矩形隧道支护压力不均对地层稳定影响分析.pdf

第1 8卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月中 国 科 技 论 文C H I N AS C I E N C E P A P E RV o l.1 8N o.1 0O c t.2 0 2 3矩形隧道支护压力不均对地层稳定影响分析俞 淼1,刘 维1,杨 超2,严佳佳3(1.苏州大学轨道交通学院,江苏苏州2 1 5 0 0 0;2.北京住总集团有限责任公司,北京1 0 0 1 0 1;3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州3 1 1 1 2 2)摘 要:针对矩形隧道施工中难以保持土仓压力,以及矩形隧道掘进机配置的多刀头和双螺旋输送机或三螺旋输送机造成的压力波动会增大隧道面不稳定风险的问题,考虑掘进面未被完全支护的情况,基于筒仓-楔形体模型,通过极限平衡法对地层稳定性进行分析,并引入强度折减法,得出了稳定性安全系数计算式。对土体抗剪强度、隧道埋深和无支护区域大小等因素进行参数分析,结果表明:土体强度参数和隧道几何参数对安全系数影响较大;当未支护比率大于0.7 5、土体有效内摩擦角小于2 0 时,安全系数小于1,易发生失稳破坏。最后通过苏州某矩形隧道工程案例,讨论本文解的适用性。关键词:矩形隧道;极限平衡;强度折减;地层稳定中图分类号:T U 4 3;U 4 5 5.4 7 文献标志码:A文章编号:2 0 9 5 2 7 8 3(2 0 2 3)1 0 1 1 0 5 0 8开放科学(资源服务)标识码(O S I D):E f f e c t s o f n o n-u n i f o r ms u p p o r t p r e s s u r e o n t h e s t a b i l i t yo f b o x t u n n e lw o r k i n g f a c eY U M i a o1,L I U W e i1,Y A N GC h a o2,Y A NJ i a j i a3(1.S c h o o l o fR a i lT r a n s p o r t a t i o n,S o o c h o wU n i v e r s i t y,S u z h o u,J i a n g s u2 1 5 0 0 0,C h i n a;2.B e i j i n gU n i.-C o n s t r u c t i o nG r o u pC o.,L t d.,B e i j i n g1 0 0 1 0 1,C h i n a;3.P o w e r c h i n aH u a d o n gE n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o nL i m i t e d,H a n g z h o u3 1 1 1 2 2,C h i n a)A b s t r a c t:I nb o x t u n n e l i n g,m a i n t a i n i n gs u p p o r t p r e s s u r e i n t h ew o r k i n gc h a m b e r i s a c h a l l e n g e.M o r e o v e r,t h ep r e s s u r e f l u c t u-a t e sd u e t o t h e b o x t u n n e lm a c h i n e c o n f i g u r a t i o n sw i t hm u l t i p l e c u t t e r h e a d s a n dd o u b l e o r t r i b l e s c r e wc o n v e y o r s.A s a r e s u l t,t h ef l u c t u a t i o no f s u p p o r t p r e s s u r e e n h a n c e s t h e r i s ko f t u n n e l f a c e i n s t a b i l i t y.I n t h i sp a p e r,a t y p i c a l s i t u a t i o n t h a t t h eg r o u n dw a sn o t f u l l ys u p p o r t e da g a i n s tb yt h ep r e s s u r ea t t h e f a c ew a sc o n s i d e r e da n dt h es i l o-w e d g em o d e lw a sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h eg r o u n ds t a b i l i t y.T h e s t a b i l i t yw a s a n a l y z e d t h r o u g h l i m i t e q u i l i b r i u ma n a l y s i s a n d t h e s t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o dw a s i n t r o d u c e dt od e r i v e t h e s o l u t i o no f s a f e t y f a c t o r o f t h eg r o u n ds t a b i l i t y.T h ep a r a m e t r i c a n a l y s i sw a sp e r f o r m e d t oe x p l o r e t h e i n f l u e n c e s o ff a c t o r s s u c ha s s o i l s h e a r s t r e n g t h,c o v e r d e p t h a n du n s u p p o r t e d a r e a o n t h e g r o u n d s t a b i l i t y.T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s t a b i l i-t y i s s i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e db y t h e s o i l s h e a r s t r e n g t ha n du n s u p p o r t e da r e a.W h e nt h ep r o p o r t i o no fu n s u p p o r t e da r e a i s l a r g e rt h a n0.7 5o r t h e e f f e c t i v e i n t e r n a l f r i c t i o n a n g l e o f t h e s o i l i s l e s s t h a n 2 0,t h ew o r k i n g f a c e i s u n d e r h i g h r i s ko f c o l l a p s e r e s p e c t-i n g t h e c a l c u l a t e d s a f e t y f a c t o rw h i c h i s b e l o w1.F i n a l l y,t h e c a s e o f b o x t u n n e l i n g i nS u z h o u,C h i n a i s r e-e x a m i n e d t o d i s c u s s t h ec a p a b i l i t yo f c u r r e n t s o l u t i o n.K e y w o r d s:b o x t u n n e l;l i m i t e q u i l i b r i u m;s t r e n g t hr e d u c t i o n;f o r m a t i o ns t a b i l i t y收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 6基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 9 7 8 4 3 0)第一作者:俞淼(1 9 9 8),女,硕士研究生,主要研究方向为隧道工程通信作者:刘维,教授,主要研究方向为岩土工程、地下工程等,g g o u l m m e n g s u d a.e d u.c o m 矩形隧道具有空间利用率高、对地面交通干扰小等优势,广泛应用于地铁等城市地下空间工程建设中。城市施工多选用非开挖方式,采用矩形掘进机开挖。矩形隧道断面较大,支护压力分布不均,压力差大,易导致地层失稳。在特殊情况如开仓清障时,局部支护压力可能为零,大大增加了地层失稳的风险。针对隧道工作面稳定性问题,许多学者通过极限平衡、极限分析1-6、数值分析7-1 0、室内实验1 1-1 5等方法进行了大量的研究。极限平衡法因其概念简单、物理意义明确而被广泛使用。大多数极限平衡分析以筒仓-楔形体模型为基础,是利用受力平衡建立的分析方法。H o r n1 6最早基于J a n s e e n1 7的筒仓理论提出了楔形体计算模型的概念,该模型在后续的研究中被不断改进。上覆土是筒仓-楔形体模型的重要研究部分,J a n c s e c z等1 8在此基础上考虑了上覆土的土拱效应。V u等1 9采用筒仓-楔形体模型研究了覆盖土对被动和主动面破坏的影响,并确定了盾构隧道的临界覆盖深度。C h e n等2 0建立了多拱的概念,确定了拱区的上端承载拱、中间摩擦和稳定区,并据此提出了三维多拱模型。另外,A n a g n o s t o u等2 1-2 2用理论模型研究了泥水式和土压平衡式盾构机开挖面稳定问题,考虑了泥水注入开挖面、地下水渗流力的影响。B r o e r e2 3将计算模型应用于不均匀的分层土条件中,并得出了土压和泥水平衡盾构施工的极限支护压力。魏纲等2 4-2 5进一步将模型修正中 国 科 技 论 文第1 8卷 为梯形楔形体,优化了极限支护力计算结果。雷明锋等2 6研究了迎坡条件下盾构隧道开挖面稳定性,完成了极限支护力计算与分析。许有俊等2 7将梯形楔形体模型应用到矩形顶管中,研究了砂砾石地层中矩形顶管开挖面稳定性。程诚等2 8将破坏区滑动块假设为弧形楔形体,得到了干砂条件下开挖面主动极限支护力。Z h a n g等2 9基于水平条分法3 0与强度折减法,分析了不同参数下隧道掌子面在极限平衡状态下的临界破坏模式,并计算得到了安全系数。现有理论主要针对均匀支护力的情况,对于局部支护研究较少,而实际工程中例如开仓清障,会出现局部无支护的情况。本文对矩形隧道掌子面稳定性展开研究,基于筒仓-楔形体模型,针对掌子面支护压力分布不均匀即局部支护特点,掌子面中部无支护条件的土体失稳风险较大,以此为研究对象,将强度折减概念引入极限平衡分析,采用水平条分法进行受力分析,通过对推导出的微分方程求解得到稳定性安全系数,并进行参数分析,研究各因素对稳定性的影响,最后将该理论方法应用到实际工程中进行工程验证,对该模型可靠性进行分析。1 矩形隧道压力分布特征矩形隧道在地层中掘进,其模型如图1(a)所示。矩形隧道工作面高度为D,宽度为L,埋深为C,地面上的超载表示为s,考虑到实际清障时会禁止工作面上方道路交通,因此假设s=0。矩形隧道断面较大,掘进机采用多刀盘,开口率较大,土仓压力易波动、分布不均。基于刀盘、螺旋出土器等设备特点,切削的土体从底部出土器排出。图1 矩形掘进机土仓压力分布特征F i g.1 C h a r a c t e r i s t i c so f p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n i ns o i l b i no f r e c t a n g u l a r r o a d h e a d e r 土仓压力分布规律如图1(b)所示,随着双螺旋出土器出土口附近区域土体被排出,假设土仓内土体经过改良具有较好的流动性,上部及周围土体随之坍落,因此中部区域受到较大影响,而两边部分受到的影响要小得多,残余土作为工作面的支撑,压力稳定为s1;中部区域气压较低且不稳定,形成了压力波动区,并且压力s20.7 5、土体内摩擦角2 0 时,安全系数fs 1,风险较大,应引起注意。3)将本文方法应用于实际工程,计算具体工程开仓情况下工作面稳定性安全系数,计算结果与实际工程情况吻合度较好,验证了模型可靠性。(由于印刷关系,查阅本文电子版请登录:h t t p:w w w.p a p e r.e d u.c n/j o u r n a l/z g k j l w.s h t m l)参考文献(R e f e r e n c e s)1 D A V I SEH,G U N NMJ,MA I RRJ,e t a l.T h es t a-b i l i t yo fs h a l l o wt u n n e l sa n du n d e r g r o u n do p e n i n g si nc o h e s i v em a t e r i a lJ.G o t e c h n i q u e,1 9 8 0,3 0(4):3 9 7-4 1 6.2 L E C AE,D O RM I E U XL.U p p e ra n d l o w e rb o u n ds o-l u t i o n s f o r t h e f a c es t a b i l i t yo fs h a l l o wc i r c u l a r t u n n e l si n f r i c t i o n a lm a t e r i a lJ.G o t e c h n i q u e,1 9 9 0,4 0(4):5 8 1-6 0 6.3 MO L L O NG,D I A SD,S O U B R AAH.R o t a t i o n a l f a i l-u r em e c h a n i s m s f o r t h e f a c e s t a b i l i t ya n a l y s i so f t u n n e l sd r i v e nb y ap r e s s u r i z e d s h i e l dJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lf o rN u m e r i c a la n dA n a l y t i c a lM e t h o d si nG e o m e c h a n-i c s,2 0 1 1,3 5(1 2):1 3 6 3-1 3 8 8.4 P A NQJ,D I A SD.U p p e r-b o u n da n a l y s i so nt h e f a c es t a b i l i t yo fan o n-c i r c u l a rt u n n e lJ.T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,2 0 1 7,6 2:9 6-1 0 2.5 L I U W,S H IPX,C H E NLJ,e t a l.A n a l y t i c a l a n a l y-s i so fw o r k i n g f a c e p a s s i v e s t a b i l i t yd u r i n g s h i e l d t u n n e-l i n g i n f r i c t i o n a l s o i l sJ.A c t aG e o t e c h n i c a,2 0 2 0,1 5(3):7 8 1-7 9 4.6 L I U W,WUB,S H IPX,e t a l.U p p e r b o u n da n a l y s i so fw o r k i n gf a c ep a s s i v ef a i l u r e i nl a r g e-d i a m e t e rs h i e l dt u n n e l i n gb a s e do nac o m p o s i t em e c h a n i s mJ.C o m-p u t e r s a n dG e o t e c h n i c s,2 0 2 1,1 3 8:1 0 4 3 6 2.7 高健,张义同,乔金丽.渗透力对隧道开挖面稳定性影响分析J.岩土工程学报,2 0 0 9,3 1(1 0):1 5 4 7-1 5 5 3.G A OJ,Z HA N GYT,Q I A OJL.A n a l y s i so f i n f l u-e n c eo fs e e p a g ef o r c eo ns t a b i l i t yo ft u n n e le x c a v a t i o nf a c eJ.C h i n e s eJ o u r n a l o fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g,2 0 0 9,3 1(1 0):1 5 4 7-1 5 5 3.(i nC h i n e s e)8 吕玺琳,李冯缔,黄茂松,等.三维盾构隧道开挖面极限支护压力数值及理论解J.同济大学学报(自然科学版),2 0 1 2,4 0(1 0):1 4 6 9-1 4 7 3.L XL,L IFD,HU A N G MS,e t a l.T h r e e-d i m e n-s i o n a l n u m e r i c a l a n d a n a l y t i c a l s o l u t i o n s o f l i m i t s u p p o r tp r e s s u r e a t s h i e l d t u n n e l f a c eJ.J o u r n a l o fT o n g j iU-n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 1 2,4 0(1 0):1 4 6 9-1 4 7 3.(i nC h i n e s e)9 陈仁朋,齐立志,汤旅军,等.砂土地层盾构隧道开挖面被动破坏极限支护力研究J.岩石力学与工程学报,2 0 1 3,3 2(S 1):2 8 7 7-2 8 8 2.C H E NRP,Q ILZ,T A N GLJ,e t a l.S t u d yo f l i m i ts u p p o r t i n g f o r c eo fe x c a v a t i o nf a c esp a s s i v ef a i l u r eo fs h i e l dt u n n e l si ns a n ds t r a t aJ.C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g,2 0 1 3,3 2(S 1):2 8 7 7-2 8 8 2.(i nC h i n e s e)1 0P E R A Z Z E L L IP,L E O N E T,A N A G N O S T O U G.T u n n e l f a c e s t a b i l i t yu n d e r s e e p a g e f l o wc o n d i t i o n sJ.T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,2 0 1 4,4 3:4 5 9-4 6 9.1 1C HAM B O NP,C O R T JF.S h a l l o wt u n n e l s i nc o h e-s i o n l e s ss o i l:s t a b i l i t yo ft u n n e lf a c eJ.J o u r n a lo fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g,1 9 9 4,1 2 0(7):1 1 4 8-1 1 6 5.1 2陈仁朋,李君,陈云敏,等.干砂盾构开挖面稳定性模型试 验 研 究 J.岩 土 工 程 学 报,2 0 1 1,3 3(1):1111中 国 科 技 论 文第1 8卷 1 1 7-1 2 2.C H E NRP,L I J,C H E NYM,e t a l.L a r g e-s c a l e t e s t so n f a c e s t a b i l i t yo f s h i e l dt u n n e l l i n g i nd r yc o h e s i o n l e s ss o i lJ.C h i n e s eJ o u r n a lo fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g,2 0 1 1,3 3(1):1 1 7-1 2 2.(i nC h i n e s e)1 3C H E NRP,L IJ,K O N GLG,e ta l.E x p e r i m e n t a ls t u d yo nf a c ei n s t a b i l i t yo fs h i e l dt u n n e l i ns a n dJ.T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,2 0 1 3,3 3:1 2-2 1.1 4N GCW W,WO N GKS.I n v e s t i g a t i o no f p a s s i v e f a i l-u r ea n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m sd u et ot u n n e l l i n gi nc l a yJ.C a n a d i a nG e o t e c h n i c a l J o u r n a l,2 0 1 3,5 0(4):3 5 9-3 7 2.1 5L I U W,Z HA OY,S H I PX,e t a l.F a c e s t a b i l i t y a n a l-y s i so fs h i e l d-d r i v e nt u n n e l ss h a l l o w l yb u r i e di nd r ys a n d u s i n g 1-gl a r g e-s c a l e m o d e lt e s t sJ.A c t aG e o t e c h n i c a,2 0 1 8,1 3(3):6 9 3-7 0 5.1 6HO R N N.H o r i z o n t a le a r t hp r e s s u r eo nt h ev e r t i c a ls u r f a c e so f t h e t u n n e l t u b e sC N a t i o n a lC o n f e r e n c eo ft h e H u n g a r i a nC i v i lE n g i n e e r i n gI n d u s t r y.S.l.:s.n.,1 9 6 1:7-1 6.1 7J A N S S E NHA.V e r s u c h e f i b e rg e t r e i d e d r u c ki ns i l o z-e l l e nJ.Z e i t s c h r i f t d e sV e r e i n sD e u t s c h e r I n g e n i e u r e,1 8 9 5,3 9(3 5):1 0 4 5-1 0 4 9.1 8J A N C S E C ZS,S T E I N E R W.F a c es u p p o r t f o ra l a r g eM i x-S h i e l di nh e t e r o g e n e o u sg r o u n dc o n d i t i o n sM.B o s t o n:S p r i n g e r,1 9 9 4:5 3 1-5 5 0.1 9V U MN,B R O E R EW,B O S C HJ.T h e i m p a c t o f s h a l-l o wc o v e r o ns t a b i l i t yw h e n t u n n e l l i n g i ns o f t s o i l sJ.T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,2 0 1 5,5 0:5 0 7-5 1 5.2 0C H E NRP,L I NXT,WUHN.A na n a l y t i c a lm o d e lt op r e d i c tt h el i m i ts u p p o r tp r e s s u r eo nad e e ps h i e l dt u n n e l f a c eJ.C o m p u t e r sa n d G e o t e c h n i c s,2 0 1 9,1 1 5:1 0 3 1 7 4.2 1A N A G N O S T O UG,K O V R IK.T h e f a c e s t a b i l i t yo fs l u r r y-s h i e l d-d r i v e n t u n n e l sJ.T u n n e l l i n g a n dU n d e r-g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,1 9 9 4,9(2):1 6 5-1 7 4.2 2A N A G N O S T O UG,K O V R IK.F a c e s t a b i l i t yc o n d i-t i o n sw i t he a r t h-p r e s s u r e-b a l a n c e ds h i e l d sJ.T u n n e l-l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,1 9 9 6,1 1(2):1 6 5-1 7 3.2 3B R O E R E W.F a c es t a b i l i t yc a l c u l a t i o nf o ras l u r r ys h i e l di nh e t e r o g e n e o u ss o f ts o i l sC T u n n e l sa n dM e t r o p o l i s e s.S.l.:s.n.,1 9 9 8:2 1 5-2 1 8.2 4魏纲.顶管工程土与结构的性状及理论研究D.杭州:浙江大学,2 0 0 5:2 1-2 9.WE IG.C h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e o r e t i c a l s t u d yo f s o i l a n ds t r u c t u r e i np i p ej a c k i n ge n g i n e e r i n gD.H a n g z h o u:Z h e j i a n gU n i v e r s i t y,2 0 0 5:2 1-2 9.(i nC h i n e s e)2 5魏纲,贺峰.砂性土中顶管开挖面最小支护压力的计算J.地下空间与工程学报,2 0 0 7,3(5):9 0 3-9 0 8.WE IG,H EF.C a l c u l a t i o no fm i n i m a l s u p p o r t p r e s s u r ea c t i n go n s h i e l d f a c ed u r i n gp i p e j a c k i n g i ns a n d ys o i lJ.C h i n e s eJ o u r n a lo fU n d e r g r o u n dS p a c ea n dE n g i n e e r-i n g,2 0 0 7,3(5):9 0 3-9 0 8.(i nC h i n e s e)2 6雷明锋,彭立敏,施成华,等.迎坡条件下盾构隧道开挖面极限支护力计算与分析J.岩土工程学报,2 0 1 0,3 2(3):4 8 8-4 9 2.L E IMF,P E N GLM,S H I CH,e t a l.C a l c u l a t i o n a n da n a l y s i so f l i m i ts u p p o r t f o r c eo fs h i e l dt u n n e le x c a v a-t i o nf a c eu n d e rf a c i n g-s l o p ec o n d i t i o n sJ.C h i n e s eJ o u r n a l o fG e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,2 0 1 0,3 2(3):4 8 8-4 9 2.(i nC h i n e s e)2 7许有俊,梁玮真,刘忻梅,等.大断面矩形顶管隧道开挖面土体稳定性研究J.现代隧道技术,2 0 1 7,5 4(5):7 0-7 7,8 5.X UYJ,L I A N GWZ,L I UXM,e t a l.S o i lm a s s s t a-b i l i t ya t t h ew o r k i n gf a c eo far e c t a n g u l a rp i p e-j a c k i n gt u n n e lw i t hal a r g es e c t i o nJ.M o d e r nT u n n e l l i n gT e c h n o l o g y,2 0 1 7,5 4(5):7 0-7 7,8 5.(i nC h i n e s e)2 8程诚,赵文,程超楠,等.干砂盾构隧道开挖面主动极限支护压力计算J.东北大学学报(自然科学版),2 0 1 8,3 9(9):1 3 4 8-1 3 5 2.C H E N GC,Z HA O W,C H E N GCN,e ta l.C a l c u l a-t i o no na c t i v e l i m i t s u p p o r t p r e s s u r e o f s h i e l d t u n n e l e x-c a v a t i o nf a c ei nd r yc o h e s i o n l e s ss o i lJ.J o u r n a lo fN o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e),2 0 1 8,3 9(9):1 3 4 8-1 3 5 2.(i nC h i n e s e)2 9Z HA N GX,WA N GMN,L I JW,e t a l.S a f e t y f a c t o ra n a l y s i s o f a t u n n e l f a c ew i t h a nu n s u p p o r t e d s p a n i n c o-h e s i v e-f r i c t i o n a l s o i l sJ.C o m p u t e r sa n dG e o t e c h n i c s,2 0 2 0,1 1 7:1 0 3 2 2 1.3 0A N A G N O S T O UG.T h e c o n t r i b u t i o no f h o r i z o n t a l a r c-h i n g t o t u n n e l f a c e s t a b i l i t yJ.G e o t e c h n i k,2 0 1 2,3 5(1):3 4-4 4.3 1L I U W,S H IPX,Y U M,e t a l.A n a l y s i so fw o r k i n gf a c es t a b i l i t yd u r i n go b s t r u c t i o nr e m o v a lf r o m ab o xt u n n e lm a c h i n eJ.A c t aG e o t e c h n i c a,2 0 2 2,1 7(1 0):4 6 2 7-4 6 3 9.2111