海底盾構隧道穿越破碎帶施工穩定性分析

周耀升 孫宏遠 孟綏寶 馮慧君 詹 森 俞然剛 駱超鋒 王瀾濤 石寶星

(1.中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司， 214104， 無錫; 2.中國重型汽車集團有限公司， 250101， 濟南;3.中鐵發展投資有限公司， 266034， 青島; 4.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，266580， 青島∥第一作者， 工程師)

隨著城市經濟的飛速發展，地鐵盾構技術逐漸成熟，但仍面臨很多難題，尤其是在盾構跨越江、海，同時穿越破碎帶、復合地層等復雜地層情況時，可能會發生圍巖失穩、冒頂、滲水、開挖面失穩等問題，甚至會造成嚴重的工程事故。

國內外很多學者對地鐵隧道開挖過程中的穩定性問題進行了研究。文獻[1]通過相似模型試驗和數值模擬，分析了斷層破碎帶對隧道圍巖穩定性的影響。結果表明，拱頂上方斷層對拱頂沉降的影響最大；隨著斷層與隧道距離的接近，隧道變形和塑性區范圍不斷增大，而注漿工法能夠顯著增加隧道圍巖的穩定性。文獻[2]研究了富水破碎帶不同的厚度、傾角對隧道周圍巖體的穩定性影響。結果表明，在開挖面離破碎帶9 m時，隧道周圍巖體的縱向位移急劇增大；在開挖面離破碎帶小于6 m時，會出現倒水裂隙通道，導致突水、突泥災害；拱頂位移分別與破碎帶傾角、地下水位呈指數和線性關系。文獻[3]考慮孔隙水壓力及滲流的影響，推導了基于CPPM(最近點投影法)的計算公式，并通過開發程序對隧道的穩定性進行了分析。隧道施工過程中的地下水會引起圍巖的應力重分布，地下水的滲流對圍巖的影響顯著。文獻[4]采用Abaqus有限元分析軟件模擬了不同的施工方法，對淺埋破碎帶的隧道進行了圍巖穩定性分析，通過對比不同施工方法下圍巖的應力-應變狀態、塑性區等，指出中隔墻法對破碎巖體的穩定性較好。文獻[5]采用Midas GTS/NX軟件對不同傾角的斷層進行了數值模擬，指出拱頂沉降、拱底隆起及周圍巖體的收斂位移均出現先增大后減小的趨勢。

1 工程概況

青島地鐵8號線(以下簡為“8號線”)工程大洋站—青島北站區間東側海域段(以下簡稱“海域段”)施工采用泥水平衡式盾構機(以下簡稱“盾構機”)掘進。掘進過程中的一大難題是穿越破碎帶(海域段地質概況見圖1)。本文以F4破碎帶為例進行分析。該破碎帶位于海域段中部，即右線線路里程CK42+830—CK43+440范圍內，大致呈東北-西南走向，寬度約610 m，走向約為25°，與隧道交角近90°。F4破碎帶基巖面埋深為29.5～32.5 m，上覆厚層砂土，基巖破碎帶主要為塊狀碎裂凝灰巖、中等風化凝灰巖。

2 F4破碎帶對圍巖穩定性影響分析

2.1 巖土體結構

隧道周圍巖土體結構具體表現為各種結構的空間分布特征及其相互組合關系。它對隧道周圍巖土體穩定性的控制作用表現為，結構面對巖土體的破壞模式及破壞面的控制作用。當巖土體包含兩種以上的結構面切割巖土體，尤其是含有塊狀、破碎狀和斷層時，會有很大的概率導致隧道周圍的巖土體發生失穩。巖土體本身的性質是影響隧道周圍巖土體穩定性的基本因素，亦直接決定了巖土體的力學特征和性質。該破碎帶為凝灰巖，呈紫灰色，礦物中等風化，節理裂隙發育，巖芯破碎，破碎面見較多高嶺土等次生礦物，巖芯以塊狀-短柱為主，表面較粗糙，錘擊可碎。揭露段巖體屬較破碎的軟巖，巖體基本質量等級為Ⅳ級。

2.2 巖土體的力學性質

巖土體的力學性質主要表現為巖石的強度和變形。巖土體強度是控制隧道周圍巖土體穩定性的關鍵因素，尤其對于破碎帶中碎塊狀巖石。該破碎帶以塊狀致密凝灰巖為代表，脆性強。巖石主要呈現為彈性變形，破壞時以拉斷為主，斷層降低了巖體的強度及穩定性。破碎帶力學強度低、壓縮性大，抗剪強度遠低于巖體其他部位的抗剪強度，容易發生較大沉降。

2.3 地下水

地下水對隧道周圍巖土體的穩定性有直接的影響，主要體現在強度和應力狀態兩個方面。地下水位以下，隨著巖土體靜水壓力的增加，巖土體有效應力減小，應力狀態變差，進而導致巖土體失穩。地鐵穿過隔水層時，水壓增大。破碎帶巖體裂隙水較發育、透水性強，孔隙水壓力的作用降低了圍巖的穩定性，在盾構掘進過程中可能會出現圍巖滲漏水、掌子面涌水、坍塌等事故。該工程斷裂帶塊狀碎裂巖中主要為構造裂隙水，裂隙稀疏，但張開性好、延伸遠、導水能力好。這類巖石大多構成含水(或透水)層，其富水性與斷裂帶的性質、規模和補給條件有關，無統一水面，具有一定的承壓性。整體上本區間斷層及節理、裂隙均較發育，構造裂隙水局部發育。與孔隙水相比較，它分布不均勻，往往無統一的水力聯系。

2.4 應力場

應力場一般可以分為自重應力場(地應力場)和構造應力場兩大類。地應力場對巖土體穩定性影響較大。地應力的大小和方向可以決定巖石和土體的應力狀態。破碎帶可減少應力場的應力集中，但應力場會隨破碎巖石的性質、空間分布而改變，從而增加了對巖體穩定性判斷的難度。

2.5 掘進參數

隧道周圍巖體的穩定性與盾構機的掘進參數有著緊密的聯系。在盾構機掘進的過程中，要及時調整掘進參數，尤其在不同地層中掘進時，施工參數有著非常大的不同，可通過及時調整盾構機推力、刀盤轉速和掘進速度等參數來確保隧道穿越破碎帶時周圍巖土體的穩定性。

3 海底盾構隧道模型的建立

本文使用FLAC3D有限差分軟件對海底盾構穿越破碎帶的施工過程進行數值模擬。

3.1 模型的建立

選取8號線海域段建立了海底盾構隧道三維模型。盾構機開挖直徑為7 m。根據右線地質縱斷面圖，巖土層從上到下分別為中粗砂、粉質黏土、微風化凝灰巖及碎裂的中風化凝灰巖，且認為巖石和土體為無限體。為了避免邊界效應，以及考慮到盾構開挖后的地應力重分布范圍，模型尺寸為60 m×60 m×60 m，隧道埋深為26.5 m，縱向長度取60 m。盾構隧道周圍對網格進行了加密。

本工程襯砌單元采用寬1.5 m的混凝土管片，模型取3 m為1個進尺，采用殼單元實現。海底盾構隧道模型如圖2所示。

3.2 參數取值

根據《青島市地鐵8號線詳細勘察階段大洋站至青島北站站區間勘察報告》，確定海底盾構隧道三維模型中對的地層參數，見表1。

表1 海底盾構隧道模型材料物理力學參數選取

3.3 本構模型選取及邊界條件設置

由于F4破碎帶巖石和土體的非線性較明顯，因此進行彈塑性分析時，采用莫爾-庫侖塑性模型。

海底盾構隧道模型采用不透水邊界，其底面及前、后、左、右4個面均固定。考慮到地下水的影響，水面設置在模型頂面，以模擬實際工程中的孔隙水壓力分布；并根據地質剖面圖，將模型之外的5 m海水等效為上部荷載并施加在模型頂面。根據地質勘察報告，將各個巖土層的參數賦予模型。通過初始地應力平衡，得到初始應力場，并以初始地應力為基礎進行后續開挖計算。

4 盾構隧道穿越破碎帶施工穩定性分析

4.1 隧道變形規律分析

根據實際工程地質條件，在進入F4破碎帶之前，盾構機是在圍巖整體性較好的微風化凝灰巖中掘進，然后進入中風化凝灰巖破碎帶。盾構機掘進施工中模型的位移云圖，見圖3—圖4。

由圖3—圖4可見，在微風化凝灰巖中隧道拱頂沉降為1.18 mm，拱底位移為1.21 mm；在碎裂的中風化凝灰巖破碎帶中拱頂位移為3.73 mm，拱底位移為3.75 mm。兩種地質條件下，盾構機掘進對上部巖層沉降影響范圍及沉降值不同。盾構機在破碎帶中掘進時，其對上部巖層沉降影響范圍相對較小，但沉降值較大，達到1 mm；而盾構機在非破碎帶掘進時，其對上部巖層沉降影響范圍相對較大，而沉降值較小，為0.2 mm。在相同進尺條件下，隧道在破碎帶周圍的豎向位移要明顯大于微風化凝灰巖(見圖5)。

盾構機施工中，隧道拱頂沉降的現場監測數據與模擬數據對比見圖5。由圖5可見，隧道拱頂沉降的監測結果與模擬結果基本一致。

盾構機由微風化巖層掘進到F4破碎帶時，隧道拱頂沉降由于圍巖整體性突然變差，導致沉降值從1.15 mm增加到2.91 mm；且隨著開挖進尺的增加，沉降值亦逐步增加，最終拱頂的沉降值可以達到5.00 mm左右。

通過對比微風化凝灰巖與F4破碎帶拱頂沉降曲線，可以預見盾構機穿越破碎帶時會有較大的拱頂沉降，這可能會導致掌子面失穩、上部碎裂巖體引起海水入侵等問題。

4.2 圍巖應力分布規律分析

相同進尺下，圖6和圖7分別表示盾構機掘進至24 m(微風化凝灰巖)和54 m(中風化凝灰巖破碎帶)時，隧道的應力分布云圖。由圖6—圖7可見，兩幅隧道應力云圖均大致呈“漏斗”形分布。盾構機開挖導致隧道周圍巖石應力重分布，該應力主要集中在拱頂、拱底及拱腰附近，且應力最大值集中在拱腰附近。

在微風化凝灰巖中繼續開挖，巖體應力進一步釋放，拱底和拱頂的豎向應力相對較小。而盾構機在破碎帶中掘進時，拱頂和拱底均出現拉應力。破碎帶中大多為碎裂的中風化凝灰巖，整體性較差，抗拉性能較弱。在這種應力狀態下很容易出現圍巖失穩，引起沉降過大。

圖8為微風化凝灰巖和碎裂的中風化凝灰巖破碎帶交界處(以下簡稱“交界處”)圍巖最大主應力分布云圖。

由圖8 a)可見，圍巖最大主應力均為壓應力，在開挖時拱頂上方圍巖應力釋放明顯，且其最大主應力集中在拱腰，并沿對稱軸對稱分布；拱底的最大應力分布與拱頂類似，拱底最大主應力比其周圍圍巖的應力要低。

由圖8 b)可見，在微風化凝灰巖和碎裂的中風化凝灰巖破碎帶交界處，會呈現“凸起”狀，圍巖最大主應力集中在其交界處，且盾構機所在的巖層應力分布不再均勻，會波及隧道附近的巖體。

4.3 盾構機掘進參數控制

將8號線計算模型縱向的60 m分為微風化凝灰巖段(長0～30 m)與破碎的中風化凝灰巖段(0～30 m)。將盾構機在這兩種性質不同圍巖中的掘進參數進行對比，見圖9—圖11。

從圖9—圖11中可見，由于微風化凝灰巖的巖性完整且整體性較好，因此盾構機的掘進速度和刀盤的轉速應較慢，盾構機所施加的推力較大。盾構機在穿越破碎帶時，其推力相對較穩定且變化幅度較小，但掘進速度相對較快。盾構機在穿越破碎帶時掘進參數建議值見表2。

表2 泥水盾構機掘進參數建議取值

5 結語

1) 盾構機從微風化凝灰巖進入破碎帶時，拱頂位移明顯增大，拱底因巖體應力釋放向上隆起且其位移值大于拱頂的沉降值。巖性完整的巖層沉降影響范圍大，但沉降值較小；而破碎帶巖層影響范圍較小而沉降值較大，在盾構機即將進入破碎帶時，可適當采取預加固措施。

2) 豎向應力主要集中在巖體開挖附近，其最大值沿對稱軸對稱分布在拱腰兩側。盾構機在破碎帶中掘進時，可能會在拱頂和拱底出現拉應力區，這對巖層穩定性非常不利，易引發圍巖失穩破壞。在微風化凝灰巖和破碎帶的交界處，拱頂有明顯的應力釋放現象，其最大主應力在拱腰處集中。該應力釋放現象會對開挖面附近的巖體產生影響，使得開挖面附近及隧道周圍巖體的最大主應力大于附近巖體的應力。因此,必要時可對開挖面附近巖體進行超前注漿或及時支護。

3) 破碎帶巖體碎裂、完整性差，力學強度低、抗剪性能差、易發生失穩。因此，盾構機在破碎帶中掘進時，需及時調整掘進參數，推力、刀盤轉速不宜過大，且要求平穩，從而避免引發圍巖失穩、滲水等事故。