西安地铁隧道盾构施工开挖面稳定性及盾构支护力分析

1、西安地铁隧道盾构施工开挖面稳定性及盾构支护力分析摘要：在西安地铁隧道工程建设的地理环境具有一定特殊性、地质条件为黄土地层的基础上，对其盾构施工开挖面稳定性及其盾构支护力的确定进行了相应的分析和探讨。关键词：西安地铁隧道；盾构施工；稳定性；支护力盾构法施工作为城市地铁建设中最常采用的施工方法，具有不同地质条件下适应性强、对城市建筑物所造成的影响较小、安全性高、工作环境好、土方量少、进度快等优点。 由于城市的地铁隧道线路大多穿梭于建筑物密集的城区，因而对其施工引起的地表变形的控制要求特别高。特别是西安这种古建筑、古遗址众多的历史文化古城，基于保护古建筑、古遗址的前提，再加上其特有的黄土层地质条件，

2、对西安地铁隧道盾构开挖面稳定性及其盾构支护力的确定进行相应的分析和研究是势在必行的。 1.西安地铁隧道盾构施工开挖面稳定性分析 隧道开挖面稳定性与盾构施工对周围环境的影响密切相关，是在盾构施工过程中实现施工控制的关键所在。对于隧道盾构施工开挖面稳定性，常用的理论分析方法有稳定系数法、极限平衡法和数值计算法有3种。 1）稳定系数法。 稳定系数法的提出，是因为盾构施工开挖面稳定性的破坏主要表现为整体破坏。在此稳定性分析方法中，对于开挖面稳定系数N提出了两个相关的公式，即 式（1），此时，分别为地表的超载、黏土的重量、隧道的埋深、隧道的直径、开挖面的支护压力和不排水抗剪的强度； 式（2），此时，分别

3、为开挖面中心处土体的垂直压力、施加于开挖面的侧向压力和折减系数。其中，式（1）和式（2）两式均为经验公式，仅适合无地下渗水的盾构施工条件的计算。 2）极限平衡法。 运用极限平衡法对开挖面稳定性进行分析，其实际就是运用相应的模型对其极限支护压力进行相关的计算。在此方法中所应用的模型包括平面滑动模型和曲面滑动模型两种。 3）数值计算法。 借助于计算机应用数值计算法，在较全面的考虑影响开挖面稳定性的各项因素的同时，也可以较准确的实现因隧道盾构施工而引起的地表变形发展趋势的预计。目前已实现三维非线性有限单元模拟盾构推进过程的计算模型的构建，并可以将此模型应用于盾构施工开挖面稳定性的研究中。 对于西安地

4、铁隧道盾构施工开挖面稳定性的分析，由于西安地铁隧道工程建设处于特殊的人文地理环境和地质条件，因此，需要根据实际情况进行全方位多角度的考虑，以实现最佳方案的最终选择。 2.盾构支护力确定的必要性 首先，盾构支护力的确定为保证盾构施工开挖面的稳定提供了前提条件。 在盾构施工过程中，随着盾构机的掘进，对其环向的土体位移及地下水流失，可以采取相应的应急措施加以控制，如对其施加管片衬砌结构，以保证开挖面的稳定；而对其开挖面前方土体的稳定及地下水的流失，因所使用的盾构方式的不同，如气压式、泥水式及土压式盾构，使得所造成的影响也会有较大的差异，则需要根据实际情况采用不同的支护方式，以保证其开挖面的稳定。 但

5、是有一点值得肯定的是，无论采用何种施工方式，对其开挖面所施加的支护压力的控制都不可能与地层的原始应力条件完全等效。 其次，盾构支护力的确定是支护压力变化的必然要求。 实现开挖面支护压力的施加是盾构掘进过程中的一个动态过程。随着支护压力的变化，盾构掘进周围的地基也将会发生不同变位，并且当所施加的支护压力的变化幅度超过相应的极限时，对盾构掘进所产生的影响作用便将会发生质的变化，当所施加的支护压力低于极限最小支护压力时，很可能会出现开挖面坍塌事故；而当所施加的支护压力大于极限最大支护压力时，则会出现地表隆起变形过大甚至发生破坏的后果。 此外，盾构掘进是一个三维的动态推进过程，由于盾构掘进对周围地基所

6、造成的影响程度取决于盾构施工中开挖面支护压力的大小，并且保证盾构正常施工和控制压力的选择的基础都来源于极限支护压力的确定，因此，关于盾构开挖面稳定性研究中大多侧重于开挖面极限支护压力的确定。 3.西安地铁隧道盾构开挖面极限支护压力的确定 基于西安地铁隧道工程建设采用土压平衡式盾构施工方法的前提，主要通过对开挖面前方土层进入压力舱后的排除量进行相应的控制，以保证其开挖面支护压力的实现。在实际的盾构掘进中，由于开挖面支护压力不足引起的变形及破坏发展，通常会受到盾构机掘进和排土两者的速度关系的制约，只有当盾构推进速度较慢，而且开挖面移动到压力舱内的土体被不断通过排土期排除时，开挖面的失稳变形才会不断

7、向地表发展。 当盾构支护压力不足时，在开挖面失稳后其土体变形的发展情况是整体工程中所关注的重要问题。由于开挖面失稳后变形的发展与其它掘进参数等密切相关，为了便于问题的分析，以支护应力-开挖面土体位移曲线作为开挖面破坏失稳状态参考指标。 因开挖面支护压力的不足而引起的支护应力释放，最终会导致盾构施工周围的地基出现变形的现象。最先在开挖面附近土体单元出现向盾构机压力舱内方向的水平位移，通过对开挖面支护应力变化与开挖面中心点朝向压力舱方向水平位移之间的关系进行相应的计算，从而实现开挖面极限支护应力的相关研究，其中，以开挖面支护应力比作为开挖面支护力大小的确定，此时，式中的、分别为开挖面中心点的支护力

8、、地铁隧道中心原始地层静止土压力。 由开挖面支护应力变化与开挖面中心点朝向压力舱方向水平位移之间的关系计算所得的结果表明，开挖面支护应力与开挖面前方水平位移量呈现出反比例增长的发展趋势，即随着开挖面支护应力的逐渐减小，开挖面前方水平位移量逐渐增加，并且当开挖面支护应力下降到一定程度时，开挖面水平位移量急剧增大，此时便可以认为盾构施工的开挖面开始失去其相应的稳定性。 从计算可得出，隧道工程建设盾构开挖面支护应力的控制与开挖面土体的变形主要表现为以下3个阶段。 1）第1阶段中支护应力的比在10.6之间，在开挖面支护应力作用下，开挖面处于弹性变形状态，此时，支护应力变化引起开挖面的变形较小； 2）第

9、2阶段中支护应力的比在0.60.15之间，在此范围内开挖面处于弹塑性状态，开挖面上有塑性区的出现，但塑性区未贯通，支护压力的波动对开挖面土体变形发展不敏感，开挖面处于稳定状态； 3）第3阶段中支护应力比则小于或等于0.15，同时在此阶段也是开挖面土体变形对支护应力表现极为敏感的时期，一旦盾构施工开挖面支护应力出现微小的变化，便会导致开挖面发生显著的位移；并且在盾构支护应力比等于0.15 时，开挖面水平位移突然增加，位移增量急剧上升，开挖面处于完全塑性状态，因此，开挖面极限支护应力比在0.10.15之间，可以得到极限支护应力大小约为20.2kPa。 4.小结 在西安这样的历史古城中实施地铁隧道工程建设，对其盾构施工开挖面稳定性的分析要求更高，需要根据隧道施工的具体实际情况，以保护古建筑、古遗址不遭到破坏为前提，综合采取多种分析方法对其进行全方位多角度的分析；而作