大埋深巖層雙模盾構施工力學響應分析

王永文

(中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司 北京 101300)

1 引言

在我國大規模地下工程建設過程中，盾構工法憑借其施工安全、掘進速度快、復雜地層適應性強、對周圍環境影響小等優點，成為了城市地鐵和大型水下鐵路、公路隧道的主要施工方法[1-2]。

盾構隧道不可避免會對圍巖產生擾動，而管片襯砌作為盾構隧道的主要承載體會承擔一定的圍巖壓力。針對盾構隧道施工中的力學影響，一系列學者和工程人員開展了相關的研究。針對雙線盾構隧道與聯絡通道之間的復雜空間結構問題，吳文濤、劉軍、王士民等對不同施工工況下的盾構隧道聯絡通道施工中管片的力學行為進行了相關研究[3-5]；張恒等通過現場測試的手段分析了盾構近接樁基施工時的管片襯砌力學特性[6]；黃珂利用數值模擬方法分析了某地鐵盾構隧道穿越巖溶填充區的受力情況[7]；焦齊柱等采用有限元分析方法，分析了盾構隧道管片結構在常見的K塊擠入、壁后注漿缺陷、環面不平整、盾構糾偏或曲線推進等不利工況下的受力特征[8]；郭俊研究了泥炭質土地層條件下盾構隧道管片襯砌的內力分布規律，分析了在泥炭質土不同擾動程度下的隧道管片襯砌結構力學行為[9]；吳應明等通過建立考慮管片環間接頭非線性特征的三維計算模型分析了盾構隧道近接下穿施工對既有隧道的影響，并基于彈性鉸接圓環模型和隧道結構力學理論計算方法對數值模擬結果進行比較[10]；李宇杰等建立了盾構管片及彎曲螺栓的三維非連續介質模型，分析了盾構管片在實際荷載作用下的受力與變形情況[11]。

而隨著地下空間工程的發展，盾構法在深部巖體隧道施工中的應用逐漸增多，大埋深條件伴隨高地應力場空間，在此作用下的盾構隧道施工階段力學行為值得進一步探討。因此，本文以廣佛環線東環隧道為研究對象，建立盾構施工精細化分析模型，對大埋深條件下雙模盾構施工圍巖擾動特征和管片襯砌力學行為進行分析。

2 工程概況

廣佛環線廣州南站至白云機場段是珠三角城際軌道交通的重要組成部分，線路起于廣州南站，接入穗莞深城際鐵路竹料站，全長約46.7 km。東環隧道是該線路的重要工程，其中大源站-太和站區間隧道工程位于廣州市白云區太和鎮，為雙線鐵路隧道。隧道主要采用盾構法施工，建筑長度6 804 m，區間盾構隧道總長5 987 m。盾構隧道主體結構采用單層裝配式通用管片環，管片襯砌橫斷面設計如圖1所示。其中管片襯砌外直徑8.8 m，厚度0.4 m，幅寬1.6 m，采用“6＋1”分塊模式，管片混凝土強度等級為C50。

東環隧道大源站-太和站區間工程隧址區多為丘陵與丘間谷地，屬丘陵地貌，地勢起伏較大，地面高程21～135 m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超過130 m。且隧道長距離下穿不同風化程度的片麻巖、炭質板巖、粉砂巖，圍巖風化程度高、強度差異較大、滲透性差異顯著，工程中采用單護盾TBM＋土壓雙模混合盾構掘進施工。東環隧道是目前國內首次采用單護盾TBM＋土壓平衡雙模大直徑盾構長距離穿越大埋深巖層的隧道工程，設計與施工難度極大。其隧道地質縱斷面如圖2(左線)。

圖1 管片襯砌橫斷面

圖2 隧道地質縱斷面

3 數值分析模型

結合該工程實際情況，采用FLAC3D數值模擬分析大埋深雙模式盾構隧道施工力學特征。

3.1 數值模型

針對東環隧道的工程地質特點，本文選取了大埋深隧道全斷面穿越炭質板巖地層的工況進行分析。采用的巖體物理力學參數如表1所示。

表1 巖體物理力學參數

圖3 三維模型

圖3為本文建立的計算模型。其中考慮到力學邊界條件，計算模型在隧道左右取約5倍洞徑長度，隧道上下側皆取約5倍半徑，基本可消除模型邊界效應對研究區域的影響，建立模型范圍為100 m×72 m×100 m。計算時僅考慮地層的自重應力場，并在模型x、y、z方向分別施加了對應的構造應力。同時，在模型頂面施加垂直應力模擬上部覆蓋巖體的重力作用，模擬大埋深下的初始應力狀態；模型四周和底部分別施加法向位移約束。

采用實體單元模擬管片襯砌，考慮盾構超挖及壁后注漿等因素，根據張云[12]等研究，將盾尾間隙施作等代層模擬；為了有效模擬盾殼與圍巖的相對運動，模型中采用liner結構單元模擬盾殼。模型中各部分位置關系如圖4所示，盾殼模擬的相關設置參數如表2所示。

圖4 模型斷面示意圖

表2 TBM護盾物理力學參數

3.2 模擬方法

三維有限元模擬盾構施工的計算流程如圖5所示。

圖5 模擬盾構施工計算流程

(1)按照應力和位移邊界條件計算地層初始應力。

(2)開挖15 m，將盾構機通過liner單元施加入模型內，并進行求解計算。

(3)進行盾構隧道的循環開挖模擬。其中每步首先模擬開挖一環管片長度，然后模擬盾殼、超挖間隙、管片襯砌、壁后間隙的施工，求解當前步，并判斷隧道是否開挖完成。

(4)重復第3步直到隧道模擬開挖完成。

4 計算結果分析

為了得到上述開挖過程中隧道圍巖-管片襯砌的應力、位移等分布特征，在計算模型中沿隧道軸線分別在y＝30 m、50 m和70 m處設定三個監測斷面，以分析圍巖的擾動情況。

4.1 圍巖擾動行為分析

在隧道模擬開挖過程中，設定的三個監測斷面拱頂和拱底位置處圍巖豎向位移的變化規律如圖6和圖7所示。

圖6 拱底圍巖位移時程圖

圖7 拱頂圍巖位移時程圖

由圖可知，隧道開挖過程中三個監測斷面處拱頂和拱底位置巖體的豎向位移時程變化規律基本相同。變形主要發生在隧道開挖至監測斷面前后的一定范圍內，即當隧道開挖至距監測斷面約7.2 m位置時圍巖開始發生一定的變形，當隧道開挖至監測斷面時圍巖位移發生突變，隨著隧道開挖面遠離監測斷面，圍巖位移變化量逐漸趨于穩定。并且各監測斷面拱頂和拱底的位移隨開挖面的遠離都趨于相近的數值，其中拱底趨于9.1 mm、拱頂趨于-10.3 mm。

圖8為隧道模擬開挖至不同監測斷面時圍巖應力分布云圖。從圖中可以看出，隧道開挖引起的圍巖應力變化明顯，在隧道中心軸的頂部和底部出現了局部的應力集中現象，特別是在掌子面的頂部和底部應力達到很高的值，這是由于在盾構開挖過程中，對盾構機施加向前的推進力比較大造成的，但這一應力集中情況會隨著盾構的開挖而逐漸變緩。

圖8 圍巖主應力云圖

4.2 管片變形分析

圖9為隧道模擬開挖完成后管片襯砌的變形云圖。可知在圍巖壓力作用下管片變形以環向壓縮為主，即隧道拱頂發生沉降變形、拱底發生隆起變形、拱腰發生收斂變形。三個監測斷面處管片襯砌拱頂位置沉降值分別為0.622 mm、0.487 mm、0.421 mm；拱底位置隆起值分別為0.253 mm、0.341 mm、0.269 mm；拱腰收斂值分別為0.345 mm、0.347 mm、0.311 mm，即沿隧道軸線方向管片襯砌的變形有一定的差異。因此在深埋盾構隧道施工中，應注意防止管片錯臺問題的發生。而從管片襯砌的位移變化量值上來看，在該工程中隧道管片襯砌的整體變形較小。

圖9 監測斷面處管片豎向和水平位移云圖

同時，以y＝45 m處的管片襯砌拱頂、拱底位置為研究對象，得到管片襯砌豎向變形在隧道開挖過程中的變化規律如圖10所示。由圖10可知，管片在拼裝完成后的一段距離內徑向位移增加明顯，但其變化量從開挖到開挖完成逐漸減小，其原因是圍巖變形穩定，對管片的擠壓作用逐漸減小。

圖10 y＝45 m處管片沿縱向位移變化規律

4.3 管片受力分析

圖11為隧道模擬開挖完成后各監測斷面管片襯砌的主應力云圖。由圖可知，管片襯砌的最大主應力發生在拱頂位置處，即拱頂處于較大的受壓狀態且危險性較大；管片襯砌的最小主應力最大值發生在其拱腳位置處，即在拱腳位置處發生了明顯的壓應力集中現象，在此處危險性較大。比較圍巖的應力分布和管片襯砌的變形分布規律，可知圍巖的應力集中與管片位移的分布規律相符合。

圖11 監測斷面處管片主應力云圖

5 結論

本文針對廣佛環線東環隧道工程項目，利用數值模擬方法對大埋深條件下盾構隧道的施工力學行為進行了數值模擬分析，得到的結論如下:

(1)盾構隧道開挖施工對圍巖的擾動集中在隧道開挖至監測斷面前后的一定范圍內，沿隧道軸線不同位置處巖體受擾動程度相近。

(2)在圍巖壓力作用下，深埋盾構隧道管片襯砌拱頂部分受力相對較大，而拱腰部分受力較小。因此在施工以及運營過程應著重關注隧道拱頂部分受力，適當加強拱頂管片的強度。

(3)管片襯砌的位移隨著圍巖變形的穩定而逐漸收斂，沿隧道軸線方向管片襯砌的變形有一定的差異。因此在深埋盾構隧道施工中，應注意防止管片錯臺問題的發生。