/min；當(dāng)S=10 mm時(shí)，v=0。④ 離心加速度由50 g逐漸減少至0，將模型裝置吊出離心機(jī)吊籃。

2.4 面板-盾構(gòu)摩擦力標(biāo)定

為防止穩(wěn)態(tài)滲流下開(kāi)挖面前方土體細(xì)顆粒在滲透力帶動(dòng)下經(jīng)透水鋁制面板與盾殼之間空隙進(jìn)入密封艙，在開(kāi)挖面板外側(cè)黏貼了 EVA泡沫條，安裝面板時(shí)使 EVA條與盾殼緊密接觸，該措施雖然這一方面能起到防止細(xì)顆粒漏入密封艙的作用，但另一方面也導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)挖面板與盾殼之間存在一定的摩擦力，影響了試驗(yàn)中支護(hù)力測(cè)試的準(zhǔn)確性。為了消除上述摩擦力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用Idinger等[14]提出的方法在50 g條件下標(biāo)定獲得了面板與盾殼的摩擦力f與開(kāi)挖面位移S關(guān)系。標(biāo)定過(guò)程中模型箱內(nèi)不填土，離心加速度保持在50 g，面板后撤速度與正式試驗(yàn)保持一致。由于面板基本低勻速運(yùn)動(dòng)且盾殼剛度較大，可以認(rèn)為此時(shí)軸力計(jì)測(cè)試獲得的軸力等于面板-盾殼摩擦力。通過(guò)標(biāo)定 試驗(yàn)可知透水面板-盾殼摩擦力平均值約為14 N。需要指出的是，本試驗(yàn)中透水面板-盾殼間摩擦力 明顯大于干砂地層離心試驗(yàn)中面板-盾殼間摩擦力（湯旅軍等[22]），其主要原因是透水面板-盾殼間接觸更為緊密。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖 2為不同水頭壓力Δh下有效支護(hù)壓力P′與位移S/D關(guān)系曲線。有效支護(hù)壓力P′的計(jì)算公式為

式中：tF為總支護(hù)壓力；Fm為通過(guò)軸力計(jì)測(cè)得的支護(hù)壓力；sF為盾殼與開(kāi)挖面板之間的摩擦力。

圖2 開(kāi)挖面有效支護(hù)力-位移關(guān)系曲線Fig.2 Relationships between effective support pressure and tunneling face displacement

圖3 開(kāi)挖面極限有效支護(hù)力-水頭差關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between limit effective support pressure and normalized hydraulic head difference

4 結(jié) 論

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