1 绪论
1.1研究背景
近年来，随着在城镇人口的飞速增长，机动车保有量不断增加，地面交通问题日益凸显，尤其是繁华闹市区行人过街引起的交通安全事故频发及道路通行能力下降等问题，均表明单一形式的地面交通已不能满足人们对于交通快捷、便利、安全等的要求。目前，北京、广州等一线城市的交通网已经从地面交通转向地下交通，逐渐形成了以地下交通为主、地面交通为辅相结合的新型交通格局[1]。顶管法施工凭借其经济、高效、保护环境的优势，近年来广泛应用于地下隧道工程施工中[2]。土压平衡矩形顶管法作为一种较为成熟的封闭式开挖顶管法，越来越多的运用于各大城市的地下隧道施工中，但是地面沉降控制和顶力控制仍是其施工中的最大难点[3]。特别是在砂性土地层中，这类土具有粘聚力小、成拱效应差、流塑性差、自稳时间短等特点，在施工中容易出现刀盘上方土体的小范围塌方、出土困难、土压仓土压力波动敏感等特点，很难保证土压舱与工作面土体土压的动态平衡，严重时产生“闭塞”、“喷涌”、“结饼”等问题[4]，甚至造成工作面土体失稳，进而对周边环境造成影响[5]。以内蒙古科技大学（阿尔丁大街）行人过街地下通道工程为例，采用了多刀盘土压平衡矩形顶管法施工，断面尺寸为 4.3m×6.5m，刀盘三大三小，穿越土层为圆砾层。由于缺乏经验及科学的理论指导，虽已成功贯通，但是工程实施过程中经常会出现土体超挖现象，顶管上方土体甚至出现了大面积的塌陷，所幸没有造成人员伤亡，但导致该工程停工 5 个月，工期严重延误。复工整改后，实际顶进速度仍不理想，仅为1.5mm/min，地表沉降多次超限报警，且在机头进洞时发现机头磨损和“结饼”现象严重。还有北京地铁9 号线[6]，位于北京市西部，整体呈南北走向，穿越丰台和海淀两个行政区。沿线盾构穿越地层为卵石层，并且具有卵石含量高、粒径大、颗粒级配不连续、颗粒之间空隙大、无粘聚力和松散无胶结等特点。这类地层一经扰动，其力学性质极其不稳定，容易造成工作面土体坍塌[7,8]。
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1.2顶管工作原理与方法
顶管施工法是首先将支座和千斤顶安装在工作井内，顶管机依靠千斤顶顶推作用在土层里向前掘进，在掘进的同时铺设管节，用土泵或螺旋输送机排出掘出的泥土，完成一道管节推进后，主千斤顶回缩，即为一个循环；接着进行另一节管道吊装，继续顶进，循环往复，完成所有管节的铺设，原理如图1.2所示。然后通过接受井将顶管机吊出，顶管施工时顶进、开挖、管段铺设三个步骤同时进行，直到顶管机从接收井吊出[14,15]。目前，大部分地下隧道施工技术中，应用的最多的是顶管法和盾构法，而顶管法中以矩形顶管法为主，顶管法和盾构法的破土原理基本相同。隧道支护方式是顶管法和盾构法施工的最大不同，顶管法采用预制的管节连接形成支护结构，而盾构法的支护结构则通过管片的拼接实现。圆形顶管的刀盘一般为单个绕固定轴旋转的刀盘，回转半径为圆形，刀盘的尺寸与顶管机尺寸一致，矩形顶管机则一般采用组合式刀盘，如图 1.4 所示，大刀盘对正前方大部分土体进行切削，小刀盘对四个角上的土体进行切削，共同作用，从而提高截面切削率。
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2 矩形顶管隧道工作面极限支护压力计算模型
2.1 概述
土压平衡矩形顶管法顶进过程中，其顶推力大小并不是一成不变的，随顶管的不断推进，使得周围土体不断扰动，处于复杂的三向应力状态。随着顶管向前移动，刀头顶进、土体切削以及土体排出，三个过程同时进行，之间没有先后顺序，共同保证支护压力和土压力的平衡。然而，隧道采用顶管法施工的过程中，难以保证支护压力和土压力完全平衡。当支护压力大于土体的被动土压力时，会对工作面前方土体产生挤土效应，造成地面隆起破坏；当支护压力小于土体的主动土压力时，会使工作面前方土体产生坍塌，因此，保证工作面的稳定对于顶管法施工来说至关重要。目前，顶管法施工工作面极限支护应力的计算方法有五种：（1）工作面稳定系数法；（2）塑性极限分析方法；（3）楔形体计算模型；（4）有限元模拟；（5）离心模拟试验。其中，楔形体计算模型比较简单、形象、直观，因而在研究中被广泛引用。楔形体计算模型假设工作面前方土体为楔形体，上部为长方体，但在实际工程中，由于地层条件的不同，破坏模型存在差异，因此楔形体计算模型仍需改进。本章针对砂砾石地层的主要研究内容包括：（1）分析顶管施工中周围土体的受力机理；（2）对 Horm 提出的三维楔形体模型进行分析、计算，推导适用于矩形顶管的工作面最小支护压力计算公式。
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2.2 工作面失稳的原因及失稳类型
在砂砾石地层中，由于土体呈松散态，故其力学稳定性较差，在顶管推进时容易出现坍塌和隆起，造成地面沉降，导致工作面和管体周围失稳，严重影响工程进度。具体原因有以下几点：
（1）顶管机土仓压力设置不合理，从而导致工作面失稳。
（2）采用半仓推进加快施工进度，从而导致工作面失稳。
（3）施工时产生喷涌，打破了土仓内土压平衡，造成土仓压力失控。
（4）刀盘产生结饼、闭塞问题后继续推进，造成工作面土体被动破坏。
但这些因素均归结到隧道施工过程中支护压力与静止侧向土压力的关系。进行顶推时，工作面土体受到顶管机前方刀盘的切削、顶进，打破土体原有的初始应力状态，当支护应力小于土体的主动土压力时，土体发生主动破坏；当支护应力大于土体的被动土压力时，土体发生被动破坏。因此，顶管机在土层中掘进施工时，在顶推力 F 作用下，前方土体土层应力可能处于三种临界平衡状态，即主动土压力、被动土压力和静止土压力。
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3 矩形顶管隧道工作面土体变形与破坏数值模拟分析........18
3.1 概述....... 18
3.2 工程概况...... 18
3.3 工作面支护应力形式确定...... 20
3.4 工作面变形与破坏数值分析......... 20
3.5 工作面变形与主动破坏规律......... 22
3.6 工作面变形与被动破坏规律......... 27
3.7 数值模拟结果与监测结果对比..... 30
3.8 本章小结.........32
4 考虑部分刀盘堵塞顶进时工作面稳定性分析.....33
4.1 刀盘布置情况........33
4.2 部分刀盘堵塞的情况下工作面稳定性机理分析......34
4.3 本章小结...... 52
4 考虑部分刀盘堵塞顶进时工作面稳定性分析
当顶管机在砂砾石地层中掘进时，顶管机刀盘经常会遇到结饼等现象，造成出土不畅，进而导致施加于工作面的应力局部增大，对工作面稳定性的控制不利，严重时甚至会影响顶进的顺利进行。广州地铁一号线盾构隧道在施工过程中发生结饼、闭塞、在发生问题后，施工方由于为了保持掘进速度，盾构机的总推力逐渐提高，使得盾构机正上方地面隆起，呈馒头形状；深圳地铁首期工程金田——福民区间施工中，由于结成的泥饼没有及时处理，长期烘烤着轴承密封，最终使之破坏，导致舱内水喷涌而出，接着采用从舱内降水的措施后，盾构机前方地表坍塌；广州轨道交通四号线盾构施工中由于结饼、闭塞导致施工停工。本章主要研究刀盘堵塞对隧道工作面稳定性的影响，通过比较不同堵塞情况对工作面稳定性的影响规律，确定最不利堵塞情况。进一步讨论刀盘堵塞情况下土体的位移与变形，由于刀盘堵塞引起的工作面土体变形敏感性分析，并得出相关结论。
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结 论
土压平衡矩形顶管隧道具有断面面积利用率高、埋深浅、不中断地面道路交通、避免各类地下管线的拆迁、无噪音、无环境污染等优点，有着广阔的应用前景。目前，广泛运用于我国行人过街地下通道、地铁车站出入口过街通道、下穿城市道路的隧道、地下共同沟、城市地下商业空间开发等城建工程中，代表着未来城市矩形断面中短隧道修建技术的发展方向。在顶管顶进过程中，合理的选择支护应力，是保证工作面稳定和顶管顺利顶进的关键因素。但目前对于工作面支护应力的控制主要是对盾构隧道进行研究。本文基于顶管隧道工作面稳定性的研究，以内蒙古科技大学地下过街通道为背景，通过 FLAC3D 数值模拟、理论预测，对顶管施工工作面支护压力的确定以及支护压力造成的工作面破坏形式深入研究，得到了以下结论：
（1）对砂砾层矩形顶管隧道工作面极限支护应力的计算公式中，梯形楔形体模型更加符合实际的极限支护应力计算。
（2）对矩形顶管隧道周围土体变形破坏模型研究表明，工作面变形从隧道顶部向地表延伸，工作面完全失稳后，工作面前方为楔形，上方呈烟囱状。
（3）对工作面支护压力与前方土体应力关系研究表明，工作面前方土体塑性区范围随工作面支护压力的减小而增大，0.165 是土体发生破坏的临界支护应力比。
（4）地表最大沉降与支护应力比的大小有关。随支护应力比的减小，地表最大沉降点的位置从工作面后方土体向工作面前方土体移动。当支护应力比为 0.17 时，地表最大沉降点的位置出现在工作面正上方土体。
（5）工作面土体的稳定性，与顶管机刀盘的堵塞数量及位置有关。顶管机刀盘堵塞的最不利数量为两个，最不利位置组合为 1#和3#刀盘堵塞、1#和 6#刀盘同时堵塞。此时的极限支护应力比分别为0.19 和 0.165。
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参考文献（略）