Limit Support Pressure and Critical Cover-to-Diameter Ratio of Shallow-Buried Tunnel Faces in Sand-over- Clay Composite Ground

技术摘要：砂粘复合地层浅埋隧道掌子面极限支持压力与临界覆岩直径比研究

问题陈述
城市环境中的浅埋隧道日益面临复杂的复合地层条件，特别是砂粘互层结构。与均质地层不同，这种分层系统表现出截然不同的强度和变形特性，显著影响隧道掌子面的稳定性。尽管现有研究已针对均质砂土或粘土中的隧道掌子面稳定性进行了探讨，部分研究也考察了层状地层，但在理解砂粘复合地层中特定的破坏机制、地压释放模式以及从全局破坏向局部破坏模式转变方面仍存在研究空白。具体而言，目前仍缺乏对砂层与粘层变形差异的系统比较、相对于土层界面位置（中心处与冠顶处）的渐进破坏过程研究，以及针对不同剪切强度下临界覆岩直径比（$C/D$）的定量判据。

研究方法
本研究采用结合物理模型试验与数值模拟的多维度方法：

1. 离心模型试验： 在 TLJ-3 地球物理离心机上以 60g 进行。设计了四个测试案例，原型隧道直径为 6 m。土层界面分别位于隧道掌子面中心或隧道冠顶，覆岩直径比（$C/D$）分别为 0.8 和 1.2。
2. 监测技术： 利用粒子图像测速技术（PIV）分析土体位移场和破坏带演化。利用激光位移传感器测量掌子面后退量，并利用土压力计监测掌子面及掌子面前方土体内的应力释放情况。
3. 三维下限有限元极限分析： 开发了数值模型以确定维持稳定所需的最小支持压力。该方法利用满足平衡、边界条件和 Mohr-Coulomb 屈服准则的静态可容许应力场。该模型用于验证实验结果，并对上部砂层的内摩擦角（$\phi$）进行参数化分析。

主要贡献与结果

• 破坏机制与界面位置：

  • 当土层界面穿过隧道掌子面中心时，失稳主要受上部砂层控制。破坏带向上方和外侧扩展，最终到达地面（全局破坏）。
  • 当界面位于隧道冠顶时，下方的粘层有效地限制了破坏带向上方的扩展。在这种情况下，破坏带被限制在掌子面前方约 1.5 倍隧道直径范围内，即使在掌子面后退 30 mm 时，也未形成连续的破坏面。

• 渐进破坏阶段：
  研究确定掌子面后退过程分为三个不同阶段：

  1. 局部变形： 集中在掌子面附近。
  2. 渐进破坏： 位移区向上、向外扩展，伴随持续的地压释放。
  3. 残余稳定性： 支持压力趋于稳定，并形成连续的位移带。
     案例 D1 和 D2 在掌子面后退约 10 mm 时达到极限状态。

• 地压释放与支持压力：

  • 砂层中的地压释放显著大于粘层。例如，在案例 D1 中，砂层的应力释放率达到 66%，而粘层为 56%。
  • 破坏案例的极限支持压力分别为 12.7 kPa（D1，$C/D=0.8$）和 13.4 kPa（D2，$C/D=1.2$）。将 $C/D$ 从 0.8 增加到 1.2，极限支持压力仅增加了 5.5%，表明在此特定界面配置下，极限支持压力对覆岩深度的敏感性较低。
  • 案例 D3 和 D4（界面位于冠顶）在测试范围内未达到极限状态，其支持压力比始终保持在 0.85 以上。

• 数值验证：
  三维下限极限分析得出的极限支持压力与离心模型试验结果的偏差小于 10%（D1 为 −9.4%，D2 为 −4.5%）。数值模型成功重现了破坏特征，并证实了当粘层位于隧道下方时具有稳定作用。

• 临界覆岩直径比：
  参数化分析揭示了上部砂层内摩擦角（$\phi$）与实现从全局破坏向局部破坏转变所需的临界 $C/D$ 比之间存在强相关性。

  • 当 $\phi$ 从 15° 增加到 35° 时，临界 $C/D$ 从 2.20 降低至 1.10。
  • 通过线性回归建立了关系式：$(C/D)_{crit} = 3.02 - 0.056\phi$，判定系数 $R^2 = 0.995$。
  • 砂层中较高的剪切强度增强了土体拱效应，使得破坏带能在较小的覆岩深度下在掌子面前方闭合。

意义
作者指出，这些发现为确定砂粘复合地层中浅埋隧道掌子面支持参数以及评估全局破坏风险提供了参考。研究强调，土层界面位置是控制破坏模式的关键因素，且全局破坏向局部破坏的转变可以基于内摩擦角和覆岩深度进行定量预测。经过验证的下限极限分析法为识别类似复杂地层条件下的潜在屈服区和破坏模式提供了一种可靠的工具。