廣州上軟下硬復合地層中盾構隧道施工影響分析

周力軍,張孟喜,王 維,呂 巖,韓佳堯,張 靖

(1.上海大學土木工程系,上海 200444； 2.中鐵二十局集團有限公司,廣州 511400)

隨著城際鐵路與地鐵交通的快速發展，盾構法已普遍應用于各類隧道建設中。在有著地質博物館的珠三角地區，廣泛存在著軟硬不均的復合地層，對盾構順利推進造成了一定的阻礙。在不同軟硬巖復合高度比地層中盾構施工進度緩慢，盾構參數設置不合理會造成地面沉降過大和隧道管片上浮等情況，從而危及地面構筑物與隧道自身安全[1-5]。

國內外學者對復合地層中盾構法施工進行了一定的研究，文獻[6-9]利用現場實測與理論計算的方法，對復合地層中盾構施工對地表沉降的影響進行了一定分析。文獻[10-12]對上軟下硬復合地層中盾構施工給出了一定的施工建議。文獻[13-14]對復合地層中盾構掘進的施工力學特性進行了研究。但是以上研究對象是針對籠統含義上的復合地層，未對復合地層進行細分。依托廣州佛莞城際鐵路長隆站—番禹大道站區間盾構隧道工程，對復合地層采用不同軟硬巖復合高度比的概念進行劃分，從現場實測數據與有限元計算結果出發，研究了不同軟硬巖復合地層中盾構法施工對地表沉降與隧道上浮的影響規律，結合實際精細化施工需要，給出了一定的施工建議。

1 工程背景

1.1 工程概況

佛莞城際鐵路長隆站—番禹大道站區間盾構隧道分為左、右兩線，兩線間距22～24 m。區間隧道約3970 m長，隧底高程平均按-6 m計。隧道掘進選用2臺φ8.8 m土壓平衡式盾構機，配以泡沫系統、同步注漿系統，最大掘進速度60 mm/min。隧道采用拼裝式混凝土襯砌管片，管片1.6 m/環，厚400 mm，外徑8.5 m，內徑7.7 m。為減小左右線盾構施工相互影響，采用雙線分離式施工，右線先行施工約84環，盾構頂部覆土15～25 m。

1.2 工程地質條件

區間場地類型屬典型的三角洲沖積平原地貌，地表主要分布為山地及荒地。沿線地層大致分成填土、可塑粉質黏土、全風化二長花崗巖、強風化二長花崗巖四層。盾構隧道斷面需穿越不同軟硬巖復合高度比的復合地層(圖1)，工程地質條件較差，隧道右線地質剖面如圖2所示。

區間場地地表水主要發育于寬緩谷地的低洼地段，零星分布，距離隧道較遠，主要分布于地表素填土與可塑粉質黏土中，地表水對工程基本無影響。地下水主要為基巖裂隙水，存在于中、微風化帶，且地下水量貧乏，距盾構隧道較遠，故可不考慮地下水與土體的耦合作用。

1.3 工程難點

(1)地層多樣性：隧道斷面地層地質多樣，既存在全軟巖(全風化花崗巖)地層，又存在全硬巖(強風化花崗巖)地層，還存在不同軟硬巖復合比例的上軟下硬地層，地層多樣性導致掘進參數控制較復雜。

(2)盾構姿態控制：在上軟下硬復合地層中盾構機有“欺軟怕硬”的特性，即盾構機掘進中會向較軟地層一側出現上偏的特性，導致隧道上浮。所以在不同軟硬巖復合比地層中，盾構姿態控制極其重要。

(3)土倉壓力及出土量合理控制：在不同軟硬巖復合比地層中，土倉壓力與出土量的合理調整極其重要。例如在全斷面硬巖地層中開挖面自身較穩定(圖3)，刀具破巖出渣過程中磨損較嚴重。如土倉壓力設置偏大，會加劇刀具磨損，土倉壓力設置較小地表沉降會增大。通過出土量與掘進速度準確校核，能有效預防超挖。

圖3 硬巖地層開挖面刀具與破巖出渣

2 ABAQUS三維有限元數值模擬

2.1 地層復合高度比的概念

在上軟下硬地層中，刀盤開挖面會遇到不同高度比例的軟、硬復合地層(圖4)，為了對不同比例軟硬復合地層進行分析，從而定義軟硬巖復合高度比B與軟硬巖復合面積比B′的概念[15]。

圖4 佛莞城際鐵路盾構區間復合地層示意

地層軟硬巖復合高度比B是指隧道斷面軟弱地層高度h與隧道斷面土層總高度H的比值，計算見公式(1)。軟硬巖復合面積比B′是指隧道開挖斷面軟弱地層面積S′與隧道開挖斷面面積S的比值(也可由B換算得到)。

(1)

式中，B為地層軟硬巖復合高度比；h為軟巖高度；H為隧道斷面土層總高度。

2.2 選取盾構隧道典型斷面

由于隧道右線先行施工，且左右線盾構開挖面相距約134 m，影響較小。本文主要研究不同軟硬巖復合高度比地層中盾構掘進對隧道上浮及地表沉降的規律，為提高分析效率，所以可僅考慮右線隧道施工。

在盾構穿越不同地層情況中，選取5個埋深約20 m的典型斷面，其分別位于右線1 272環、1 322環、1 346環、1 371環和1 395環。其中1 272環位于全斷面風化巖地層中(軟巖)，1 322環、1 346環、1 371環位于不同軟硬巖復合高度比的復合地層中，1 395環位于全斷面硬巖地層中。相應斷面對應的B值分別為1、0.75、0.5、0.25、0(換算成軟硬巖復合面積比B′的值相應為1、0.805、0.5、0.195、0)，如圖2、圖4所示。

2.3 有限元三維模型的建立與參數選取

依據選取的5個典型斷面，結合工程地質勘查資料，采用ABAQUS有限元計算軟件，分別構建5種不同復合比地層下三維有限元模型，進行模擬計算。模型幾何尺寸為85 m(x)×60 m(y)×96 m(z)，新建隧道長96 m，直徑8.5 m，環寬1.6 m，環厚400 mm。模型邊界條件：所有側面限制其法向位移，底面設置為全約束，上表面為地表，以保證模型豎向變形不受邊界條件影響，建立的模型如圖5所示。

圖5 三維有限元計算模型(單位：m)

巖土體與混凝土襯砌管片采用實體單元C3D8R，模型共計21 000個單元。巖土本構模型采用Mohr-Coulomb模型，物理力學參數見表1。巖土體與襯砌管片之間的接觸面采用綁定接觸，襯砌管片(C50混凝土)根據規范彈性模量取為30 GPa，泊松比取為0.2。利用等代層[16]模擬盾構注漿過程，考慮盾尾空隙與土層性質，取等代層厚度為0.1 m。

表1 巖土物理力學參數

2.4 盾構施工模擬

盾構施工模擬：①第1步“殺死”隧道前方巖土，施加土倉壓力穩定開挖面，模擬盾構開挖過程；②第2步考慮盾構機身因素，等代層材料設置為盾殼參數。③第3步激活襯砌單元，模擬盾尾管片拼裝過程；④第4步激活彈性模量為0.58 MPa的漿液等代層單元，并在洞身單元面上均布徑向注漿壓力，模擬盾尾注漿；⑤第5步漿液初步硬化，彈性模量增至6.8 MPa；⑥第6步中漿液充分硬化，漿液彈性模量增至23 MPa，模擬盾尾脫離過程；⑦依次推進重復開挖下一環。其簡化流程如圖6所示。

圖6 盾構施工模擬簡化流程

3 數值模擬結果與監測數據分析

3.1 地表沉降規律

隧道1 272環、1 322環、1 346環、1 371環及1 395環處分別是隧道斷面軟弱地層高度占隧道斷面總高度的比值為1、0.75、0.5、0.25、0時的5個典型斷面。

由圖7(a)可知，1 277環處B=1(全斷面軟巖地層)時，地表沉降槽口最大，影響范圍約3.5D(D為隧道直徑)。地表最大沉降值為13.5 mm，其值在5個典型斷面中最大。

在上軟下硬復合地層中，當B分別為0.75、0.5、0.25時，由圖7(a)可知，隨著地層軟硬巖復合高度比B值的減小，地表沉降槽寬度也隨之變小，地表影響范圍在3D～3.5D。地表沉降最大值分別為11.8、9.7、9.3 mm，可以看出當地層軟硬巖復合高度比B值減小時，地表沉降值將隨之減小。

B=0(全斷面硬巖地層)時，1 395環處地表沉降槽口寬度最小，地表沉降槽寬度影響范圍約為3D。地表沉降最大值為8.2 mm，其值在5種不同軟硬巖復合高度比地層中最小。

取1 272環、1 322環、1 346環、1 395環4個典型實測斷面(對應的軟硬巖復合高度比B值分別為1、0.75、0.5、0)，將地表沉降實測值與數值模擬值進行對比驗證。如圖7(b)～圖7(e)所示，4個典型斷面工程實測值與模擬值吻合程度較高，且符合隨著軟硬巖復合高度比B值的增大，地表最大沉降值隨之增大的規律，驗證了該有限元模型數值計算的正確性與適用性。

圖7 地表沉降曲線分析與工程實測結果驗證

3.2 隧道上浮變形規律

圖8表示的是盾構掘進至96 m時，新建隧道隧底上浮曲線?？梢钥闯?，在0～70 m區間內，由于注漿及漿液硬化作用已完成，隧道上浮量已趨于穩定，基本呈直線狀。而70～96 m區間內，因為漿液硬化作用具有一定的時效性，所以隧道上浮仍未穩定，呈曲線狀。

圖8 不同軟硬巖復合高度比地層中隧底上浮曲線

當B=1(全斷面軟巖地層)時，隧道上浮變形值較大，穩定后為9.5 mm。主要是因為，軟巖地層中隧道圍巖強度底，為了保證圍巖穩定，必須控制好注漿壓力與注漿量，軟巖地層相對注漿量較大，硬化作用時間長，盾尾空隙依靠同步漿液填充達不到立刻穩定隧道的要求，所以其隧道上浮量相應比較大。

在上軟下硬復合地層中，當B分別為0.75、0.5、0.25時，隧道上浮變形值分別為7.6、6.3、3.9 mm，介于B=0與B=1之間。由圖8可知，當軟硬巖復合高度比B值減小時，隧道上浮量也隨之減小。

當B=0(全斷面硬巖地層)時，隧道上浮變形較小，穩定后僅為2 mm。主要是因為，硬巖地層隧道圍巖強度高，注漿量相對減少，漿液硬化作用時間減少，隧道上浮量相應會偏小。

由于隧道整體呈上浮趨勢，施工中根據不同軟硬巖復合比地層中隧道上浮趨勢的不同，對盾構姿態進行相應調整。將盾構高程姿態控制在設計軸線以下2～9 mm進行了相應的調低，避免隧道穩定后上浮量過大。長隆站—番禹大道站區間隧道工程中施工，采取措施后隧道上浮量均保持在5 mm內。

4 復合地層中盾構施工措施

針對佛莞城際鐵路長隆站—番禹大道站區間盾構隧道工程難點，根據前文的分析，提出了相應的施工技術措施，主要包括以下4方面內容。

4.1 軟巖地層施工措施

由3.1節與3.2節分析可知，在全斷面軟巖地層中(B=1時)，隧道上浮量與地表沉降曲線數值均較大，所以施工中主要控制重點是采取措施控制隧道上浮與地表沉降。

(1)啟動保壓模式掘進，確保盾構開挖穩定，并減小地面沉降量。

(2)結合數值計算及現場監測情況，將盾構高程姿態控制在設計軸線以下約9 mm，控制隧道上浮。

(3)合理控制注漿壓力，確保同步注漿質量，并及時采取二次補充注漿，確保盾尾空隙填充豐滿，減小地表沉降值及隧道上浮值。

4.2 硬巖地層施工措施

由3.1分析可知，在全斷面硬巖地層中(B=0時)，因為盾構施工中開挖面較穩定，且隧道上浮量與地表沉降均較小，所以工程中主要控制重點是采取如下措施保護刀具，減小磨損量，延長刀具使用壽命。

(1)對刀具形式進行優化設計。

(2)采用欠壓模式掘進，可以減小刀盤扭矩、提高掘進速度，減小刀具磨損量，從而保護刀具。

(3)采用泡沫劑進行渣土改良，提高土粒壓縮性能，提高掘進速度，以達到減小刀具磨損量的目的。

4.3 不同軟硬巖復合比地層施工措施

(1)根據盾構隧道在不同復合地層中相應上浮趨勢特征，將盾構高程姿態控制在設計軸線以下3～6 mm，并結合現場實測對盾構姿態實時調整，確保隧道上浮值在控制要求內。

(2)采用保壓模式掘進，保證開挖面穩定。根據實測結果實時調整土壓力，確保上部軟巖地層的穩定與盾構施工安全。

(3)向土艙內注入泡沫劑或膨潤土改良渣土，增加土體流動性，防止出現“泥餅”現象。

4.4 工程實際效果

實際工程中針對不同地層采取不同施工措施后，盾構每次換刀掘進距離可達130環以上，每月掘進約200 m。最終隧道上浮量控制在5 mm以內，地面沉降值普遍小于10 mm，軟巖地層中沉降最大值也保證在15 mm內。

5 結論

針對佛莞城際鐵路長隆站—番禹大道站區間盾構隧道工程難點，結合有限元計算及工程實測結果進行分析，得出如下結論。

(1)在上軟下硬復合地層中，盾構施工對地表沉降影響具有較大的差異，B值越大，地表沉降值也越大。B=1與B=0時相比，地表沉降最大差值為5.3 mm。

(2)在上軟下硬復合地層中，盾構施工對隧道上浮量也具有明顯差異，B值越大，隧道上浮值也越大。復合比B=1與B=0時相比，隧道上浮值相差7.5 mm。依據不同軟硬巖復合高度比地層中隧道上浮趨勢的差異，工程中對盾構姿態進行相應的調低，有效地控制了隧道上浮量。

(3)根據不同B值地層中盾構施工影響分析，給出了相應的施工措施。B=0(全斷面硬巖地層)時，以控制刀盤磨損為主，采用欠壓模式等施工方式。B=1(全斷面軟巖地層)時，以控制隧道上浮、地表沉降及開挖面穩定為主，采用了保壓推進、合理注漿、調整盾構姿態等施工措施。