软弱地层tbm隧道的工作面稳定性评估和地层变形分析

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1、软弱地层TBM隧道的工作面稳定性评估和地层变形分析S.Konstantis(1)(1)施工管理,Marsh有限公司,伦敦,英国(原:英国奥雅纳工程顾问公司,伦敦)摘要：在收敛约束(C-C)法应用的基础上，本文旨在讨论使用封闭断面隧道掘进机时，隧道的稳定性评估。掌子面失效机制建立在Anagnostou和Kovari法以及三维楔在推进核心的基础上，并受地面负载、抗性以及施加的压力的影响。根据BouyguesTP开发修正的收敛约束(C-C)法，作用于楔形冠的地面压力应包括由隧道掘进和工作面压力造成的松弛地应力。针对隧道几何特征的故障几何的灵敏度和地面设计参数的研究，使用了蒙特卡罗模拟的风险分析软

2、件@RISK，通过均布随机变量的抽样技术进行概率分析。在任何情况下，液压平衡条件都没有影响作用于隧道表面渗流压力的稳定性。根据概率分析的结果，设计用列线图的开发是为了弹性条件下，同质软地面浅层城市隧道开挖的典型案例。现已提出建议方法的应用，并对结果进行了讨论，同时与工作实践进行了对比。1.引言掌子面稳定性是隧道挖掘工作得以完成的关键因素，尤其是在困难条件下浅层城市隧道的开挖，其在许多情况下还会受到严格的环境限制。隧道掌子面的不稳定可能导致超前核心土过度松弛（Lunardi2000），进一步引起地面变形并对第三方财产和基础设施造成影响。在极端条件下，该状况还有可能导致部分或整个掌子面的失效，

3、并对上覆结构和隧道运营造成恶劣影响、产生严重后果。在城市地下项目的施工期间，封闭式（泥水或土压力平衡(EPB)）隧道掘进机（TBM）采用主动压力的方法，大大降低了隧道掘进的风险。支撑密封面所需的最低压力必须确保隧道的稳定,并满足可承受的地面变形标准。这是一个三维问题，详细解决方案的提出需要借助于基本的三维数值分析。然而，此类分析存在明显的缺陷，主要由于复杂的输入准备、输出演示、计算工作量的增加、多重仿真阶段以及精确度的提高和地面情况认识水平之间的不协调。(Kavvadas2005)文献中有许多分析方法可用于评估工作面的稳定性条件，在(Guglielmettietal.2007)中可找到方法

4、总结。其中大部分的方法都是基于极限平衡模型或是上、下界可塑性定理，特别是以3D失效机制为基础时得出更满意的结果.（Russo2003）然而,在出现超前核心土松弛及继发的地面变形状况时，现有的方法不能关联确保工作面稳定性所需的压力。在工程实践中，较常见的是利用分析法或2D数值分析法进行隧道设计分析和地面变形的评估。广泛接受的方法是利用收敛约束法和释放系数（C-C）法（AFTES2001）来模拟隧道横截面的立体推进过程。传统的收敛约束法不能用于封闭工作面的TBM隧道，释放系数法不仅表示到掘进工作面的距离，同时也代表TBM施加的压力。在BouyguesTP(Aristaghesetal.1998

5、and2003)修正过的约束收敛法中充分考虑到了这类相互作用。这一方法对工作面稳定性的评估极限平衡模型结合修正后的约束收敛法进行了介绍和讨论。2.约束收敛法(隧道掘进会引起应力场周围地面的变化，包括地面变形并导致应力σo逐渐减少。这种应力松弛可用以下公式表示：其中σint代表围岩自稳能力和支护内部支撑压力。σo是隧道水平方向的原位地应力，λ是释放系数(AFTES,2001)。以一个完全不适用该公式的隧道(Hoek隧道,2007)为例，在隧道应力场附近超前钻孔，λ从0开始，随着掌子面距离的增大逐渐增加，最后归于一个稳定的数值。对于适用该公式的隧道，λ的最终值取决于围岩变形，开挖方法，掌子面支

6、护的位置、种类和数量。在工程实践中，应力松弛是通过联系释放系数或隧道收敛uR、掘进掌子面X和隧道半径R的距离估算纵向变形分布的。纵向变形分布是通过掌子面开挖区域的三维（或轴对称）数值分析采集的。图1给出了最常用方法的比较（kavvadas，2005）。Ms>4时的完全弹性反应隧道Ms=0.20时的曲线图1.不同纵向变形曲线的对比(Kavvadas,2005)收敛约束法(C-C)适用于各向同性土中的深埋圆形隧道，两种假设，几乎从来没有在城市隧道中应用过。为了克服这些限制性的假设，不适用的隧道应进行三维数值分析以对λ＝f（x，θ）进行定义，其中θ是所考虑点的角位置(Aristaghes等人.1

7、998)。收敛约束法是一种被广泛接受的常用方法，用于模拟隧道断面（2D）三维超前分析。然而，如前所述，经典的收敛约束法对掘进机掘进的软土隧道开挖面支撑是适用的，当释放系数是一个与到掌子面开挖距离有关，同时也与掘进机的施加压力有关的函数时，收敛约束法并不适用。为了适应这种经典的方法，布伊格TP设计院(Aristaghes等人.1998及2003)在目前的设计方法的基础上通过现场试验及试验项目，提出了一种明确考虑TBM施加压