地鐵盾構穿越斷層施工力學響應研究

田 寧

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 25002)

1 工程概況

沈陽地鐵1號線云沈盾構區間下穿斷層帶，地層松散，覆土厚度小，盾構施工穩定性較差，并且穿越斷層破碎帶，有較大的施工風險及隱患。長達400m長區段盾構掘進下穿，易形成地層過大擾動、影響地面行車安全。由于下穿地層不均勻，極易導致襯砌管片的縱向不均勻變形而損壞管片結構。

2 建立模型及參數

以沈陽地鐵1號線云沈盾構區間為研究背景，采用FLAC3D三維程序，計算范圍取縱向100m，其中，中風化泥灰巖30m、斷層40m、微風化泥灰巖30m;水平方向長度約為70m，垂直方向隧道底部以下25m，模型上表面取至拱頂18m，盾構直徑3m。

圍巖參數根據沈陽地鐵1號線云沈盾構區間巖土工程勘察規范，具體計算參數如表1所示，巖體本構模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型。

表1 圍巖物理力學參數

按抗彎剛度等效的原則，管片作為一個等效體，并采用彈性三維實體單元進行模擬，具體物理力學參數見表2。

根據可研階段初步地應力反演結果:σx(垂直隧道軸線水平方向)=σy=208.3 kPa(平行軸線水平方向)、σz=387.0 kPa(豎直方向)，左、右邊界及下邊界法向約束，上邊界為地表。

3 數值模擬結果與分析

隧道空間效應的力學闡釋可以認為由于隧道作業面對其附近圍巖的“虛擬支撐”作用，圍巖和管片相互作用，最終達到平衡。

3.1 圍巖變形特性分析

隨開挖面的不斷向前推進，圍巖變形隨距作業面距離的加大而逐步釋放。

(1)地表變形

盾構施工穿越中風化泥灰巖、斷層及微風化泥灰巖，施工結束后，地表沉降曲線如圖1所示。

圖1 地表沿縱向沉降曲線

在評價隧道穩定性時，變形是重要數據之一。從圖1看出，最大沉降發生在斷層區段，地表沉降發生不均勻對稱，最大沉降達2.6 mm，小于規范標準，地表變形很小，地層相對安全，圍巖穩定性較好，不會引起塌方等不穩定事故。

施工結束后，地表橫向沉降曲線如圖2所示。

圖2 不同下臥層地表沉降槽曲線

從圖2看出，模型兩端的中風化泥灰巖和微風化泥灰巖地表沉降相對很小，橫向沉降也集中于斷層地段，呈現對稱趨勢，橫向有效影響范圍為20m，相當于3倍洞徑。

盾構掘進施工結束后，圍巖豎向、水平總體變形如圖3所示。

圖3 整體變形云圖(單位:m)

從圖3中看出，圍巖變形主要集中在斷層范圍內，其位移明顯要大于周圍巖土體。豎向變形主要發生在斷層中間位置，而水平變形主要發生在地層變化接頭處，容易引起管片的錯位破壞，因此要加強設計參數，從而控制最終的變形，有利于管片襯砌整體穩定性。

3.2 工作面核心土體擠出變形

20世紀80年代初，意大利Pietro Lunardi教授將隧道開挖過程中的變形效應通過三維空間進行分析，并輔之以大量的理論和試驗研究，提出巖土控制變形分析(ADECO-RS)工法，其本質為工作面預變形對隧道圍巖最終變形影響很大，并且將之運用于隧道設計施工中。該工法把主要的注意力放在工作面前方一定范圍內圍巖的穩定上，通過控制工作面前方圍巖的變形，來減小隧道開挖后圍巖的變形，施工過程中盾構端頭到達不同位置工作面擠出變形如圖4所示。

由圖4看出，工作面變形明顯，盾構端頭到達中風化泥灰巖和微風化泥灰巖分界面時，工作面向工作面后方擠出變形最大為34 mm，說明推力過小，應適當加大。盾構端頭到達斷層中間位置，工作面向前擠出9 mm，說明推力過大，應大幅度減小。盾構端頭到達斷層和微風化泥灰巖分界面，工作面基本不發生變形，說明推力應該略有減小。

圖4 施工工程中工作面擠出變形云圖

工作面到達不同位置時，工作面前方深部圍巖沿縱向變形曲線如圖5所示。

圖5 工作面前方深部水平巖體擠壓變形

從圖5可以看出，工作面穿越不同巖層前方深部水平巖體擠壓變形差異較大，最大的發生在工作面到達中風化泥灰巖和微風化泥灰巖分界面，結論與圖4類似。

3.3 襯砌管片變形特性

盾構穿越斷層，必然導致襯砌管片不均勻變形，施工結束后，管片拱頂、邊墻及仰拱徑向變形如圖6所示。

圖6 管片結構變形沿縱向變化曲線

從圖6看出，襯砌下沉邊墻和拱底基本對稱，而拱頂下沉沿縱向不對稱，并且位移突變影響范圍為斷層內10m左右，而對于兩端硬巖基本沒有影響。因此，要對分界處的圍巖進行處理，有效加固范圍為斷層內10m地層。

3.4 襯砌管片力學響應

盾構穿越不均勻地層，必然導致襯砌管片不均勻變形，拱頂管片襯砌縱向應力和最小主應力如圖7所示。

從圖7看出，拱頂應力沿縱向很不均勻，地層的物理力學性質的突變，使得縱向應力和最小主應力發生突變。縱向應力峰值發生在斷層中央，而最小主應力峰值發生在斷層與硬巖接頭處。

仰拱管片襯砌縱向應力和最小主應力如圖8所示。

從圖8看出，仰拱襯砌管片應力沿縱向很不均勻，由于施工順序的影響，縱向應力峰值出現在中風化泥灰巖和斷層分界面，之后，逐漸減小;而最小主應力在不同地層接頭處發生突變，宜加大分界位置附近的襯砌管片及連接螺栓的強度。

圖7 管片結構拱頂位置沿縱向受力分布曲線

圖8 管片結構拱底沿縱向受力分布曲線

4 結束語

結合盾構穿越斷層掘進全過程力學行為，針對沈陽地鐵云沈區間工程，研究地層及管片的變形特性、力學響應，得出如下主要結論:

(1)軸向地表最大沉降呈非對稱分布，最大沉降達2.6 mm，小于規范標準。橫向沉降也集中于斷層地段，呈現對稱趨勢，橫向有效影響范圍為20m，相當于3倍洞徑。洞周變形主要集中在斷層范圍內，其位移明顯要大于周圍巖土體。豎向變形主要發生在斷層中間位置，而水平變形主要發生在地層物理性質突變處，易導致管片錯位破壞。

(2)工作面穿越不同巖層前方深部水平巖體擠壓變形差異較大，最大的發生在工作面剛到達斷層，峰值為34 mm，說明推力過小，工作面前方有效加固距離為6m。盾構端頭到達斷層中間位置，工作面向前擠出9 mm，說明推力過大。盾構端頭到達斷層和微風化泥灰巖分界面，工作面基本不發生變形，說明推力應該略有減小。

(3)砌管片邊墻和仰拱基本對稱，而拱頂下沉沿縱向不對稱，變形突變影響范圍為斷層內10m左右，對于兩端硬巖管片變形基本沒有影響，宜加強斷層10m范圍內管片襯砌設計參數。

(4)地層的物理力學性質的突變，使得縱向應力和最小主應力發生突變。拱頂縱向應力峰值發生在斷層中央，而最小主應力峰值發生在斷層與硬巖接頭處。仰拱襯砌管片應力沿縱向很不均勻，縱向應力峰值發生在中風化泥灰巖和斷層分界面，然后逐漸減小;而最小主應力在不同地層接頭處發生突變。因此，宜加大分界位置附近的襯砌管片及連接螺栓的強度，提高管片襯砌整體穩定性。

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