盾構原位拆解附加荷載對管片結構和圍巖的影響研究

李 策， 梁敏飛, 蘇 昂

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

隨著我國的煤炭資源開采深度逐漸加大，深部煤礦建設逐漸向大型化、集約化和現代化趨勢發展，目前普遍采用的鉆爆法和綜掘機已經難以滿足工期、施工安全和成本控制的要求。因此，具有多方面綜合優勢的TBM施工方法越來越多在煤礦工程中被采用[1]。在盾構機完成掘進任務，進行TBM拆解過程時，由于刀盤縱向卸載、盾體自重橫向卸載以及隧道頂部吊點局部附加荷載等對管片結構的影響[2]，進而影響到圍巖的穩定性。

針對盾構原位拆解的研究，常用的室內實驗、現場測試和理論推導等研究方法已經不再適用。目前在拆解和吊裝技術方面，羅垠[3]基于廣州軌道交通三號線市橋～番禺廣場隧道區間工程，論述了盾構掘進機在完成掘進任務后的拆解以及吊裝工藝。鄒春華等[4]以某煤礦斜井雙模式盾構施工為背景，對盾構無擴大硐室原位拆解關鍵部件—螺旋輸送機的分體拆卸和完整拆卸兩種施工方案進行分析，最終采用分體拆解方案。申智杰[5]針對廣深港客專獅子洋隧道大直徑泥水平衡盾構洞內解體拆機的難點和風險，對盾體和主軸承等大型部件的解體拆卸技術進行了重點闡述。李守彪等[6]結合我國首個盾構施工煤礦斜井，對大埋深煤礦長斜井盾構拆解施工方案進行了比選，并對斜井原位盾構拆解進行了詳細論述。張社軍[7]結合盾構施工斜井工程要求和盾構地下拆解施工條件，介紹了盾構大型關鍵部件進行完整拆解技術研究。王宇飛[8]針對盾構機大型部件拆解尺寸和重量及地下拆解施工條件要求，對盾構機原位無擴大硐室內拆機工裝進行分析設計。

但是以上研究都沒有涉及盾構原位拆解對管片結構及圍巖的影響，目前彭祖昭等[9]依托某礦井主斜井工程，通過數值模擬手段，探索了盾構原位拆解中縱向卸荷對管片結構和圍巖的影響規律，并提出相應的加固措施。值得注意的是目前對盾構拆解時在隧道頂部吊點施加局部附加荷載對管片結構和圍巖穩定性影響的研究較少。

鑒于此，本文以新街臺格廟礦區1號礦井主斜井工程為背景，采用基于有限差分法的專業軟件FLAC3D模擬了盾構拆解過程中對隧道吊點施加豎向荷載的力學過程，分析隧道結構和圍巖所受到的影響，同時對選取的支護加固方式進行評價。

1 工程概況

新街臺格廟礦區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市境內，礦區規劃總面積771.0 km2，橫跨伊金霍洛旗和烏審旗兩個行政區，可采煤層埋藏深度519～919 m，礦區地理位置見圖1。本文所依托的工程為新街臺格廟礦區一號礦井的主斜井，該斜井工法采用具有土壓平衡模式和單護盾TBM模式兩種掘進模式的雙模式TBM，下文簡稱TBM。斜井分為明槽段和TBM掘進段，其中TBM掘進段總長度為6 402.7 m，縱向坡度為-10.5 %，埋深688 m，自上而下依次穿越第四系、白堊系和侏羅系安定組、直羅組與延安組。盾構拆解位置處的埋深為690.3 m，地層主要以砂質泥巖、中粒砂巖、粗粒砂巖以及細粒砂巖與泥巖互層為主，屬于Ⅴ-Ⅳ類圍巖，為不穩定巖層～中等穩定巖層，本文通過對拆階段地質勘探資料進行分析，得到了盾構拆解所在地層的地應力場情況，見表1。

圖1 新街臺格廟礦區平面位置

巖性取樣位置/m上覆地層壓力最大水平主應力最小水平主應力細砂巖168.00～188.000.4030.1130.078砂質泥巖416.95～434.300.990.2790.228砂泥巖互層530.00～542.001.3580.3810.338粗砂巖562.50～606.001.00.2980.255

盾構拆解過程中，需要在隧道頂部設置吊點，為盾構機拆解過程中提供工作條件，在本工程中，在盾構機拆解段設置6組吊點，吊點采用的錨索直徑為21.6 mm，長度為8 m。此外，需要對拆解段頂部圍巖進行加固，采用長度為6.5 m，直徑為17.8 mm的錨索[10]，吊點錨索和支護錨索在隧道橫斷面內以及沿隧道縱向布置圖如圖2所示。

2 數值計算

本課題采用FLAC3D軟件對盾構拆解過程進行模擬，FLAC3D是三維有限差分軟件，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。在數值模擬時，采用三步求解法：首先設置初始地應力場，計算自重及開挖的應力場變化；然后計算開挖完成并且盾構機豎向和和橫向卸荷后，圍巖及管片的應力；最后計算在吊點施加豎向荷載后的結果。

圖2 吊點及錨索在橫縱斷面布置

2.1 數值模型

由于盾構拆解位置埋深達到690 m，不適宜對所用地層進行詳細建模分析。根據已知的盾構拆解所在地層的地應力場情況(表1)，只需建立盾構拆解位置處的局部數值模型即可(根據地應力場數據，可以反分析該區域的地應力場)，進而得到合理的計算模型。根據模型尺寸效應，本文局部數值模型的尺寸為40 m×50 m×75 m(寬×高×長)，模型中隧道中心距模型底邊和側邊都為20 m，距模型頂面為30 m，在模型前后左右邊界以及模型底部邊界分別施加法向位移約束，模型上邊界為自由面。模型橫截面示意圖如圖3所示，地層模型示意圖如圖4所示。

圖3 模型橫截面示意(單位：m)

圖4 地層模型示意

隧道管片結構采用Liner單元模擬，Liner單元為三節點(每個節點有6個自由度)扁平有限單元，能夠抵抗剪力和彎矩荷載，承受主方向的拉壓應力作用，可以有效地模擬管片與圍巖之間的分離及重新接觸和摩擦相互作用?？紤]到盾殼與圍巖間接觸緊密，相對運動趨勢不明顯，所以采用Shell單元模擬盾構機的盾殼。管片結構和盾殼結構的數值模型示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 管片結構模型

圖6 盾殼結構模型

2.2 材料參數

盾構拆解位置處的圍巖為侏羅系中下統延安組，主要以砂質泥巖、細粒砂巖與泥巖互層、中粒砂巖和粗粒砂巖為主，由地質勘測報告得到拆解段各地層的具體力學參數及其分布特征如表2所示。盾構管片襯砌采用Liner單元模擬，材料類型選擇C50混凝土；盾構機盾殼采用Shell單元模擬，材料類型選擇Q345B鋼材。管片襯砌結構和盾殼的具體相關計算參數如表3所示。

表2 拆解段地層力學參數

表3 管片及盾殼相關計算參數

3 結果分析

3.1 圍巖應力

為檢驗吊點及圍巖在拆解過程中的安全性，對每個吊點進行檢驗，在數值模型中對吊點施加600 t的豎向荷載，分析圍巖及結構的安全性。得到豎向荷載作用所引起的圍巖最大主應力和最小主應力的結果，如圖7所示(由于文章篇幅有限，只展示1號吊點由于施加豎向荷載所引起的圍巖主應力結果)。

(a)圍巖最大主應力(單位:Pa)

(b)圍巖最小主應力(單位：Pa)圖7 1號吊點受荷時圍巖主應力結果

由圖7可知，吊點上部圍巖出現最大拉應力，掌子面上前方出現最大壓應力，這兩個位置應該特別關注，原因可能是對吊點施加附加豎向荷載導致吊點上部圍巖產生較大位移，從而出現拉應力；又因為上部圍巖的變形擠壓掌子面上部土體，導致掌子面上部的壓應力較大。將6個吊點分別施加荷載時，兩個位置處最大和最小主應力提取出來，分別如圖8、圖9所示，隨著荷載向后移動，吊點上部圍巖的拉應力逐漸減小，壓應力逐漸增大；相對來說掌子面上前方的最大、最小主應力的變化較小，幾乎不產生影響。

圖8 吊點上部圍巖最大與最小主應力

圖9 掌子面上前方的最大與最小主應力

3.2 圍巖塑性區

同時為展現在不同吊點位置施加荷載所引起的圍巖塑性區的變化，選取1、3、6三個吊點施加豎向荷載時圍巖的塑性區分布進行分析，如圖10所示。

在施加附加荷載之前，塑性區分布主要沿著隧道洞周，圍巖區域內無塑性區出現。隨著盾構機卸荷以及附加荷載的出現，原有的狀態被破壞，拆解段塑性區明顯擴大，塑性區沿著吊點位置向上發展，一直擴大到1.5倍洞徑左右，遠離吊點位置的圍巖塑性區基本上沒有發生變化。且由圖10可知，不同工況下，圍巖塑性區范圍差別不大，都表現出掌子面附近塑性區較大，遠離掌子面塑性區無變化的特點。不同之處在于隨著附加荷載后移，吊點位置上方的圍巖塑性區逐漸加大，說明附加荷載的存在對拆解段附近的圍巖產生較大的影響。

(a)1號吊點受荷

(b)3號吊點受荷

(c)6號吊點受荷圖10 不同吊點受荷時圍巖塑性區分布

3.3 管片和盾殼彎矩

得到豎向荷載作用所引起的管片和盾殼的彎矩結果，如圖11所示(由于文章篇幅有限，只展示1號吊點由于施加豎向荷載所造成的管片和盾殼上的彎矩結果)。

將6個吊點分別在豎向荷載作用時，所引起盾殼和管片上的最大彎矩提取出來，繪制成圖12。由圖11可以看出：對于盾殼結構而言，最大彎矩出現在盾殼拱頂位置，而且附加荷載的施加增大了其最大彎矩，但是隨著荷載向后部移動，這種影響逐漸減小，盾殼結構中的最大彎矩由1號吊點受荷時的127.45 kN·m變為6號吊點受荷時的63.47 kN·m，減小幅度為50.2 %，可能的原因是荷載后移減小了對圍巖的影響。由圖14也可以看出，隨著荷載后移圍巖的位移逐漸減小，進而引起盾殼結構所受荷載變化。對于管片襯砌結構而言，最大彎矩出現在拱底的位置，在緊臨拆解段的管片結構受到一定程度影響，隨著荷載向后部移動，管片的最大彎矩呈現增大趨勢，但增長幅度較小。

(a)盾殼的最大彎矩

(b)管片的最大彎矩圖11 1號吊點受荷時盾殼和管片的彎矩結果

圖12 不同吊點受荷時盾殼和管片上的最大彎矩

3.4 圍巖和管片結構位移

同樣得到了豎向荷載作用引起的圍巖、盾殼和管片位移結果，如圖13所示(由于文章篇幅有限，只展示1號吊點由于施加豎向荷載所引起的隧道和圍巖結構位移圖)。

(a)圍巖位移

(b)盾殼位移

(c)管片位移圖13 1號吊點受荷時引起圍巖、盾殼和管片的位移

圖14 各吊點受荷引起的圍巖、盾殼、管片位移

將6個吊點分別施加豎向荷載作用時，所引起圍巖、盾殼和管片的位移量提取出來，繪制成圖14。從以上圖中可以看出，圍巖位移>盾殼位移>管片位移；盾殼位移值在3號吊點之前逐漸下降，然后趨于穩定。圍巖最大位移為9.36 mm，出現在1號吊點位置，隨著荷載后移，位置值逐漸下降。對管片位移來說，無論荷載施加在哪個吊點，對其影響較小。由此可知對吊點施加豎向附加荷載對圍巖位移影響最大，圍巖的位移進而影響到盾殼位移，對管片位移影響極小。

4 結論

本文結合工程實際情況，對盾構拆解過程中的力學過程進行數值模擬，分析了盾構拆解過程中在采用了相應的加固措施的基礎上，對盾構頂部吊點施加附加荷載時圍巖及結構的力學響應規律，可以得出以下結論：

(1)在盾構拆解的力學過程中，應該重視附加荷載的影響，附加荷的施加會顯著改變圍巖及結構的受力狀態。對圍巖而言，施加附加荷載主要造成掌子面的不穩定，掌子面上方應力場變化明顯，塑性區范圍增大；且隨著受荷吊點的位置改變，上部圍巖的主應力變化明顯；圍巖的位移整體變化不是很顯著，只是在受荷吊點位置處有一定的變化。

(2)附加荷載對管片結構的位移和最大彎矩的影響較小，只在緊臨拆解段的部分結構有一定程度的影響，規律為隨著荷載向襯砌結構的移動，管片結構中最大彎矩和位移稍微增大。

(3)對于盾殼結構而言，施加附加荷載將增大結構的最大彎矩，但隨著荷載向后部移動，盾殼結構中的最大彎矩有所減小，而盾殼位移先下降，在3號吊點之后保持不變。