不同坡度TBM隧道施工對開挖面穩定性的影響

楊馨茹，段燦，薛子斌，邱瓊，李冉，于廣明

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.山東省高等學校藍色經濟區 工程建設與安全協同創新中心，山東 青島 266033；3.中建隧道建設有限公司，重慶 401320)

近些年來，城市軌道交通建設發展迅速。由于受到城市規劃以及建、構筑物的限制，使得軌道交通的線路越來越復雜，因此出現了許多在大坡度等特殊區段施工的隧道。但是TBM在有坡度地段施工時與在平坡段施工不同，其掘進難度大、安全風險高。千斤頂推力過大或過小就會引起開挖面土體超挖或欠挖，嚴重時甚至造成開挖面失穩。針對大坡度條件下TBM隧道施工時的開挖面穩定性問題，國內外學者進行了大量研究。

蒙曉蓮[1]、趙丹[2]通過建立力學模型和運用FLAC3D軟件，分析了盾構機在有坡度路段掘進時開挖面和周邊地層的位移和應力的變化規律；白洋等[3]通過合理模擬平坡段、變坡點與上坡段三區段，研究了大坡度淺埋隧道地表橫斷面與縱斷面變形規律，預測大坡度段隧道施工所產生的地表沉降量、沉降范圍和沉降變化速率等參數值；鄧尤東等[4]分析了復合式TBM在大縱坡隧道掘進過程中不均勻千斤頂推力作用下產生的附加作用力特征，并探究了管片結構在附加作用力影響下內力分布規律及其變形的薄弱區域，以及管片結構變形甚至破壞的表征；周峻等[5]建立了盾構機在迎坡掘進時的開挖面極限支護壓力理論公式，并利用有限元軟件進行模擬，得出開挖面極限支護壓力隨坡角的增大而增大；張成龍[6]通過分析盾構推進過程中各項參數對掘進的影響，得出縱坡地段盾構機掘進的難點在于精準控制推力的大小和方向；彭鵬[7]運用有限元軟件并通過設置不同坡角來模擬了隧道在縱坡地段施工時圍巖的變形，得出此地區的圍巖變形規律；眾多學者[8-11]通過計算開挖面的極限支護壓力，推導出了開挖面穩定的極限狀態方程，總結出縱坡地段的開挖面穩定性的規律。

綜上所述，與平坡段相比，TBM在縱坡地段掘進時更為困難，如何保證開挖面穩定是目前亟需解決的一大難題。因此本文以重慶軌道交通九號線鯉魚池站—劉家臺站區間縱坡段為例，設定隧道的坡度為10‰、30‰、40‰及50‰，并采用MIDAS有限元軟件進行模擬計算，得出在不同坡度情況下TBM隧道施工時開挖面巖土體的應力及位移分布規律，從而采取相應合理的施工措施。研究成果對重慶縱坡隧道施工時的開挖面穩定性問題具有重要的指導價值和現實意義，也可為類似大坡度隧道施工的實際工程項目提供借鑒。

1 鯉劉區間縱坡段隧道工程概況及開挖面穩定性原理分析

1.1 工程概況

重慶市地鐵九號線劉家臺站—鯉魚池站區間處于迎坡路段，巖土類型從上至下依次為填土、砂質泥巖和砂巖，隧道處于砂質泥巖中，地質剖面圖如圖1所示。

圖1 地質剖面圖

劉家臺站—鯉魚池站區間為雙線雙洞隧道，線路全長919.509 m，其中460 m采用復合式TBM施工，單心圓斷面，隧道內徑為5.9 m，擬采用鋼筋混凝土襯砌。TBM開挖直徑為6.85 m，隧道襯砌管片外徑為6.6 m，內徑為5.9 m，厚度為0.35 m，進深1.5 m。本區間隧道縱斷面呈V形，坡度為2‰～46‰。隧道拱頂埋深為25.25 ～29.50 m。

1.2 開挖面穩定性原理分析

TBM掘進時維持開挖面穩定的原理是通過作用在刀盤上的壓力F與開挖面土體壓力P相平衡的方法來保持開挖面穩定。如圖2所示，當FPmax時，開挖面就會出現塌方以至于失穩。隧道洞周巖土體因隧道開挖而受到擾動，巖土體的極限平衡狀態被打破，土中應力得以釋放。當巖土體處于二次平衡狀態時，應力發生重分布現象，進而引起巖土體的位移形式發生改變。

圖2 TBM維持開挖面穩定示意圖

由于TBM自重大，與平坡段隧道施工相比，當TBM迎坡向上掘進時，其自身重力沿坡度方向會有一個分力F1，方向與掘進方向相反，在分力的作用下TBM前方刀盤易與開挖面發生分離，導致開挖面巖土體產生變形。當TBM正常掘進時，刀盤會與前方巖土體緊密貼實保持壓力平衡，而當TBM刀盤與開挖面發生分離時，掘進中的刀盤與前方巖土體不能緊密貼實，故不能為開挖面提供足夠的支撐壓力，如圖3所示。整個過程是刀盤先與開挖面巖土體接觸而后發生分離，這就相當于是對開挖面巖土體先進行加載然后對其進行卸荷，因此使得開挖面前方巖土體在側向土壓力作用下向兩側移動，進而導致兩拱腰位置處產生水平位移，豎直方向上拱頂產生豎向沉降，拱底發生隆起現象，使得開挖面巖土體發生橢圓化變形，不利于開挖面的穩定，如圖4所示。

圖3 TBM迎坡掘進開挖面受力圖 圖4 隧道邊界橢圓化變形模式

2 不同坡度下TBM隧道施工對開挖面穩定性影響的數值模擬

2.1 縱坡段TBM隧道三維模型的建立

針對大縱坡TBM隧道施工時開挖面穩定性問題，本文采用Midas GTS軟件進行數值模擬分析。為方便三維實體模型的建立和邊界條件的確定，本文設定如下基本假定：(1)將地層視為半無限空間體；(2)視巖土體為均質的、各向同性的連續介質；(3)只考慮自重應力場。基于上述假定，模型中的地層下表面施加固定端約束，左右表面施加X方向約束，前后表面施加Y方向約束，地表面為自由邊界。模擬時考慮巖土體自重應力的作用，且重力荷載系數取9.807 m/s2。其中，巖土體采用莫爾—庫倫彈塑性模型，管片襯砌采用實體彈性模型。隧道拱頂距地面的距離取25 m，根據已有的研究成果可知隧道影響范圍為3D～5D(D為隧道的直徑)，所以本文建立的三維模型尺寸為90 m×30 m×60 m。縱坡段隧道的三維網格圖如圖5所示。

(a)三維模型網格劃分圖

2.2 物理力學參數選取

隧道主體位于砂質泥巖中，上覆土層為素填土，下覆砂巖夾砂質泥巖，本模型中取下覆巖體為砂巖。巖土體及管片的物理力學參數見表1。

表1 巖土體及管片的物理力學參數表

2.3 模擬所需的工況界定

工況1：依托重慶大縱坡TBM隧道工程實例，建立三維模型進行分析，該隧道線路坡度為10‰，將模型的分析過程分為以下階段，第1階段：初始地應力的計算，并將該階段計算得出的位移清零，以模擬地層的初始應力場，減小模型的計算誤差；第2至4階段：將左線隧道的1～7環、8～14環、15～20環所對應隧道內土體鈍化，并激活相應支護結構；第5至7階段：將右線隧道的1～7環、8～14環、15～20環所對應隧道內土體鈍化，并激活相應支護結構。

工況2—工況4：設定隧道線路坡度依次為30‰、40‰及50‰。模型尺寸、分析階段均與工況1一致。

3 數值模擬計算結果分析

3.1 大坡度TBM隧道開挖面主應力計算結果與分析

由于隧道為雙洞雙線隧道，所以本文在左線、右線隧道中各選取兩個掌子面分析開挖面應力變化規律，兩掌子面分別位于隧道開挖至10.5 m和21 m處。提取各工況下不同掌子面處的最大、最小主應力值，見表2。

表2 各工況最大、最小主應力值

由表2可以看出，在同一坡度值下，左線隧道掌子面2上的最大、最小主應力值相較于掌子面1上的最大、最小主應力值小，右線也呈現出相同的變化趨勢。這是因為在TBM掘進過程中，開挖面前方巖土體在開挖卸荷作用下出現應力重分布現象，并且隨著開挖的不斷進行，巖土體達到一個新的平衡狀態。當TBM掘進到掌子面2位置時，此時開挖面巖土體的應力比初始應力小，因此受到的擾動較先前小，即表現為最大、最小主應力值減小。

3.2 大坡度TBM隧道開挖面軸向應力計算結果與分析

為進一步分析大坡度TBM隧道施工時開挖面的Y軸(隧道掘進方向)軸向應力，仍選取10‰、30‰、40‰、50‰四個坡度來進行計算。計算中比較了四個不同坡度下的開挖面軸向應力的變化情況，通過對比發現不同坡度下的隧道左右線不同掌子面處的軸向應力分布大致相似，因此本文僅選取不同坡度下右線掌子面1處的軸向應力來進行分析。

由模擬計算結果可知，四個工況下的軸向應力既呈現出一致性，也表現出一定的差異性。由圖6可以看出，一致性體現在四個工況下的軸向應力都出現分層現象，軸向應力值均隨距開挖面距離的增加而逐漸減小，且最大值都出現在開挖面前方巖土體上；其次，距離開挖面較近的巖土體出現軸向拉應力，遠離開挖面的巖土體出現軸向壓應力(拉為正、壓為負)。差異性體現在隧道坡度從10‰增加到30‰時軸向應力值顯著增大，當隧道坡度大于30‰時雖然軸向應力值也在增加但是增加的趨勢逐漸趨于平緩。同時由圖也可以看出軸向應力值隨著坡度的增大而增大，其主要原因是隨著坡度的增大，開挖面處巖土體的自重力在坡度方向上的分力也相應增加，分力方向與掘進方向相反。在分力的作用下開挖面巖土體朝向開挖面滑移，坡度越大，開挖面承受的法向應力也越大，即表現為軸向應力值增大。

(a)隧道坡度10‰ (b)隧道坡度30‰

3.3 大坡度TBM隧道施工引起的開挖面巖土體變形分析

3.3.1 大坡度TBM隧道左線開挖時開挖面巖土體變形分析

1)開挖面巖土體水平、豎向變形分析。圖7至圖9可以看出：大坡度TBM隧道僅左線施工時，因隧道開挖卸荷而產生的水平變形主要出現在開挖面兩拱腰附近，且開挖面處兩拱腰的水平位移呈現出相同的變化趨勢，并關于隧道中心線對稱。同一掌子面處兩拱腰的水平位移值基本相同，開挖面巖土體的水平位移峰值呈現出隨著坡度的增大而逐漸減小的趨勢。

(a)隧道坡度10‰

(a)隧道坡度10‰

圖9 不同坡度下隧道各位置處水平位移變化曲線圖

豎向變形主要出現在開挖面拱頂和拱底處，其表現為開挖面拱頂出現向下的沉降，拱底出現向上的隆起，且豎向變形峰值呈現出隨隧道坡度的增大而逐漸增大的趨勢。與開挖面拱底隆起值相比，開挖面拱頂沉降值相對較小。

在相同坡度值情況下，隨著隧道的開挖，后續掌子面的水平位移值、豎向位移值均比先開挖掌子面的水平位移值、豎向位移值大，說明當隧道剛開始進行開挖時就對周圍巖土體造成影響，開挖面前方巖土體受到擾動，先產生一部分位移，當隧道繼續開挖至研究斷面時，由于開挖卸荷的疊加效應使得開挖面巖土體的水平位移和豎向位移不斷增大，即表現出隨著隧道開挖的進行開挖面巖土體位移逐漸增大的形式。

2)開挖面巖土體縱向變形分析。由圖10的計算結果可見，開挖面前方巖土體形成一定范圍的縱向變形區域，影響范圍約為1.1倍隧道洞徑，且縱向位移最大值出現在開挖面處，距離開挖面越遠縱向位移值越小，分析原因為由于坡度的存在，距離開挖面較近的巖土體朝向刀盤方向滑動，使得靠近開挖面的巖土體受到的拉應力較大，進而導致縱向位移值大于遠離開挖面的巖土體的縱向位移值；其次，隨著坡度的增加縱向位移值也逐漸增大，其主要原因是當隧道處于上坡開挖狀態時，TBM抬頭前進的姿態隨著坡度的變化而變化，坡度較大時前進姿態變化復雜，導致巖土體開挖應力重分布現象明顯，因而地層損失越大，從而引起縱向位移值增大；同時也可看出，當坡度較小時，縱向變形較大的區域出現在開挖面中心處，但隨著坡度的增加，縱向變形較大區域逐漸下移，出現在開挖面中心以下，說明與平坡相比，有坡度時刀盤上部會由于坡度的影響與開挖面出現部分脫離，千斤頂推力集中在開挖面下方，造成重心下移，使得縱向變形較大區域出現在開挖面下方巖土體上。

(a)隧道坡度10‰ (b)隧道坡度30‰

綜上所述，TBM迎坡掘進時對于開挖面巖土體的開挖可以等效為對巖土體先進行加載然后再對其卸荷。由于開挖卸荷作用，開挖面巖土體形成三維(X向、Y向、Z向)松動區域，再加上開挖面上覆巖土體的重力作用，開挖面處巖土體受到擠壓，各種作用力疊加在一起，巖土體發生松動并向盾構機刀盤方向產生滑移。當開挖面不能提供足夠的支撐力時就會造成開挖面巖土體失穩，由此可以看出隧道在有坡度下進行施工時對開挖面的穩定是極其不利的。通過對模擬計算結果進行分析，發現得出的結論與2.2節中理論分析的結論相一致，進而也驗證了該模型的合理性和正確性。

3.3.2 大坡度TBM隧道右線巖土體變形分析

1)右線隧道開挖面巖土體變形分析。提取隧道右線進行開挖后不同坡度下左、右線掌子面1處的水平、豎向位移值，并繪制成表3。由表中數據可知，當右線隧道施工到掌子面1處時，與僅左線開挖相比，右線掌子面1處巖土體的水平位移、豎向位移均比左線同一位置處的水平位移、豎向位移小，這是由于在進行左線隧道施工時出現的開挖卸荷現象使得巖土體中應力減小，當右線隧道開始施工后，受巖土體中應力減小因素的影響，開挖面處巖土體的變形也相應減小。

表3 不同坡度下左、右線掌子面1處水平、豎向位移值表

2)右線隧道施工完成后巖土體變形分析。由上文可知，僅左線隧道開挖時，兩拱腰的水平位移值幾乎相等，影響范圍大致相同，但當右線隧道施工完成后，左線隧道兩拱腰的變形形式發生改變。受右線隧道開挖卸荷的影響，左線隧道左拱腰水平位移值大于右拱腰，且兩拱腰水平位移值均比僅左線開挖時大，這是因為左線隧道右拱腰靠近右線隧道，當右線隧道開挖時，左線隧道右拱腰受到的二次擾動較左拱腰大，右拱腰會向左拱腰偏移，進而導致左拱腰受到的擠壓較大，產生的位移也大。由圖11可以看出，左線、右線縱向位移峰值出現在相同位置處，右線縱向位移峰值為6.36 mm，稍大于左線縱向位移峰值6.25 mm，且左右兩線縱向位移變化趨勢相近；觀察發現，左右線先施工區域縱向變形不明顯，隨著施工的進行，進入隧道后半部分施工時縱向變形顯著。由圖12可知，與僅左線開挖相比發現，當右線隧道最后一個施工階段完成后，左線隧道拱頂沉降值增大，且上覆巖土體的沉降域變大，并延伸至地表，呈“漏斗狀”分布。

(a)左線隧道縱向位移圖

(a)左線隧道豎向位移圖

大量文獻研究結果表明隧道在平坡地段施工時，當雙線隧道施工完成后，拱頂最大沉降值出現在先開挖隧道的入洞口處，是由于入洞口處土體經受多次擾動，因而沉降值相對其他位置處較大，但由本文可以看出雙線隧道施工完成后，自左、右線隧道中間部位開始拱頂發生明顯沉降，其主要原因是本文隧道是在大縱坡地段施工，相較于平坡段，由于有坡度的存在，拱頂出現明顯沉降的地方靠后，且隨著坡度的增大位置逐漸后移。

4 結論

本文依托重慶鯉劉區間迎坡段TBM隧道施工工程，采用理論分析和數值模擬方法對大坡段TBM隧道施工時的開挖面穩定性問題進行分析，得出以下結論：

1)通過數值計算結果發現隨著坡度的增加最大主應力逐漸增大。當隧道坡度從10‰增加到30‰時軸向應力值顯著增大，當隧道坡度大于30‰時雖然軸向應力值也在增加但是增加的趨勢逐漸趨于平緩。

2)大坡度TBM隧道僅左線施工時，開挖面巖土體的水平位移峰值呈現出隨著坡度的增大而逐漸減小的趨勢，豎向變形峰值、縱向變形峰值均呈現出隨隧道坡度的增大而逐漸增大的趨勢；開挖面前方巖土體形成一定范圍的縱向變形區域，影響范圍約為1.1倍隧道洞徑， 且縱向位移最大值出現在開挖面處，距離開挖面越遠縱向位移值越小；當坡度較小時，縱向變形較大的區域出現在開挖面中心處，但隨著坡度的增加，縱向變形較大區域下移，出現在開挖面中心以下。

3)與僅左線隧道開挖相比，右線隧道開挖完成后左線隧道左拱腰水平位移值大于右拱腰，且兩拱腰水平位移值均比僅左線開挖時大；其次，雙線隧道施工完成后，自左、右線隧道中間部位開始拱頂發生明顯沉降，與平坡地段不同。

4)在有坡度地段，可以通過采取超前支護、跟進隧道二襯、提前加固受影響較大的區域、嚴格控制超挖等措施，來減小TBM掘進時開挖面巖土體的變形。