渗透力对隧道开挖面稳定性影响分析

第31卷 第10期 岩 土 工 程 学 报 Vol.31 No.10 2009年10月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Oct. 2009 渗透力对隧道开挖面稳定性影响分析

高 健，张义同，乔金丽

(天津大学机械工程学院，天津 300072)

摘 要：强透水地层中隧道开挖面稳定分析是盾构掘进施工中一项关键技术。综合考虑有效支护压力和渗透力的影响，对隧道开挖面稳定性进行了分析，前者基于土体稳定的极限平衡理论计算结果，后者通过数值分析方法计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效支护压力和渗透力共同构成。研究发现，地下水渗流对隧道开挖面稳定产生极大影响，维持开挖面稳定极限支护压力远大于无地下水渗流时的情况。

理论分析结果、流固耦合数值模拟结果与工程实测数据取得较好的一致，验证了本文理论与方法的合理性和有效性。

关键词：开挖面稳定；极限平衡；渗透力；流固耦合

中图分类号：U452 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2009)10–1547–07

作者简介：高 健(1978– )，男，河北张家口人，博士，从事盾构隧道数值模拟计算。E-mail: daiyulin12@。

Face stability analysis of tunnels with consideration of seepage force

GAO Jian，ZHANG Yi-tong，QIAO Jin-li

(School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract:Stability of tunnel face under high permeable layers is a very important issue in tunnel engineering. In this study the influence of both effective support pressure and seepage pressure on the stability of tunnel face is considered, the former is evaluated with the aid of limit theorem and limit equilibrium analysis, and the latter is obtained by means of numerical analysis of head distribution. The support pressure to keep the stability of tunnel face is equal to the sum of the effective support pressure and the seepage pressure. It is found that the groundwater play a crucial role in the instability of tunnel face, the minimum support pressure to keep the stability of tunnel face with seepage is much greater than the one without seepage. The comparison between the analytical results and measured data in engineering shows that the method suggested in this paper is more effective than the existing ones.

Key words:face stability; limit equilibrium; seepage force; coupled analysis

0 引 言

隧道工程中的地下水问题是强透水地层施工中普遍存在的重要问题，土体中的渗透力对开挖面的稳定有着较大的影响，结合土体的渗透性考虑开挖面水土耦合作用更符合工程实际。

Leca和Panet[1]（1988）研究了黏性土壤下浅层隧道开挖面稳定分析，文中没有考虑地下水的影响；Leca 和Dormieux[2]（1900）使用极限平衡理论上限解研究了无摩擦土壤中隧道开挖面稳定分析，试验结果与理论结果取得较好的一致性；Anagnostou和Kovari[3]（1996）考虑地下水的影响，推导出隧道开挖面稳定的极限平衡条件广义表达式；Broere[4]（2001）在其研究成果中给出了地下水条件下影响隧道开挖面稳定的超孔隙水压力的经验表达式；Lee and Seok-Woo[5]（2003）进行了考虑渗流时土体稳定的极限平衡解析分析，分析结果与离心试验结果相吻合；黄正容，朱伟等[6]（2005）研究了浅埋砂土中盾构法隧道开挖面极限支护压力及稳定研究，文中提出复杂地质如分层土体或地下水会对隧道开挖面稳定产生较大影响。

高地下水位、强透水地层中进行隧道开挖，地下水渗流不可忽视。本文考虑地下水流动引起的土体渗透变形及地下水水位变化等因素对隧道开挖面稳定性进行了分析：①采用土体极限平衡垂直条分法[7]计算作用在隧道开挖面的有效支护压力；②使用数值分析方法计算稳态地下水流条件下隧道开挖面附近的水头分布[8-9]。隧道开挖面的稳定取决于作用于土骨架有效支护压力和由水头差引起的作用在开挖面的渗透力；地下水流动引起的渗透力构成了总支护压力的主要部───────

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2007CB714001）收稿日期：2008–06–30

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分，随着地下水位的升高，渗透力在总支护压力中的比值呈升高趋势。以广州地铁四号线仑－大区间隧道工程为例，将理论分析结果、流固耦合数值模拟结果与工程实测数据相对比，给出地下水条件下支护压力与开挖面变形的关系。

1 开挖面稳定的极限分析

1.1 考虑地下水的垂直条分法

隧道开挖面前方土体稳定垂直条分法区别于经典边坡稳定垂直条分法[10]，必须考虑开挖面前方滑动体上覆土体的平均有效垂直应力。根据开挖面破坏模式研究，结合地下水条件下上覆土层松动土压力计算的修改，建立垂直条分几何模型图1所示，滑动面假设为直线。这里α为破坏面与水平面夹角，D 为隧道直径。

图1 垂直条分几何模型

Fig. 1 Mechanical analysis of high backfill

图2 土条受力模型

Fig. 2 Forces acting on a typical slice

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

()b tan i i i i T c l N u ϕ′′=+− 。 (1)

设土条两侧的切向条间力大小相同、方向相反，如下式：

0L R =−X X 。 (2)

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：

()()

()t v b cos sin tan cos 1tan tan i i i i i i i W u σl c l u l N ααϕααϕ′′++−−=

′+。(3) 式中 W i 为土条自重；u t i 和u b i 分别为作用在土条顶部和底部的孔隙水压力；c ′和ϕ′分别为土体的有效黏聚力和有效内摩擦角。

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部分，即地下水位以下部分和地下水位以上部分，两部分土压力需分开计算。根据有效应力原理，考虑地下水的平均有效垂直应力σv 表示为

()()0tan /v 0e

K H D h R

z σσh ϕ′−+−=+

()()

0tan /1e tan K h D R

R c K ϕγϕ′′−−′′−−′′

， (4)

其中

()()()

0tan /d 01e tan K H D h R

z R c σh K ϕγϕ

′−+−−=

−′ ， (5)

()

α+α=cos 12cos i l R 。 (6)

式中 h 0为隧道底部到地下水水位的距离，H 为隧道顶部到地面的距离，D 为隧道直径；c 和ϕ分别为干土的黏聚力和内摩擦角；d γ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考虑为

1sin K ϕ′′=− 。 (7)

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：

(){}b 1

T sin tan cos n

i

i

i

i i N c l N

u l D

αϕασ⎡⎤′′−+−⎣⎦

=

∑。

(8) 一定滑动倾角α的开挖面支护压力确定后，须改变倾角角度求解新的支护压力，重复这一过程直到支护压力取得最大值，该值即为维持开挖面稳定的极限支护压力。 1.2 渗流分析

在水头差的作用下，流体可以透过土体孔隙而产生流动。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，会在开挖面附近产生水头差，由于水头差而作用在土骨架上的力称为渗透力，其方向沿着地下水流动的方向。对于土体骨架承担的有效应力来说，被视为附加力的渗透力很可能影响到隧道开挖支护与开挖面的稳定。因此，为计算作用在隧道开挖面的渗透力，需求解饱和土体渗流的平衡方程得到隧道开挖面附近的孔压分布和水头分布场。

本文使用有限差分数值计算程序求解稳态地下水