渗流条件下富水砂层盾构隧道开挖面临界支护压力计算分析

【导读】盾构隧道穿越富水砂层时，开挖面失稳是常见风险。本研究基于PLAXIS 3D数值模拟，系统分析了渗流条件下盾构隧道开挖面的临界支护压力与破坏模式，为工程设计提供简化计算依据。

来源：地下空间与工程学报 | 2024年第2期 | 国家自然科学基金项目（41972291）

一、研究背景：富水砂层盾构施工为何频频失稳？

城市地铁盾构隧道常需穿越富水砂层，这类地层黏性低、自稳能力差，在土舱内外水压差作用下不可避免发生渗流。传统平衡法无法准确考虑土体本构、尺寸及边界效应的影响，已有临界支护压力计算方法又较少考虑渗流工况，导致工程险情时有发生。

准确计算渗流条件下的盾构隧道开挖面临界支护压力，对控制地层损失、减少土体变形、预防地面塌陷至关重要。

二、研究方法：三维有限元+流固耦合

研究团队采用三维有限元上下限极限分析法和PLAXIS 3D软件，分两种工况开展研究：

（1）无渗流条件（用于标定基准值）
采用Optum G3软件，基于摩尔-库伦本构模型，计算开挖面失稳时的极限支护压力，明确破坏模式与内摩擦角φ、埋深比C/D的关联规律。

（2）渗流条件（核心工况）
采用PLAXIS 3D开展稳态渗流分析和流固耦合分析，研究水头差、埋深比C/D和内摩擦角φ对开挖面稳定性的影响。

三、核心结论

1. 临界支护压力排序

不同地下水状态下，盾构隧道开挖面临界支护压力排序为：

无渗流条件 > 有渗流条件 > 干砂条件

这意味着：同一地层中，发生渗流时开挖面更容易失稳，所需支护压力反而更低，风险更高。

2. 破坏模式与埋深/内摩擦角密切相关

工程警示：浅埋软砂层盾构施工需重点防范地面塌陷，深埋硬砂层则需关注渗流导致的破坏范围扩大。

3. 简化计算公式

基于Optum G3三维极限分析，无渗流条件下盾构隧道开挖面临界支护压力可按下式简化计算：

p_f = 1.12e^-4.09sinφ · γD

经验证，该公式与数值模拟结果最大误差不超过5%，可直接用于工程快速估算。

注：考虑渗流条件时，临界支护压力在无渗流基础上进一步降低，具体降幅与水头差、埋深比相关。

四、工程价值

• 为富水砂层盾构隧道开挖面压力控制提供理论依据和简化计算工具

• 有助于减少因支护压力不当引发的地面塌陷和沉降险情

• 对保障周边建（构）筑物安全具有重要指导意义

五、了解更多

本文研究使用了PLAXIS 3D岩土仿真软件进行流固耦合分析。PLAXIS系列软件广泛应用于盾构隧道、深基坑、边坡等岩土工程数值模拟，由中仿科技（igeo.cn）提供专业技术支持与本地化服务。

如需了解更多PLAXIS 3D在盾构隧道工程中的应用案例或技术方案，欢迎访问 igeo.cn 或致电 400-888-5100。

论文作者：张跃明（广州地铁设计研究院）、钟久强（浙江省交通规划设计研究院有限公司）、余金（江西水利职业学院）、涂万年、朱碧堂（华东交通大学）