最新录用盾构隧道开挖面极限支护压力研究

摘要：针对盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力，通过理论计算与现场实测的对比分析，提出了不同地层隧道上覆土压力的计算原则，将条分法的思想引入盾构开挖面的稳定性分析，导出了开挖面稳定的极限状态方程，据此可求得盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力。最后，结合具体的工程实践，将前述理论和方法应用于临界滑动面的搜索和极限支护压力的计算。上述研究成果对于指导盾构隧道的设计与施工具有重要的作用。

关键词：盾构隧道；开挖面稳定性；上覆土压力；极限支护压力

作者简介：徐前卫(–)，男，副教授、博士生导师，主要从事隧道与地下结构工程等方面的教学和科研。E-mail：xuqianwei

0引言

目前，国内外一些学者通过采用理论分析法对盾构隧道开挖面极限支护压力进行了研究[1~12]。通过深入分析这些学者的研究可以发现：极限分析法没有考虑渗透力、土拱效应对盾构开挖面稳定性的影响，得出的开挖面极限支护压力偏大，计算中事先假定的边界也与实际有出入，故其在盾构隧道开挖面极限支护压力分析中的应用有待进一步完善；极限平衡法虽然可以考虑地下水的渗透作用，也具有计算简便的优势，但其计算结果与现场实际相差较大，因此有必要针对盾构隧道开挖面极限支护压力进行深入研究。

1盾构隧道上覆土压力的确定

盾构隧道通常具有一定的埋深，施工时刀盘的切削开挖易引起地层的应力释放，进而导致隧道上方部分土体发生下移，由于土颗粒间的相互错动会产生应力传递，因而隧道上方的周围土体会对下移的土体产生一定的制约作用，这使得隧道上覆土压力要小于地层的原始应力，国内外的相关模型试验也证明了这一点[13,14]。

日本规范规定，如果覆土厚度小于隧道外径，一般不考虑地基的拱效应，按全覆土理论计算上覆土压力较为妥当；如果覆土厚度大于隧道的外径，地基产生拱效应的可能性比较大，可以考虑在计算时采用太沙基松动土压力理论[15]。

2.1隧道上覆土压力的计算理论

在盾构施工过程中，开挖面前方滑动土体所受的上覆土压力的计算理论主要有以下两种。

（1）全覆土理论

全覆土理论认为地层某一深度处的垂直土压力等于上覆土重与地表荷载之和，即：

全覆土理论没有考虑土体间应力的传递，故适用于软弱浅埋地层，而当土质较硬或埋深较大时，便不再适用。

（2）太沙基松动土压力理论

太沙基松动土压力理论[16]认为隧洞在开挖以后，顶部土体由于重力作用而向下滑动，在隧洞两侧至地面形成了两个剪切面。

太沙基松动土压力理论假定的滑动体为一竖直土条，其宽度为2B，当该理论用于分析圆形盾构隧道断面时，土条宽度可按下式进行计算：

若土质均匀，太沙基松动土压力的计算模型如图1所示，取滑动土体任意深度处某一微小单元，建立垂直方向力的平衡方程：

总的来说，太沙基松动土压力理论考虑了隧洞尺寸、埋深、土的黏聚力及内摩擦角对土体稳定性的影响，对可能产生拱效应的地层较为适用。

2.2隧道上覆土压力的计算原则

为解决隧道上覆土压力计算理论的实际应用问题，需将全覆土理论计算值、太沙基松动土压力理论计算值与现场实测值进行对比分析。

深圳某地铁区间盾构隧道环附近地层自上而下依次为①7压实填土、①4填块石、②4含有机质砂、④1粘土、④8细砂、④11砾砂、⑦2-2硬塑状砂质粘性土和⑨2-1强风化片麻状混合花岗岩（砂土状），各地层的物理力学性质见表1，具体地质断面如图3所示。

将在此地层实测所得的上覆土压力与由全覆土理论、太沙基松动土压力理论分别计算所得的上覆土压力进行对比，结果如图4所示。

由图4可以看出，在砂性土居多的地层中，当覆土厚度在1~2倍隧道外径时，采用全覆土理论计算所得的上覆土压力要比实测所得的偏大约30~40%，而采用太沙基松动土压力理论计算所得的上覆土压力却与实测值吻合的较好，平均误差在5%以内；当覆土厚度在2~3倍隧道外径时，采用太沙基松动土压力理论计算所得的上覆土压力与实测值相比虽然偏小，但纵观其变化趋势，与实测值基本一致，这仍比采用全覆土理论计算所得的上覆土压力合理。因此，在砂性土居多的地层，当覆土厚度在1~2倍隧道外径时，应该采用太沙基松动土压力理论计算上覆土压力，当覆土厚度在2~3倍隧道外径时，建议也采用太沙基松动土压力理论计算上覆土压力。

深圳某地铁区间盾构隧道环附近地层自上而下依次为①7压实填土、①6杂填土、⑦2-1可塑状砂质粘性土、⑦2-2硬塑状砂质粘性土、⑦3-2硬塑状粉质粘性土和⑨1全风化片麻状混合花岗岩，其中，粘性土厚度约占地层厚度的79%，硬塑状粘性土约占粘性土的77%，各地层的物理力学性质见表2，具体地质断面如图5所示。

将在此地层实测所得的上覆土压力与由全覆土理论、太沙基松动土压力理论分别计算所得的上覆土压力进行对比，结果如图6所示。

由图6可以看出，在粘性土居多的地层中，当覆土厚度小于1.5倍隧道外径时，采用全覆土理论计算所得的上覆土压力要比采用太沙基松动土压力理论计算所得的上覆土压力更接近实测值；当覆土厚度在1.5~3.5倍隧道外径时，采用太沙基松动土压力理论计算所得的上覆土压力比采用全覆土理论计算所得的上覆土压力更接近实测值。可见，在粘性土居多的地层，当覆土厚度小于1.5倍隧道外径时，应该采用全覆土理论计算上覆土压力，当覆土厚度在1.5~3.5倍隧道外径时，应该采用太沙基松动土压力理论计算上覆土压力。

日本规范建议，在砂性土中，当覆土厚度大于1~2倍隧道外径时，多采用松弛土压力；在粘性土中，若是硬质粘土，当覆土厚度大于1~2倍隧道外径时，多采用松弛土压力，若是软质粘土，常将全覆土重量作为土压力考虑[15]。

根据以上理论计算与现场实测的对比分析，并结合日本规范建议，现提出各地层隧道上覆土压力的计算原则，具体见表3。

3盾构隧道开挖面极限支护压力分析

3.1极限状态方程的建立

模型试验和数值模拟虽然有助于揭示盾构开挖面失稳破坏的内在机理，但不好直接用于实际工程，理论计算则不然。盾构开挖面稳定的理论分析方法主要有两类：一类是极限分析法，另一类是极限平衡法。极限分析法求解过程较为繁琐，难以用于实际工程，而极限平衡法简单明了，得到了广泛应用。

费兰纽斯[17,18]基于极限平衡理论提出了条分法，该法将滑动体分成若干个垂直土条，把土条视为刚体，分别计算各土条上的力对滑弧中心的滑动力矩和抗滑力矩，进而求解土体稳定的安全系数。

条分法具体分为瑞典条分法、简化毕肖普条分法、普遍条分法等多种，其中，简化毕肖普条分法以计算不是很复杂，但精度却较高而广泛应用于实际工程，现将其思想引入盾构开挖面的稳定性分析中。

4结论与建议

本文通过理论计算与现场实测相结合的方法，对盾构隧道上覆土压力和开挖面极限支护压力计算开展了研究，主要结论如下。

（1）在砂性土居多的地层，当覆土厚度在1~2倍隧道外径或更高时，建议采用太沙基松动土压力理论计算上覆土压力。

（2）在粘性土居多的地层，当覆土厚度小于1.5倍隧道外径时，应该采用全覆土理论计算上覆土压力；当覆土厚度在1.5~3.5倍隧道外径时，应该采用太沙基松动土压力理论计算上覆土压力。

（3）将条分法思想引入盾构开挖面稳定的极限支护压力分析中，建立了开挖面稳定的极限状态方程，提出了开挖面临界滑动面的搜索方法，据此可求出盾构开挖面稳定的极限支护压力。

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