渗透力对隧道开挖面稳定性影响分析
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摘要：强透水地层中隧道开挖面安稳剖析是盾构掘进施工中一项关键技术。归纳思考有用支护压力和浸透力的影响，对隧道开挖面安稳性进行了剖析，前者根据土体安稳的极限平衡理论核算成果，后者经过数值剖析办法核算稳态地下水流条件下隧道开挖面附近水头分布推导得出。作用在隧道开挖面的支护压力由有用支护压力和浸透力共同构成。研讨发现，地下水渗流对隧道开挖面安稳产生极大影响，保持开挖面安稳极限支护压力远大于无地下水渗流时的状况。理论剖析成果、流固耦合数值模仿成果与工程实测数据获得较好的共同，验证了这篇文章理论与办法的合理性和有效性。
关键词：开挖面安稳；极限平衡；浸透力；流固耦合
中图分类号：TU74 文献标识码： A
1开挖面安稳的极限剖析
1.1思考地下水的垂直条分法
隧道开挖面前方土体安稳垂直条分法区别于经典边坡安稳垂直条分法，有必要思考开挖面前方滑动体上覆土体的平均有用垂直应力。根据开挖面损坏形式研讨，联系地下水条件下上覆土层松动土压力核算的修正，建立垂直条分几许模型图1所示，滑动面假设为直线。这儿α为损坏面与水平面夹角，D为隧道直径。
图1垂直条分几何模型
图2土条受力模型
图2给出采用垂直条分法时土条i的受力图，作用在土条i的剪切力如下式表示
设土条两侧的切向条间力大小相同、方向相反，如下式：
考虑式（1）和式（2），建立土条垂直方向的静力平衡方程，得到作用在滑动面上的法向力：
式中Wi为土条自重；uti和ubi分别为作用在土条顶部和底部的孔隙水压力；c′和?′分别为土体的有用黏聚力和有用内摩擦角。基于太沙基松动土压力理论，开挖面前方滑动土体上覆土体被分为两有些，即地下水位以下有些和地下水位以上有些，两有些土压力需分隔核算。依据有用应力原理，思考地下水的平均有用笔直应力σv表明为
其中
式中h0为隧道底部到地下水水位的间隔，H为隧道顶部到地面的间隔，D为隧道直径；c和?分别为干土的黏聚力和内摩擦角；dγ为土体的干重度，γ′为土体的浮重度。土体的侧向土压力系数思考为
考虑式（3）和式（4），求解土条水平方向静力平衡方程得到作用在隧道开挖面支护压力表达式：
一定滑动倾角α的开挖面支护压力断定后，须改动倾角视点求解新的支护压力，重复这一进程直到支护压力获得最大值，该值即为保持开挖面安稳的极限支护压力。
1.2渗流剖析
在水头差的效果下，流体能够透过土体孔隙而发生活动。当隧道在低于地下水位的地层中开挖时，地下水流入隧道开挖面，会在开挖面邻近发生水头差，因为水头差而效果在土骨架上的力称为浸透力，其方向沿着地下水活动的方向。关于土体骨架承当的有用应力来说，被视为附加力的浸透力很可能影响到隧道开挖支护与开挖面的安稳。因而，为核算效果在隧道开挖面的浸透力，需要解饱满土体渗流的平衡方程得到隧道开挖面邻近的孔压散布和水头散布场。
这篇文章运用有限差分数值核算程序求解稳态地下水条件下隧道开挖面周围的孔隙水压力和总水头散布。
三维渗流剖析模型如图3所示。图中，C为隧道的埋深，D为隧道环形截面直径，H为地下水至隧道顶部高度。
图3三维渗流分析模型
单位体积土体中，渗透水流对于土颗粒骨架的托拽力（fx，fy，fz）由下式表示w
式中，h为总水头，wγ为水的重度。
对开挖面前方滑动体上单位体积渗透力的体积分应用Gauss理论，得到作用在滑动体上渗透力的水平分量和垂直分量表达式：
式中S1为土体破坏滑动面，S2为隧道开挖面；α为破坏面S1与水平面夹角；h*为滑动体内部沿x方向的平均水头，表示如下：
1.3支护力估算
使用离心模型试验研讨了干砂地层隧洞开挖面支护压力与地层位移的联系，模型隧道原型直径为10 m，隧道埋深20 m，砂土地层思考为莫尔―库仑资料。思考周小文土样参数条件，使用式（8）和式（10）、（11）核算支护力与浸透力随地下水位改变规则，土体资料特性由表1给出。这篇文章引进无量纲系数H/D（H为地下水至隧道顶部高度，D为隧道直径）剖析地下水位改变与开挖面稳定、变形联系。图4和图5分别给出比值H/D=1.5时，数值差分程序得到的隧道开挖面邻近孔隙水压力等值线图和水头等值线图.
表1土体材料特性
图4孔隙水压力等值线图
图5总水头等值线图
图6给出均匀浸透力随比值H/D改动的曲线，从图中能够看出作用在隧道开挖面的浸透力与H/D呈线性联络，均匀浸透力的范围从27.8 kN/m2到76.32kN/m2。作用在隧道开挖面的浸透力与H/D呈线性联络，但浸透力比（均匀浸透力与静水压力比值）与H/D关系显示出不一样的趋势。从图7中能够看出，当H/D改动时，浸透力比改动不大，简直为常数。图8给出考虑浸透力时隧道开挖面总支护压力随H/D改动的曲线，从图中能够看出，浸透力严峻影响到隧道开挖面的安稳。当H/D=0.5时，保持开挖面安稳的极限支护压力是无地下水条件支护压力的二倍，当H/D=2时，保持开挖面安稳的极限支护压力简直为无地下水条件支护压力的五倍。图9给出浸透力与隧道开挖面总支护压力的比值随H/D改动的曲线，从图中能够看出，浸透力构成了总支护力的首要部分，随着地下水位的升高，浸透力在总支护力中的比值呈升
高趋势，当地下水与地表高度一致时，浸透力占到总支护力的74.4%。
图6平均渗透力与H/D关系
图7渗透力比与H/D关系
图8总支护压力与H/D关系
图9渗透力/总支护压力与H/D关系
综合以上定论，在高地下水位、强透水地层中进行隧道开挖，浸透力的存在严峻降低了开挖面的安稳，是开挖安稳性剖析中不行忽略的重要因素。
2流固耦合剖析
2.1剖析办法
数值核算程序模仿流体经过可浸透固体的活动，流体建模可单独完成，也可同力学建模并行完成，以便取得流体/固体耦合作用作用。首要，执行渗流剖析，将各节点的孔隙水压力和总水头存储起来；然后，经过总水头值核算各个节点的水头梯度值（i），将核算得到的浸透力（i・wγ）作为节点力存储起来；最终，将渗流剖析得到的浸透力作为力边界条件施加到应力剖析中。这一剖析过程严厉来讲是先渗流，后应力。由于渗流剖析和应力剖析运用相同的网格区分办法，且渗流剖析得到的节点的浸透力被作为边界条件施加到应力剖析的成果上，实质上还是一种流固耦合的相互作用剖析。
含地下水的砂土或黏土地层思考为莫尔C库仑资料，管片资料为C-50弹性钢筋混凝土资料，厚度为0.35 m，管片单元选用壳单元。值得注意的是，思考渗流剖析时，衬砌管片接缝处是渗漏水的首要有些。这篇文章剖析要点放在开挖面邻近，对衬砌构造做相对简化，视衬砌构造为接连体，并施加不透水边界条件。在模仿地下水对衬砌构造影响的分步开挖时，衬砌构造的接缝需仔细模仿。流固耦合的数值核算模型见图10，模型除地外表为自由面外，附近选用变形约束条件。为研讨隧道开挖面的行动并取得确保开挖面安稳的极限支护压力，最终一步开挖前所有节点的位移被置零，将渗流剖析得到的成果作为边界条件施加到应力剖析的过程中。在隧道开挖面上施加支护压力，经过逐渐削减支护压力来到达开挖面的失稳状况。
图10流固耦合的数值计算模型
2.2计算结果与分析
离心模拟实验土样参数和隧道模型参数，使用本文提出的流固耦合分析方法研究地下
水条件下支护压力与开挖面变形的关系。
图11处于塑性区单元随支护压力变化图
图11给出地下水位高度距隧道顶部的间隔为10m时，处于塑性区的单元随支护压力改变图，从图中能够看出，跟着支护压力的削减，处于塑性区的单元不断添加。当支护压力削减到54 kN/m2，塑性区急剧扩展，此值可能为确保开挖面安稳的极限支护压力。而当支护压力削减到40 kN/m2时，开挖面前方土体彻底损坏，崩塌非常显着，塑性区扩展到地表，工程事端发作。
为断定开挖面的极限支护压力，依据计算结果绘出隧道开挖面中间点水平位移随支护压力改变的曲线，如图12所示。从图中能够看出，当支护压力削减到54.5 kN/m2摆布，隧道开挖面中间水平位移急剧增大，与塑性区扩展趋势共同，能够判别保持开挖面安稳的极限支护压力为54.5 kN/m2。图12中标出周小文离心模拟实验得到的干砂地层中隧道开挖面中间点水平位移随支护压力改变的曲线，保持开挖面安稳的极限支护压力约为32 kN/m2。
图12支护压力与开挖面水平位移联系图13给出一样土样参数条件下，离心试验成果与这篇文章数值剖析成果对比曲线，离心试验成果与数值剖析成果开挖面失稳趋势共同，但考虑浸透力的流固耦合剖析得到的支护压力显着偏大。
图13 P.Chambon离心实验结果
综合图12和13成果，离心实验成果与流固耦合得到的开挖面前方土体损坏趋势符合，当隧道开挖面的支护压力降低到某个临界值，开挖面水平位移急剧增大，隧道周围土体发生损坏。但浸透力致使隧道开挖面极限支护压力明显增大，严峻降低了开挖面的安稳。值得注意的是，思考地下水渗流时通过垂直条分法得到的极限支护压力与流固耦合剖析成果接近，但数值偏大，差错为19.4%。离心实验和数值模仿证明埋深在必定规模内（C/D
结束语
高地下水位、强透水地层中进行隧道开挖，由地下水活动导致的浸透力构成了整体支护压力的首要部分，跟着地下水位的升高，浸透力在总支护力中的比值呈升高趋势。是进行隧道开挖面安稳剖析不能忽略的重要因素。
参考文献
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[2]黄正荣，朱伟.浅埋砂土中盾构法隧道开挖面极限支护压力及稳定研究[J].岩土工程学报，2012，28（11）：