TBM隧道圍巖應(yīng)力與沉降預(yù)測

陳京林

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

0 引 言

近年來，隨著軟土開挖方法的逐步改進(jìn)，隧道施工變得更加經(jīng)濟(jì)實用，因此我國隧道工程正朝著長距離、大埋深方向發(fā)展[1-2]。在隧道施工過程中，其風(fēng)險遠(yuǎn)大于其他工程，在施工中要充分考慮地層情況、地下水、地面建筑物等各種復(fù)雜因素。如高地應(yīng)力、高磨蝕性、斷層破碎帶、富水等不良地質(zhì)，地質(zhì)復(fù)雜性也是TBM施工面臨的重大工程風(fēng)險，易造成TBM卡機(jī)、裝備故障等事故，不僅對工程進(jìn)度產(chǎn)生巨大影響，對施工安全、工程質(zhì)量、工程投資等都有非常大的影響[3]。伴隨著施工機(jī)械化水平的提高，同時為了減少地表沉降，TBM在隧道建設(shè)中逐步趨于主流[4-5]。眾多學(xué)者對TBM施工過程中的變化情況進(jìn)行了相關(guān)研究。如王飛陽等[6]依托實際鐵路隧道工程，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立TBM隧道施工掘進(jìn)模型，基于力流理論對TBM隧道開挖過程中的圍巖應(yīng)力分布特征及彈性應(yīng)變能進(jìn)行分析，以彈性應(yīng)變能大小為指標(biāo)對隧道巖爆位置進(jìn)行預(yù)測。劉赟君等[7]通過FLAC3D建立數(shù)值模型，分析TBM施工過程中引起建筑物沉降的變化規(guī)律。

隧道施工過程中，需要正確估計施工引起地表位移的大小和分布情況，因為這直接影響著相鄰結(jié)構(gòu)的安全。本文為了準(zhǔn)確預(yù)測TBM施工期間隧道圍巖的應(yīng)力分布和地表沉降，建立三維有限元模型進(jìn)行相關(guān)分析。

1 試驗研究

本文試驗通過建立三維有限元模型進(jìn)行相關(guān)研究，模型由不同組件構(gòu)成，如土壤參數(shù)、土層、掘進(jìn)機(jī)、液壓千斤頂、隧道襯砌的應(yīng)用和尾部空隙灌漿。

1.1 模型尺寸

通過數(shù)值解進(jìn)行計算，利用有限元法對隧道施工過程進(jìn)行模擬，考慮隧道模型的對稱性，選擇模型一半作為參考進(jìn)行相關(guān)分析。假設(shè)隧道直徑D等于8.5 m，隧道長9 m，隧道頂部位于1D的深度，隧道的幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格離散見圖1。

1.2 土壤參數(shù)

本文隧道模型土壤參數(shù)數(shù)據(jù)均基于廣東省粵東地區(qū)的榕江關(guān)埠引水工程，該區(qū)域土層見圖2。

本文研究中用于描述土壤特性的模型為摩爾-庫侖模型。土壤相關(guān)參數(shù)從項目土壤鉆孔的基本試驗中獲得，數(shù)據(jù)見表1。

圖1 隧道的三維模型

圖2 隧道三維模型的土層

表1 摩爾-庫侖模型的土壤參數(shù)

1.3 材料參數(shù)

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)在模型中為平板單元，假設(shè)其長為9 m，隧道管片襯砌也采用板元模型。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)的參數(shù)見表2。

表2 TBM參數(shù)

假設(shè)每個混凝土襯砌段的寬度等于1.5 m，則全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)在分期開挖時每步均推進(jìn)1.5 m，而混凝土襯砌管片采用服從各向同性線彈性本構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行建模。襯砌構(gòu)件的材料特性見表3。

在本文研究中，面壓力的大小是根據(jù)土壤沉積物重量產(chǎn)生的垂直應(yīng)力來確定的，其與膨潤土懸浮液的單位重量有關(guān)。灌漿壓力的大小是通過增加隧道頂部的面壓力來確定的，根據(jù)灌漿材料的單位重量，灌漿壓力隨隧道頂部壓力的增大而線性增加。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)通過前6個開挖步驟，在隧道上共推進(jìn)9 m。用指定的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)材料激活殼體元件，然后將襯砌材料指定給相應(yīng)的殼體元件進(jìn)行襯砌安裝。

表3 混凝土襯砌構(gòu)件的材料特性

2 隧道應(yīng)力

本文通過應(yīng)用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)對隧道圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析，包括土壤的開挖和混凝土襯砌段的安裝。根據(jù)土體破壞準(zhǔn)則，采用有限元法對土質(zhì)隧道應(yīng)力進(jìn)行分析，所得結(jié)果為摩爾-庫侖模型(MC模型)。圖3和圖4分別為原生土體在垂直方向和水平方向的應(yīng)力-深度曲線。在垂直截面上，應(yīng)力-深度曲線均受隧道上部位置和下部位置的影響。圖3中，總垂直應(yīng)力和有效垂直應(yīng)力與深度幾乎成線性關(guān)系，可表示為一個單位重量的常數(shù)。此外，由于土層從黏土變化到砂土，導(dǎo)致總水平應(yīng)力和有效水平應(yīng)力在深度15m處存在偏差，見圖4。

圖3 原生土體的垂直應(yīng)力-深度曲線圖

圖4 原生土體的水平應(yīng)力-深度曲線圖

2.1 位于隧道周邊第一部分的應(yīng)力變化規(guī)律

隧道周邊第一部分表示通過隧道或非常接近隧道中心線的位置，即x=0時隧道區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制圖5，圖5(a)和5(b)分別表示x=0時隧道施工期間的總垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力。從圖5可以看出，各階段的總應(yīng)力表現(xiàn)基本相同，但由于第一階段是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)隧道開挖的初始階段，因此第一階段與其他階段的應(yīng)力表現(xiàn)略有差異，其他階段的應(yīng)力變化與原生土體應(yīng)力的變化相差不大。

2.2 位于隧道周邊第二部分的應(yīng)力變化規(guī)律

隧道周邊第二部分表示與隧道中心線存在偏差的位置，即x=5 m時隧道區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制圖6，圖6(a)和6(b)分別表示x=5 m時隧道施工期間的總垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，顯示了隧道施工階段的應(yīng)力曲線分布規(guī)律。在這種情況下，x=5 m時的應(yīng)力-深度曲線非常接近隧道邊緣，而隧道邊緣距離隧道中心線2 m左右。從圖6(a)可以看出，雖然全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)的第一階段是隧道初始開挖階段，但第一階段、第二階段和其他階段之間的差異較小，所以各階段的總垂直應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。而總水平應(yīng)力和有效應(yīng)力受到土壤性質(zhì)系數(shù)和施工期間隧道掘進(jìn)機(jī)振動的影響，見圖6(b)，雖然第一階段和其他階段之間略有差異，但從整體出發(fā)，所有階段的變化規(guī)律也基本相同。

2.3 位于隧道周邊第三部分的應(yīng)力變化規(guī)律

隧道周邊第三部分表示距離隧道施工區(qū)域較遠(yuǎn)且偏離隧道中心線的位置，即x=8 m時隧道區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制圖7，圖7(a)和7(b)分別表示x=8 m時隧道施工期間的總垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力。由于該區(qū)域距離開挖區(qū)較遠(yuǎn)，因此施工期間各階段之間的偏差較小，且各階段的應(yīng)力-深度曲線都收斂于原生土體。

圖5 x=0時隧道施工期間應(yīng)力分布圖

圖6 x=5 m時隧道施工期間應(yīng)力分布圖

圖7 x=8 m時隧道施工期間應(yīng)力分布圖

從圖7(a)和7(b)中均可以清楚地觀察到，所有階段的總垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的變化規(guī)律都相同，且第一階段和其他階段之間的差異也非常小。這是因為第一階段為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)隧道開挖的初始階段，相當(dāng)于原生土體的變化規(guī)律，而其他階段都收斂于原生土體，故差異非常小。但圖7(b)中，隧道中部鉆孔區(qū)域的應(yīng)力在施工階段和原生土體之間的總水平應(yīng)力還存在一定偏差。

3 隧道地表沉降

隧道施工期間，周圍地面的移動會導(dǎo)致地表發(fā)生沉降。本文通過有限元法估算的地表沉降值見圖8，圖8顯示了所有階段的地表沉降值。第一階段的地表沉降值最高為10 mm，位于隧道上方x=0處，且第一階段地表沉降值遠(yuǎn)大于其他階段地表沉降值。如果在全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)隧道的上部區(qū)域已經(jīng)建造了部分基礎(chǔ)，則隧道上方的結(jié)構(gòu)中可能會出現(xiàn)不均勻沉降。而其他階段的地表沉降值基本相同，這是因為除第一階段外，其他階段在隧道施工期間全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)的推進(jìn)值均為1.5 m。

圖8 隧道施工期間的地表沉降圖

4 結(jié) 論

本文通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤剖面類型、擬建結(jié)構(gòu)類型、與TBM隧道的距離等因素將對隧道施工產(chǎn)生不同程度的影響。結(jié)合三維有限元分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 靠近隧道周邊第一部分時，第一階段的應(yīng)力變化和其他階段的應(yīng)力變化存在不同程度差異。

2) 靠近隧道周邊第二部分、第三部分時，第一階段的應(yīng)力變化與其他階段的應(yīng)力變化基本相同。

3) 第一階段的地表沉降值最高，其他階段的地表沉降值基本相等。