随着城市轨道交通建设的高速发展，出现了大量利用土压平衡盾构施工的隧道工程。土压平衡盾构依靠盾构刀盘和土舱内切削搅拌后的土体维持开挖面的稳定，支护压力的合理选择对于控制盾构掘进对周边环境的影响意义重大。国内外学者采用理论分析、模型试验、数值模拟等手段对盾构开挖面稳定特性进行研究。Anagnostou等首先采用楔型体理论对泥水盾构和土压盾构的开挖面稳定特性进行分析，后续对于盾构开挖面稳定性的理论研究多基于此。关于盾构开挖面稳定特性的模型试验多采用离心机试验或小尺寸模型试验。随着计算机技术的发展，越来越多的学者开始利用数值模拟的方法对盾构开挖面稳定特性进行研究。黄正荣等采用数值模拟的方法分析了不同土层条件、不同支护压力作用下盾构开挖面的变形和破坏情况。盾构掘进过程中开挖面土体存在超孔隙水压力，且超孔隙水压力对开挖面稳定存在较大影响。本文在前人研究的基础上，利用考虑流固耦合的数值分析方法，对盾构开挖面欠支护和超支护两种模式进行计算，研究超孔隙水压力的存在对于盾构开挖面稳定特性的影响。
1 土压平衡盾构开挖面水土应力状态
土压平衡盾构掘进过程中，在刀盘切削挤压作用下开挖面水土应力状态非常复杂。为了研究开挖面水土应力状态，在盾构掘进断面上埋设水土压力计监测盾构掘进过程中开挖面水土压力的变化情况，监测结果如图1所示。由图可见，盾构前方土体在盾构掘进过程中有超孔隙水压力产生，盾构向前掘进施工时，超孔隙水压力上升，管片拼装阶段盾构停推，孔隙水压力下降；距离盾构刀盘越近，超孔隙水压力越大，土压力增量亦存在相似的发展规律；盾构开挖面上超孔隙水压力和土压力增量沿深度基本保持不变。
（ａ）测点布置（m）
（ｂ）超孔隙水压力
（ｃ）土压力增量
图1 开挖面水土压力发展情况
2 考虑流固耦合的数值模型
为了研究超孔隙水压力影响下盾构开挖面稳定特性，建立考虑流固耦合的盾构掘进数值模型，如图2所示。模型长200m，深60m，盾构直径为14.27m，上覆土厚度取20m。模型侧面边界约束水平向位移，底部约束竖向位移。土体非线性本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，选择该模型模拟土体特性主要考虑以下三方面原因：①模型比较简单，参数较少；②计算参数与土体物理特性相关；③工程中应用广泛。土体考虑为黏性饱和土，取：干重度1.3MN／m3，弹性模量10MPa，泊松比0.35，黏聚力10KPa，有效内摩擦角25°，渗透系数10－6m/s，孔隙比1.0，地下水位位于地表。
图2 数值模型
根据原位监测数据，盾构开挖面上超孔隙水压力和有效应力增量与深度无关，因此数值模拟计算中作用于开挖面的支护压力形式为
式中：ｚ为土体埋深；p0（ｚ）为埋深ｚ处的静止土压力；K0为单位埋深的静止侧向土压力；Δp为设定的支护压力与静止侧向土压力的差，当Δp＜0时，支护压力偏小，当Δp＞0时，支护压力偏大。由于考虑了孔隙水渗流情况，模型可以模拟盾构掘进过程支护压力增量Δp随盾构刀盘靠近而逐渐增大的过程。盾构单环推进时间设置为1h，管片拼装时间设置为1h。在Δp增大至指定值后，维持Δp值不变进行固结计算，以模拟管片拼装过程。
3 计算结果
图3所示为计算得到的欠支护状态下支护压力增量Δp与开挖面水平位移ｕ的关系曲线。由图可见，欠支护情况下极限开挖面支护压力增量为－180 KPa。图4所示阴影部分为失稳状态开挖面土体塑性区分布范围。可见，当开挖面失稳时开挖面前方大范围土体产生松动破坏，并延伸至地表。
图3 欠支护状态下的Δp－ｕ关系曲线
图4 欠支护极限状态土体塑性区（Δp＝－200KPa）
图5所示为计算得到的超支护状态下支护压力增量Δp与开挖面水平位移ｕ的关系曲线。可见，曲线较为平缓，没有明显的拐点。其斜率曲线第一个拐点为极限荷载，则极限荷载确定为100KPa。图6所示阴影区域为失稳状态开挖面土体塑性区分布范围。可见，该塑性区与欠支护状态塑性区分布完全不同，受盾构挤压作用，开挖面前方土体塑性区由盾构顶部呈一定角度向前发展至地表，开挖面后方盾构上方土体塑性区由盾构顶部呈一定角度向后发展至地表。
图5 超支护状态下的Δp－ｕ关系曲线
图6 超支护状态极限状态土体塑性区（Δp＝120KPa）
4 参数的影响
土体渗透系数不同，超孔隙水压力的消散速度亦不相同，因此土体渗透系数可能对开挖面稳定存在一定影响。考虑土体渗透系数K＝10－4，10－5，10－6，10－7m/s进行计算，得到欠支护和超支护状态下支护压力增量Δp和开挖面土体水平位移ｕ关系曲线如图7所示。
（ａ）欠支护状态
（ｂ）超支护状态
图7 不同渗透系数时的Δp－ｕ关系曲线
由图可见，土体渗透系数越大，相同支护压力增量情况下开挖面水平位移越大，曲线拐点对应的极限支护压力增量越小；K＜1μm/s时，Δp和ｕ的关系曲线受土体渗透系数影响较小。因此，土体渗透系数越大，保持开挖面稳定越困难，需要更加精确地设定开挖面支护压力。
图8所示为欠支护状态下开挖面前方地表竖向位移ｗ随时间的发展情况。可见，当Δp＝－80KPa时，地表沉降随着时间的增长逐渐发展并趋于稳定；当Δp＝－100KPa时，停推前期沉降随时间的增长逐渐发展，当停推时间达到7h时，地表沉降发展速度突然增大，意味着开挖面发生失稳。因此，当开挖面处于欠支护状态，支护压力较小时，长时间停推可能导致原本稳定的开挖面发生失稳。
图9所示为超支护状态下开挖面前方地表竖向位移ｗ随时间的发展情况。可见，当Δp＝120KPa时，盾构上方地表呈下沉状态，开挖面前方地表呈隆起状态；随着停推时间的增长，盾构上方地表沉降缓慢发展并趋于稳定，盾构前方地表先下沉后上抬并趋于稳定。因此，当开挖面处于超支护状态时，盾构长时间停推对开挖面稳定性影响较小。
图8 欠支护状态地表竖向位移随时间的发展
图9 超支护状态地表竖向位移随时间的发展
5 结论
本文利用原位监测探索了土压平衡盾构开挖面水土压力分布情况，并利用考虑流固耦合的数值分析方法对盾构开挖面稳定特性进行研究，得到：
（1）土压平衡盾构掘进过程中，开挖面上会产生可观的超孔隙水压力和土压力增量，且超孔隙水压力和土压力增量沿深度基本保持不变。
（2）盾构开挖面处于欠支护状态和超支护状态时，开挖面前方土体塑性区的发展和分布完全不同。
（3）受盾构开挖面超孔隙水压力的影响，土体渗透系数越大，开挖面稳定越难以维持。当盾构处于欠支护状态时，盾构长时间停推可能导致开挖面失稳。
转自《上海交通大学学报》