盾構隧道穿越特殊地質圍巖位移向量趨勢線變形響應特征

劉秉峰， 張軍偉， *， 李 雪， 祝全兵， 任躍勤

(1. 西南石油大學地球科學與技術學院， 四川 成都 610500；2. 中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司， 四川 成都 610081)

0 引言

盾構法以其機械化程度高、對環境干擾小、地層適應性強等優點，自20世紀80年代以來得到了極快的發展[1]。但是隨著修建數量的快速增長，盾構所處的地層條件及掘進環境變得復雜多變，各種災害事故時有發生，如我國昆明掌鳩河引水供水工程[2]，盾構在穿越復合地層時被迫停機拆除，工期延誤1年多，直接經濟損失上億元，還有萬家寨引黃工程[3]、坪林公路隧道[4]、西凱斯爾特河隧道[5]等，其中大部分都是盾構穿越不良地質體時發生了卡機、涌水涌砂、塌方等工程事故，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。

有關研究表明，隧道三維位移變化情況可預測開挖面前方地質條件。W.Schubert等[6]提出了位移向量角α的概念，根據α角的變化和發展趨勢對開挖面附近一定范圍內巖體強度的變化進行預測； I.M.Lee等[7]研究了不同側向應力對隧道三維位移的影響； J.S.Jeon等[8]探討了初始應力狀態、隧道直徑等對α角的影響； 熊良宵等[9]研究了洞室形狀等對隧道圍巖位移的影響規律。

目前關于位移向量角的研究和應用多是在礦山法中，鮮有不良地質體對盾構隧道位移影響規律的研究。本文在借鑒國內外學者提出的隧道三維位移數據處理方法和隧道三維變形展示方式的基礎上，利用數值模擬方法探討不良地質體如軟(硬)巖層、斷層破碎帶、巖層產狀、溶洞、球狀風化體等對盾構隧道位移向量角α的影響及變化趨勢，以期為今后盾構隧道工程設計與施工提供參考。

1 位移向量角及趨勢線的概念

基于地質力學與監控量測數據間良好的對應關系，張宇等[10]和W.Schubert等[6]提出了位移向量角的概念，并在進一步的研究中發現拱頂處位移向量角的變化及其發展趨勢可以反映掌子面前方巖體強度變化的重要信息。位移向量角的計算公式為

(1)

位移向量角的計算方法參照圖1進行說明。將監測點布置在距掌子面為dz處，由開挖卸荷引起監測點處的垂直與軸向變形分量分別為S1和L1。當繼續向前開挖l長度后，掌子面后方dz+l處(即監測點處)的垂直與軸向變形分量變為S2和L2，可知隧道掘進l后，監測點處的垂直、軸向變形分量的變化分別為ΔS=S2-S1和ΔL=L2-L1，此過程所導致的位移向量轉變的角度為α，該α角是以測點為基準點和以鉛垂向下為基線，依順時針方向旋轉變化為負值；反之，為正值。需要說明的是，每一測試斷面均有一組位于開挖面后方dz+l處測點的位移向量角α，將各個斷面所測得的α角依次連接而成的曲線即為位移向量趨勢線，它所代表的含義是隧道掘進過程中軸向與垂直方向擠壓的變化情況。

當開挖面接近不良地質體(帶)時，隧道的軸向、垂直位移分量受開挖面前方不良地質體(帶)的影響，α角將偏離原本正常狀態(水平)，產生或正或負的變化。W.Schubert等[6]的研究結果表明，當隧道接近軟巖區時，應力主要集中在硬巖區內，軸向位移ΔL會增大，進而導致α變大；當隧道接近硬巖區時，則會出現相反的趨勢，即ΔL會減小，并導致α變小[6]。

(a) 開挖前

(b) 開挖后

有關研究[11]進一步表明，即使隧道開挖過程中變形量較小，α角仍然可預測開挖面前方1倍洞徑處的地質情況。因此，該方法能敏感地反映出地質構造差異所產生的位移變化。

2 計算模型及參數選取

2.1 計算模型

以下數值分析中隧道洞室形狀為圓形，直徑為 7.5 m，襯砌管片厚0.4 m。初始應力狀態設置為重力加載以模擬淺埋隧道，為減少計算量，取隧道的左半部分建模。模型如圖2所示。坐標軸原點設置在隧道的圓心處，隧道水平向為X軸方向，軸向為Y軸方向，垂直向為Z軸方向。為降低邊界效應，將模型的長、寬、高分別設為100、30、48 m。本文主要探討盾構穿越如下不良地質體(帶)時位移向量角的變化趨勢： 1)軟巖掘進至硬巖； 2)硬巖掘進至軟巖； 3)不同破碎帶寬度； 4)不同巖層產狀； 5)相鄰地層不同硬度比； 6)巖溶、空洞； 7)球狀風化體。

隧道施工按全斷面開挖，并在開挖面上施加一梯形分布的面力以模擬盾構施工。開挖面每次進尺為3 m，即2環襯砌管片寬度；混凝土襯砌管片采用C50混凝土強度。

圖2 隧道計算模型Fig. 2 Computation model of tunnel

2.2 巖石力學模型及屈服準則

數值模擬中，將圍巖材料按照彈塑性考慮，屈服準則采用Mohr-Coulomb準則，屈服函數如式(2)和式(3)所示。

(2)

ft=σ3-σt。

(3)

當巖體內某一點應力滿足fs<0時，發生剪切破壞；當應力滿足ft>0時，發生拉伸破壞。

2.3 巖體與支護力學參數

本研究中的巖體為均質各向同性材料，使用實體單元模擬并采用地質強度參數(GSI)區分不同巖體。其中，堅硬巖體GSI=50，中等強度巖體GSI=40，軟弱巖體GSI=30。

巖體的物理力學參數根據文獻[12]選取，如表1所示。

表1 巖體物理力學指標Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass

模型中混凝土襯砌單元也采用實體單元，并且是均質各向同性材料。根據文獻[12]選取混凝土襯砌的物理力學參數，如表2所示。

表2 混凝土襯砌物理力學參數

3 計算結果分析

以下數值分析中： 1)在均質巖體條件下，位移向量方位趨勢線略成一條水平線，稱之為“正常狀態”，并將此時的位移向量角α的值定義為平均值，即αave。以下數值分析中位移向量角α的大小等于α=α′-αave，其中α′為計算所得的位移向量角。2)隧道朝Y軸正值方向掘進，不良地質體(帶)均位于Y=50平面上。

3.1 軟巖區掘進至硬巖區

硬巖對位移向量趨勢線的影響如圖3所示。可以看出： 1)在距離硬巖20 m(約2.5B，B為隧道直徑)處，α角開始偏離正常狀態，變為負值，并隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現出明顯增大的趨勢； 2)當掘進至軟、硬巖層界面時，α角達到負值最大值； 3)開挖面進入硬巖，α角隨之減小，并在32 m(約4B)處再次呈現出水平趨勢； 4)在距離軟、硬巖層界面4～8 m(0.5B～1B)時，位移向量趨勢線出現波動，這是因為當隧道由軟巖向硬巖開挖時，由于軸向拱效應的影響，開挖面前方會產生應力集中的現象，且軸向拱效應主要以開挖面前方5 m(約0.625B)處為主要影響區； 5)當開挖面位于4～8 m(0.5B～1B)時，軸向拱效應恰好位于軟、硬巖層界面處，堅硬巖體可承受較大應力而不易發生變形，同時，施加在開挖面上的盾構推力會限制軸向變形，進而導致α值出現波動。

3.2 硬巖區掘進至軟巖區

軟巖對位移向量趨勢線的影響如圖4所示。可以看出： 1)盾構隧道由硬巖掘進至軟巖時位移向量角的變化趨勢與盾構隧道由軟巖掘進至硬巖的趨勢線相反； 2)在距離硬巖區20 m(約2.5B)處，α角開始偏離正常狀態，變為正值，并隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現出明顯增大的趨勢； 3)當掘進至巖層分界面時，α角達到正值最大值； 4)開挖面進入軟巖時，α角隨之減小，并在32 m(約4B)處再次呈現出水平線的趨勢； 5)在距離軟、硬巖層界面4～8 m(0.5B～1B)時，位移向量趨勢線出現波動，這是因為當隧道由硬巖向軟巖開挖時，由于縱向拱效應的影響，開挖面前方會產生應力集中的現象，軟弱巖層通過變形來承受較大應力，同時，施加在開挖面上的盾構推力會限制軸向變形，進而導致α值出現波動。

圖3 硬巖對位移向量趨勢線的影響Fig. 3 Influence of hard rock on displacement vector trend line

圖4 軟巖對位移向量趨勢線的影響Fig. 4 Influence of soft rock on displacement vector trend line

對比圖3和圖4可以看出: 雖然在均質巖體(硬巖、軟巖)中的位移向量趨勢線均呈水平狀態，但硬巖與軟巖的位移向量趨勢線不在同一水平線上，這是由于不同巖體之間物理力學性質差異引起的。

3.3 斷層破碎帶寬度

在此算例中，斷層破碎帶的寬度分別為10 m(1.25B)、20 m(2.5B)和30 m(3.75B)，將完整巖體設置為硬巖，將斷層破碎帶處的巖體設置為軟巖。相關物理力學參數如表1和表2所示，計算結果如圖5所示。

本算例中α角的變化趨勢與上述2個算例中α角的變化趨勢有一定相似之處，均質巖體掘進至斷層破碎帶可視為硬巖掘進至軟巖，而斷層破碎帶掘進至均質巖體可視為軟巖掘進至硬巖。

圖5 斷層破碎帶寬度對位移向量趨勢線的影響

Fig. 5 Influence of width of fault and fracture zone on displacement vector trend line

由圖5可以看出： 1)當開挖面距離斷層破碎帶20 m(2.5B)處，α角開始偏離正常狀態，雖然斷層破碎帶的寬度不同，但α角的變化都是在距斷層破碎帶相似距離處開始的； 2)隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現出明顯增大的趨勢； 3)當掘進至均質巖體與斷層破碎帶界面時，α角達到正值最大值； 4)開挖面進入斷層破碎帶時，α角隨之減小，并在斷層破碎帶與均質巖體界面處達到負值最大值，最終在距界面32 m(約4B)處再次呈現出水平線的趨勢。

綜上分析可知，斷層破碎帶的寬度對α角的影響主要體現在以下2點： 1)隨著斷層破碎帶寬度的增加，α角的正值最大值與負值最大值均有所增加。2)當開挖面進入斷層破碎帶后，斷層破碎帶越窄，α角的減小幅度越大； 斷層破碎帶越寬，α角的減小幅度越小。

3.4 巖層產狀

在前面所述算例中，地層界面均是垂直于隧道軸線的，而在實際中，根據地質條件的復雜程度，地層界面可以處于任何角度。在此算例中，研究了與水平面呈45°和90°的巖層傾角對位移向量角的影響。

巖層產狀對位移向量趨勢線的影響如圖6所示。可以看出： 1)當巖層傾角與水平面呈45°夾角時，在距離硬巖32 m(約4B)處，α角開始偏離正常狀態，變為負值，略早于90°傾角，并隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現出明顯增大的趨勢； 2)當掘進至巖層界面時，α角達到負值最大值，但其變化幅度及負值最大值均小于90°傾角算例； 3)開挖面進入硬巖時，α角隨之減小，并在32 m(約4B)處再次呈現出水平線的趨勢，其α角的值小于90°傾角的值。

圖6 巖層產狀對位移向量趨勢線的影響

3.5 相鄰地層強度比

相鄰地層強度比對位移向量角的影響趨勢線如圖7所示。可以看出： 1)當隧道由軟巖掘進至中等強度巖體區域時，在距離硬巖區12 m(約1.5B)處,α角開始偏離正常狀態，變為負值，略晚于隧道由軟巖掘進至硬巖時的20 m(2.5B)處，并隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現出明顯增大的趨勢; 2)當掘進至軟、硬巖層界面時，α角達到負值最大值，但仍小于隧道由軟巖掘進至硬巖時的負值最大值; 3)開挖面進入硬巖，α角隨之減小，并在32 m(約4B)處(即X=4B處)再次呈現出水平線的趨勢。

圖7 相鄰地層強度比對位移向量趨勢線的影響

Fig. 7 Influence of strength ratio of adjacent strata on displacement vector trend line

3.6 巖溶、空洞

本算例中，主要研究巖溶、空洞的尺寸對位移向量角的影響，首先考慮巖溶、空洞尺寸不超過盾構直徑時的情況，假設其尺寸分別為4 m(0.5B)、6 m(0.75B)和8 m(1B)，巖溶、空洞與隧道軸線的交點位于Y=50處，在此算例中將巖體設置為GSI=50，巖溶、空洞等設置為空模型。

巖溶、空洞對位移向量趨勢線的影響如圖8所示。可以看出： 1)當開挖面距離巖溶空洞8 m(約1B)時，α角迅速增大； 2)在間距為4 m(約0.5B)處達到正值最大值； 3)隨著間距的減小，α角迅速減小，當開挖面抵達巖溶空洞時，α角達到負值的最大值。

圖8 巖溶、空洞對位移向量趨勢線的影響

Fig. 8 Influence of karst and void on displacement vector trend line

當巖溶直徑大于盾構直徑，此時盾體與巖土體分離，難以獲取α值的變化。隨后，開挖面通過巖溶、空洞區域，α角迅速變為正常狀態并呈一水平線。由此可知，當盾構在巖溶發育地區掘進時，應更加密切地關注α角的變化。

3.7 球狀風化體

在此算例中，研究球狀風化體的尺寸對位移向量角的影響，其尺寸分別為4 m(0.5B)和6 m(0.75B)，球狀風化體與隧道軸線的交點位于Y=50處，并將巖層設置為GSI=30，球狀風化體設置為GSI=50。

球狀風化體對位移向量趨勢線的影響如圖9所示。可以看出： 1)隨著球狀風化體直徑的增大，α角將更早地偏離正常狀態，呈現出波動上升的趨勢； 2)在距離球狀風化體4 m(0.5B)附近達到正值最大值，隨后迅速下降，并在X=0.5B處達到負值最大值，最終逐漸回歸到正常狀態。

圖9 球狀風化體對位移向量趨勢線的影響

Fig. 9 Influence of spherical weathered body on displacement vector trend line

對比圖8和圖9可以看出： 巖溶、空洞、球狀風化體的直徑對位移向量角的變化幅度有較大影響，當直徑較小時，其α角的正值最大值與負值最大值的差值較小，隨著直徑的增加，其差值迅速變大。

4 結論與建議

1)盾構由軟巖向硬巖掘進時，位移向量趨勢線逐漸下降，α角在地質界面處達到負值最大值；反之，位移向量趨勢線逐漸上升，α角在地質界面處達到正值最大值。因此，可通過α角的變化趨勢預測預報開挖面前方巖土體強度。

2)隨著破碎帶寬度的增加，位移向量趨勢線呈現出規律性變化。破碎帶越寬，開挖面在地質界面處α角的值越大，但其降低幅度越緩慢。

3)傾角越陡，α變化越早，變化幅度較小； 反之，α變化越晚，變化幅度較大。

4)相鄰地層強度差異越大，位移向量趨勢線變化越明顯。

5)當開挖面掘進至距離巖溶、空洞1倍洞徑時，α角開始變化。在巖溶發育區，應密切關注α角的變化。

6)隨著球狀風化體直徑的增加，α角的變化越早且變化幅度越大。

本文僅是在自重應力場下進行的單線盾構隧道建模計算，若在分析中充分考慮隧道埋深、構造作用、地下水等因素，則計算結果將更加接近現實中盾構隧道開挖引起的三維變形情形。若采用雙線、非直線方式模擬，則其計算結果將與本研究結果有所差異，值得進一步研究和探討。