盾構施工軟巖變形地段綜合處置技術研究

楊俊哲（神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西榆林719315）

盾構施工軟巖變形地段綜合處置技術研究

楊俊哲（神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西榆林719315）

盾構施工過程中，盾構與圍巖之間的間隙非常有限導致盾構對圍巖變形的適應性較差。盾構開挖后軟巖變形會直接影響盾構掘進速度，嚴重時影響襯砌管片質量安全，因此，開展盾構施工軟巖變形地段綜合處置技術研究非常必要。本文采用理論分析與數值模擬相結合的方式，主要從以下三個方面著手進行研究：①利用巖體卸荷理論，結合神東補連塔煤礦斜井工程地質資料，建立大坡度斜井掘進力學模型；②構建三維反演分析模型，研究斜向條件下的盾構開挖及推進引起的卸荷效應；③根據理論分析及現場施工設備配置，提出軟巖變形地段盾構施工綜合處置技術。

盾構；軟巖；變形；綜合處置

1 引言

隨著國民經濟較高的發展速度，人們對地下深層資源的開發力度不斷加大。盾構因其具有較高的掘進速度、較好的環保效益以及較高的綜合經濟效益等優勢被廣泛應用于水利、隧道、水電等領域。但由盾構與圍巖間隙較小導致盾構對軟巖變形地層適應性較差的問題一直沒有得到有效解決。

2 軟巖變形規律分析

2.1 斜井盾構掘進力學模型

利用非連續的剛度遷移法模擬實際盾構在類似砂質地層中的推進過程，從而探討盾構和圍巖間的時空效應和傳遞規律。

盾構主體結構按照真實尺寸選取，為消除邊界效應的影響，將盾構四個方向按照3～5倍洞跨選取，三維模型尺寸為100m×100m×50m，共計39400個單元，42566個節點。盾構隧道開挖過程采用在開挖邊界上釋放節點荷載的方式進行模擬。計算中模擬隧道開挖時，根據采用有限元程序提供的“生”與“死”及材料參數變換功能進行處理，通過分次殺死單元和分次激活單元和變換不同位置的材料參數來模擬盾構隧道的掘進、管片拼裝的過程[1]，其有限元計算模型如圖1～2所示。

圖1 斜井整體計算模型

圖2 注漿體和管片支護計算模型

2.2 斜井盾構掘進圍巖變形塑性和卸荷區域分布

根據神華神東補連塔地質條件，繪制圍巖的塑性和卸荷區分布圖，如圖3所示。

從圖3及相關分析可知：

（1）監測斷面的拱頂和拱底處最大主應力（壓應力）在開挖面到達前約0.5D時開始被釋放，當被開挖時應力值急劇降低，在被支護后壓應力降低緩慢，并最終趨于穩定[2]。支護的及時封閉不僅有效控制圍巖變形持續發展，對圍巖的應力重分布調整起到促進作用，加快圍巖-支護系統的平衡。

圖3 斜井在不同掘進時間下圍巖的塑性和卸荷區域分布

（2）監測斷面拱腰處的最大主應力值是先增加再減小最后緩慢增加，即：在開挖面到達前約0.5D后增加，并在開挖時達到最大值，但隨著管片的支護，壓應力值又開始降低，降低速率逐漸變緩，最后受滲流的影響，拱腰處壓應力值緩慢增加。

（3）洞室圍巖塑性區域主要分布在洞室拱腰附近，呈X型分布。在斜井盾構掘進中，隨著洞室開挖深入，在洞室的拱頂、拱底及開挖面附近都出現了卸荷，卸荷率主要為40～60%，卸荷區域的體積呈直線增長。

（4）變形常規措施優化研究表明，斜井盾構掘進速率控制在3～5m/h之間為宜，及時施作管片和壁后注漿，形成封閉受力體系，能較好的控制圍巖因擾動引起的變形。

2.3 斜井盾構掘進過程圍巖擾動強弱關系

盾構掘進開挖過程中巖體擾動的效果同時反映在時間和空間上[3]。從時間效果上看，這種擾動并不是瞬時的，巖體受擾動后恢復需要經歷一定的時間，某一特定圍巖斷面伴隨盾構掘進進程的位移變化，這是累積效應在時間上的反映；從空間效果上看，這種擾動存在一定的有效范圍，擾動的能量聚集在有效范圍內，因此應同時選取不同斷面的圍巖變化規律綜合分析，這是累積效應在空間上的反映。巖體擾動的這種時間和空間效應，使得其效果可以累積，即巖體的最終狀態是由多次擾動累積而成的。目前對于圍巖變形規律，大多只關心開挖面通過后直至自然固結完成后的這一階段，對開挖面前方地層的擾動規律少有涉及，而預測盾構前方巖體擾動規律，對于施工進程控制具有積極的意義。

以上部圍巖為例，在開挖面前方較近距離處隆起的巖體會造成開挖面較遠距離的巖體損失或產生滑動破裂面，進而產生沉降，沉降值隨著掘進過程而累積增大，距離開挖面越遠的巖體，經過越長的時間擾動積累，因此累積效應越明顯，但存在影響范圍的極限值。而隆起部分的巖體距離開挖面很近，所以累積效應不明顯，因此可以認為若沒有這種累積效果，那么單純由巖體擠壓造成的圍巖隆起值是一定的，等到開挖面臨近時，隆起極值需扣除先前經過擾動累積的沉降值。

因此，在斜井上方巖體中，只要觀察開挖面前方巖體變形的最大值的變化規律，找出曲線趨于平緩的拐點，即可確定出累計效應的影響范圍。類似于圍巖上部巖體的分析方法，也可以確定出前方其他部位巖體的累計效應。但由于刀盤壓力對前方巖體的擠壓作用是向四周和前方擴散的，因此圍巖下部巖體需要觀察其巖體沉降的最大值，左側土體需要觀察其左偏的最大值，右側土體則是右偏的最大值。目前在數值模擬計算中，確定開挖面前方土體影響范圍的方法局限于對位移云圖的觀察，由于在很大程度上受觀察者的主觀因素影響，云圖所顯示的變化層次有限，所以觀察結果偏小。這里提出利用累積效應變化曲線來進行對比，為確定影響范圍提供了一種相對可靠的途徑。

3 軟巖變形地段斜井巷道設計

在盾構施工過程中，當由于各種原因需降低掘進速度或停機時，圍巖的快速擠壓變形可能會超過護盾與圍巖之間的預留變形量，甚至可能使護盾受到強烈擠壓，導致卡機事故的發生。圍巖變形還可能導致管片支護上的荷載持續增大，最終使管片破損[4]。試驗斜井主要穿越砂巖地層，但局部地段砂質泥巖分布，設計時需考慮軟巖大變形段的處理措施。

當盾構在軟巖地層中掘進時，為了防止盾構被卡等事故的發生，一般采取以下防治措施：①大多數盾構主機的刀盤都采用偏心設計使其能形成橢圓形的開挖斷面，同時刀盤邊緣一般都安裝有擴挖刀，因而都可通過適當超挖使盾殼與洞周開挖面的間隙盡量加大[5]，給圍巖變形預留足夠空間，保證管片安裝完成以前盾構能順利掘進；②還可以適當提高推進液壓缸壓力（由通常的9～12MPa提高到18～20MPa），使盾構快速通過軟巖地層；當一般的措施無法保證盾構安全通過擠壓地層時，則應采用超前注漿加固等措施提高圍巖的的整體性、承載能力和穩定性[6]。

應對軟巖變形的處置方法主要包括以下幾個方面：

（1）增大開挖斷面

工程實踐表明，在擠壓地層中適當增加盾構的擴挖量是首選的施工措施[8]。適當增加盾構的超挖量，增大護盾與圍巖間的空隙，一方面可使主機順利掘進，另一方面也給后期的管片安裝和圍巖加固等提供了條件，較大的空隙將更有利于豆礫石的吹填和灌漿。但過大的擴挖值會帶來較大的充填量，增大成本。因此需根據預估地層變形量，合理確定擴挖值。

（2）預留剛隙層

采用具有一定的空隙率、流動性和可壓縮性豆礫石對管片背后進行充填，當圍巖變形量增大時，豆礫石受圍巖和管片挾制發生流動壓實，在這個過程中軟巖的變形能得到了一定的釋放，但傳遞到管片上的荷載較少；而當變形量達到一定程度時，豆礫石很難被進一步壓實，此時圍巖的變形荷載便向管片上大量傳遞，管片則開始起到阻止圍巖進一步變形的作用，通過適當的調整管片安裝的程序同樣能夠達到“預留剛隙層”支護技術的效果。

（3）徑向錨固

在常規拼裝管片后，主要采取設置系統中空注漿錨索、加固圍巖，限制圍巖變形過大，威脅管片襯砌結構安全。設計應針對不同級別圍巖軟巖變形段采取不同支護加強參數。

4 軟巖變形地段盾構設備方案

4.1 軟巖變形地段盾構的針對性設計

合理化布置盾體設備，縮短盾殼長度，易于設備快速通過軟巖變形地段；盾體設計為前大后小的階梯遞減形，減小盾體因軟巖變形卡機風險，如圖4所示。刀盤開挖中心向上偏離盾體中心，保證掘進過程中盾構有向上“抬頭”的趨勢。根據盾體結構強度、主軸承承載和刀盤刀具布置，適當增加推進系統推力，提高快速通過軟巖變形地段的能力。根據刀具布置和地層條件，適當增加主驅動脫困扭矩，增在強軟巖變形地段坍塌卡刀盤的脫困能力。前盾底部設置千斤頂，中盾頂部設置穩定器，強迫主機“抬頭”。設備配置特點如下：

（1）盾構采用前大后小階梯遞減的設計，本工程中盾體由前盾、中盾、盾尾三部分組成，三者直徑相差15mm，有利于防止卡盾[7]；

（2）設計有盾構掘進擴挖系統，通過刀具墊塊厚度的改變可以實現斜井巷道的擴挖，最大擴挖量為50mm；加上超挖值160mm，盾殼外圍巖間隙最大可達210mm[8]；

（3）盾構配有適應快速掘進及強制脫困的強大推進系統，推進油缸規格：230/200-2300，油缸數量15對+4根，頂部A組2對+4根油缸，兩側B、C組各4對油缸，底部D組5對油缸，額定總推力42378kN，最大總推力49442kN。

圖4 前盾穩定器布置

4.2 盾構超挖刀具的選型配置

目前，刀盤的超挖裝置主要有兩種形式——伸縮式超挖和邊滾刀加裝墊片超挖。伸縮式超挖裝置需要一個液壓系統驅動，結構復雜，占用空間大，且刀具安裝方式為前裝式，若超挖刀具磨損后，前裝式安裝不易更換；加裝墊片超挖方式是通過在邊滾刀刀座上增加特制高度的墊片，從而改變邊滾刀的刀高，達到超挖目的，這種方式使用的刀具就是原有掘進滾刀，磨損后即可背部更換，使用方便。對比這兩種方式，由于盾構刀盤開挖距離長，因此優先采用邊滾刀加裝墊片形式實現超挖。

5 結論

以神華神東補連塔煤礦斜井工程為例，通過建立斜井盾構掘進力學模型、斜井盾構掘進圍巖變形塑性和卸荷區域分析、斜井盾構掘進過程圍巖擾動強弱關系對軟巖變形規律進行研究，得出以下結論：

（1）通過增大開挖面、預留剛隙層、徑向錨固等對斜井巷道進行有針對性的設計的方式作為應對盾構軟巖變形的處置方法；

（2）通過對盾構前大后小的階梯遞減設計、設置掘進擴挖系統、強大的推進系統以及設置盾構超挖刀具等盾構設備選型的方案作為應對盾構軟巖變形的處置方法。

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U455.49

A

2095-2066（2016）35-0208-02

2016-11-2

楊俊哲（1964-），男，博士，教授級高工。