TBM穿越破碎帶隧道圍巖穩定性分析★

李樹光，滕 森，李鎖在，孔德森，孫 博

(1.中鐵三局集團第四工程有限公司,北京 102300; 2.山東科技大學土木工程與建筑學院,山東 青島 266590)

近年來我國市政工程建設迅速發展，城市化進程在不斷加快，城市地下空間的開發利用成為了解決城市化過程中的發展問題和提升城市競爭力重要途徑，其中地鐵的建設將極大緩解交通壓力并推動城市經濟發展。城市地鐵的線路規劃往往取決于交通功能的需要，因此地鐵建設過程中將不可避免的穿越斷層破碎帶等不良地質體[1]。

萬飛等[2]依托關角隧道F2-1斷層破碎帶，采用監控量測的方法對支護結構及圍巖進行分析，提出了一系列施工支護方案，并取得了良好的效果；尚彥軍等[3]依托昆明上公山引水隧道，針對破碎帶導致的卡機問題進行了研究，提出了圍巖蠕變發生條件及護盾變形破壞機理；鐘威等[4]采用層次分析法建立破碎帶施工風險評價體系，并應用于大坪山隧道，取得了良好的效果;陳劍等[5]針對青島市某地鐵隧道區間，分析了富水破碎帶突水涌砂的原因，提出以地表注漿為主、洞內堵水為輔的綜合治理措施；楊青瑩等[6]以永蓮隧道為工程背景，通過有限元軟件研究了破碎帶厚度、傾角對圍巖變形影響；黃鋒等[7]利用離散元軟件分析研究了破碎帶與隧道斷面相對位置的變化對隧道開挖力學響應的影響；臺啟民等[8]通過有限元數值軟件模擬，對破碎帶超前支護參數的敏感性和加固有效性進行了分析；徐前衛等[9]結合數值模擬與模型試驗的方法，研究了施工過程中圍巖的漸近性破壞過程及受力變形特性；張慶松等[10]研制出大型三維地質模型試驗系統，揭示了斷層破碎帶中圍巖滲流壓力、位移及應力應變的變化規律；王德明等[11]采用模型試驗的方法研究了破碎帶開挖擾動作用下洞周位移規律；黃鋒等[12]利用室內相似模型試驗對無支護條件下軟弱夾層圍巖松動區、破壞區的發展過程進行了研究，發現受到軟弱夾層的影響，圍巖由下盤局部破壞開始擴展至上盤形成拱形為止；王飛等[13]采用模型試驗的方法研究了不均勻沉降條件下襯砌結構變形特征，提出襯砌軸向變形過程可分為5個階段；何川等[14]通過振動臺模型試驗對跨斷層破碎帶隧道的動力響應進行了研究，分析了隧道襯砌結構的內力分布和地層變形規律。

在破碎帶支護加固及圍巖變形規律方面的研究已比較完善和成熟，但基本都集中在山嶺、公路等深埋隧道中。以青島地鐵二號線西延段工程為特定背景對城市中TBM穿越淺埋微風化硬巖破碎帶建立三維數值計算模型，分析注漿加固前后微風化硬巖破碎帶對隧道圍巖變形規律影響，希望通過研究為TBM穿越破碎帶施工提供參考。

1 工程概況

青島地鐵二號線西延段工程連接市南區與市北區，線路起于輪渡站，終止于泰山路站，線路全長3.87 km，均為地下線。其中各區間均采用TBM法施工，單線掘進總長度2.8 km。輪渡站—小港站區間線路起始于金茂灣小區，經日喀則路進入輪渡，向北沿莘縣路、冠縣路及新冠高架西側敷設，區間線路起訖里程AK21+390～AK23+030，全長1 640 m，區間埋深29.5 m～48.4 m，最大坡度28‰，最小曲線半徑400 m，兩臺TBM分別從輪渡站始發井左右線始發，右線晚于左線1個月且縱向間距大于250 m后開始掘進，區間管片襯砌強度C50，抗滲等級P10，內徑為5 400 mm，管片外徑為6 000 mm，環寬1 500 mm。

輪渡站—小港站巖土工程勘察報告表明，區間場地自上而下分布有厚2.7 m～9.3 m的①素填土、厚1.2 m～5.8 m的②粗礫砂、厚0.6 m～6.2 m的粉質黏土，厚2.5 m～15.0 m的強風化粗粒花崗巖，厚0.1 m～17.5 m的中風化粗粒花崗巖，厚0.8 m～39.5 m的微風化粗粒花崗巖。場區沿線斷裂帶為滄口斷裂及大沽河-潮連島斷裂的伴生或次生斷裂，在場地區間范圍內，局部地段相鄰鉆孔所揭露的巖體風化程度及節理發育程度差別較大，判斷為構造破碎帶。經統計在區間內共存在5條構造破碎帶如圖1所示，TBM掘進長度1 640 m，破碎帶長度為455 m，占TBM掘進長度的27.7%。區間隧道于AK22+044開始通過F3破碎帶，走向北東，傾角為70.8°，破碎帶影響帶寬約115 m，破碎帶表現特征為巖體節理裂隙發育密集，巖體節理面充填大量黏土礦物，巖體間黏結強度低，巖體呈碎塊化碎裂狀結構，作為隧道結構的拱頂及側墻巖層時自穩性差，易出現坍塌、掉塊風險。

2 數值計算過程

2.1 數值計算模型的建立

以輪渡站—小港站區間隧道為研究對象，根據工程實際情況利用有限元軟件ABAQUS建立TBM穿越F3破碎帶三維數值計算模型，圖2為有限元計算模型，隧道開挖洞徑尺寸為6.3 m，破碎帶縱向計算長度為30 m，左右線兩平行隧洞間距為15 m，上覆巖土層至隧道底板的埋深為40.6 m，各巖土層厚度取均值。為消除邊界效應，模型左右邊界及下邊界選取隧道開挖洞徑3倍～5倍寬度，綜合考慮數值計算模型的寬度為81 m(X軸方向)，高度為70.6 m(Y軸方向)，沿隧道軸向方向的計算長度為75 m(Z軸方向)。

模型上表面為地表自由面，不設約束，側表面受水平方向位移約束，下表面約束三個方向位移。模型網格采用8節點6面體單元，共計劃分220 208個單元，239 546個節點。為深入分析微風化硬巖破碎帶注漿加固前后隧道圍巖變形規律和穩定性提升作用，對TBM穿越未加固破碎帶和地表注漿加固破碎帶兩種施工工況進行數值計算與分析。

2.2 破碎帶注漿加固方案確定

為保證TBM穿越破碎帶時的施工安全，達到提高破碎帶圍巖強度和穩定性的目的，根據設計，結合本工程的實際情況，對破碎帶區域欲開挖隧道及周圍進行地表預注漿加固。注漿范圍為開挖輪廓線外3 m，深度為隧道拱頂以上3 m至隧道拱底，加固方案如圖3所示，地鐵隧道左右線均按此方案進行加固。

2.3 TBM施工過程模擬

數值計算模型建立于TBM穿越破碎帶的施工過程，可以把該過程近似看作是非連續過程進行研究，利用ABAQUS中的生死單元功能對TBM開挖過程進行模擬，每個開挖步開挖長度為3 m，TBM盾殼長度為12 m，隧道左線先行開挖，左線開挖并支護完成后右線再行開挖；襯砌管片的拼裝通過激活管片部件來實現，利用等代層模擬TBM盾尾空隙注漿；考慮到開挖卸荷作用，在每一開挖步之前，將開挖區域單元的模量降低，依次來模擬巖體應力釋放效應。

參考實際工程施工步序，模擬過程如圖4所示：1)第N步移除隧道前方巖體，激活TBM殼體單元；2)第N-1步、第N-2步和第N-3步考慮TBM機身長度因素，仍設置為TBM殼體單元；3)第N-4步：取消激活TBM殼體單元；4)第N-5步：激活TBM管片單元和等代層單元；5)依次推進至隧道開挖完成。

為研究TBM穿越F3斷層破碎帶對隧道圍巖變形的影響，在隧道的拱頂、左拱肩和右拱肩處布設沉降監測點，拱頂沉降監測點布置在隧道軸線上，拱肩沉降監測點位于與隧道軸線夾角45°位置處。隧道監測斷面監測點布置如圖5所示。

2.4 數值計算參數確定

數值計算模型中盾殼、襯砌和等代層采用線彈性本構模型，巖土層的本構模型選用Mohr-Coulomb彈塑性本構關系。

計資料，巖土層參數選取來自該地鐵區間的地質勘探資料，一些沒有給出的參數根據規范及參考其他相似隧道工程給出。模型中破碎帶的模擬采用參數弱化法，即將破碎帶與普通圍巖賦予不同的參數來近似模擬破碎帶，這是一種應用連續理論的數值模擬軟件模擬破碎帶的有效方法。地表注漿加固通過提高注漿加固區域圍巖參數材料參數來實現。模型中各材料參數取值列于表1。

表1 材料參數表

3 數值計算結果分析

3.1 破碎帶注漿加固前隧道圍巖變形分析

隧道開挖完成后，左右線拱頂及拱肩的累計沉降如圖6，圖7所示。受破碎帶影響，隧道拱頂及拱肩沉降值在21 m～54 m區間發生突變，破碎帶處沉降曲線呈“V”型。左右線拱頂最大沉降值分別為13.4 mm和14.2 mm，可見左右線隧道沉降呈現為非對稱性，后開挖的右線隧道無論是拱頂還是拱肩，沉降值大于左線隧道。受破碎帶角度影響，可以發現，隧道圍巖各監測點沉降最大值均不在破碎帶中點處，而是出現在隧道開挖方向Z=27 m處。

隧道圍巖累計沉降沿開挖方向上存在以下5個變化階段：1)在0 m～9 m段隧道與破碎帶距離較遠，隧道拱頂和拱肩的沉降幾乎沒有變化，破碎帶對沉降幾乎沒有影響。2)在9 m～21 m段，隨著隧道與破碎帶距離的減小，拱頂與拱肩的沉降逐漸增大，破碎帶對沉降的影響也逐漸增大。3)在21 m～54 m段，此時隧道已經揭露或與破碎帶距離十分接近，拱頂及拱肩的累計沉降值發生了突變，該部分圍巖沉降值首先突然增大至峰值，而后逐漸減小。4)在54 m～66 m段，隧道穿過破碎帶且距離與破碎帶逐漸增大，拱頂與拱肩的沉降值逐漸減小。5)過了66 m后直至75 m段，拱頂與拱肩沉降值趨于穩定，不再受破碎帶的影響。這說明了當TBM施工揭露破碎帶時，隧道的圍巖沉降具有突變性，此時若仍維持原有的推力、扭矩、轉速和推進速度等掘進參數將極易引發塌方事故而導致隧道掘進機卡機，因此在施工過程中應做好超前地質預報，提前對破碎帶區域進行預加固處理，采用低轉速、小推力、大扭矩快速通過。

4級：有些硬脊膜的破損因破損位置的原因，術中無法進行缺損縫補，如果出現這種情況，引流管放置時間需要較長，一般需要放置3～4周，并可以加以經皮蛛網膜下腔引流。隨著時間的推移以及引流量的減少，逐漸向外拔除引流管，直至引流量少于40 ml/d，拔除術區引流管并連同深筋膜嚴密縫合引流口。

為了進一步研究破碎帶圍巖在隧道開挖過程中變形的規律，提取開挖方向Z=27 m，Z=36 m，Z=45 m，即破碎帶區域的前、中、后的3個斷面監測點數據分析圍巖沉降時態曲線特征，破碎帶中不同監測斷面沉降時態曲線圖如圖8所示。

由圖8可看出隧道左線的開挖擾動使右線產生先行沉降，沉降值為1 mm左右，而右線隧道開挖將會引起左線隧道圍巖進一步變形；相同監測斷面內，右線隧道的圍巖變形大于左線，這是由于先行隧道開挖使圍巖產生應力重分布，后行隧道施工對圍巖產生二次擾動，對圍巖穩定性影響更大，即出現后行隧道開挖變形大于先行隧道；同一監測斷面內左線隧道的左右拱肩在隧道右線開挖至相同位置時將會產生一定的差異沉降。

隨著掌子面向破碎帶推進，監測斷面圍巖豎向位移可以劃分為5個階段：1)掌子面與破碎帶監測斷面的距離大于9 m時，破碎帶圍巖不受影響，幾乎不產生沉降；2)隧道開挖至距離監測斷面9 m內時，破碎帶圍巖受到開挖擾動的影響將會產生先行位移，其值為2 mm～3 mm；3)隧道開挖揭露至監測斷面，圍巖沉降突增，但是受TBM盾殼支撐的影響，沉降值沒有立刻達到峰值；4)TBM盾殼離開后，圍巖將產生二次沉降且沉降值較剛開挖時更大，并達到峰值，此時拱頂圍巖極易產生坍塌；5)隨著掌子面繼續向前推進，監測斷面襯砌管片拼裝和豆礫石回填注漿完成后，圍巖變形受到限制并趨于穩定。

為研究巖土層變形受TBM開挖的影響規律，繪制不同截面地表至隧道拱頂縱向的沉降曲線，由于曲線規律相似，僅給出27 m監測斷面處沉降曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，從地表到埋深22 m處，巖土層累計沉降5 mm，在埋深22 m～34.5 m處，上覆巖土層沉降值增加了9 mm，可見，距離隧道拱頂越近，圍巖變形速率越大。由此可知在破碎帶中距離隧道軸線越近的地層，隧道開挖造成的擾動沉降越明顯，隨著距離的增大，這種巖土層的擾動沉降逐漸降低。

3.2 破碎帶注漿加固后隧道圍巖變形分析

通過對未注漿加固隧道圍巖變形規律分析可知，破碎帶內圍巖穩定性差，開挖后豎向沉降較大，極易造成圍巖坍塌。因此，有必要對地表注漿加固下破碎帶隧道圍巖變形和穩定性進行分析。由于曲線規律類似，故僅給出隧道加固前后左線監測點沉降及監測斷面Z=27 m處的沉降時態曲線及上覆地層沉降曲線。

隧道加固前后左線監測點沉降曲線如圖10所示。地表預注漿加固后，破碎帶區域圍巖的沉降明顯降低，加固后拱頂最大沉降值由13.37 mm變為7.02 mm，沉降量降低了47.5%。這表明超前地層加固，可以有效控制破碎帶區段內圍巖變形，提高圍巖穩定性，大大降低了拱頂沉降過大導致坍塌的可能性，確保TBM安全、快速通過。

圖12為地表預注漿加固前后隧道拱頂上覆地層沉降曲線。對比發現，加固后破碎帶圍巖性質改變，承載能力增加，上覆巖土層沉降變形明顯降低。對于注漿加固的31.5 m～34.5 m范圍內的圍巖，其變形速率遠小于加固之前。因此，地表預注漿加固不僅可以降低TBM開挖引起的拱頂變形，也減小了開挖對上覆巖土層的擾動。

4 結語

依托青島地鐵二號線西延段地鐵隧道工程，采用有限元數值模擬方法，研究了“上軟下硬”復合地層中TBM開挖穿越微風化硬巖破碎帶圍巖變形規律，得到如下主要結論：

1)微風化硬巖中破碎帶的存在將對TBM開挖后的隧道圍巖變形產生很大影響，隧道的拱頂沉降將在破碎帶范圍內產生突變，沉降值遠大于普通圍巖，沉降曲線呈“V型”，隧道圍巖沉降沿開挖方向上存在5個變化階段。

2)微風化硬巖破碎帶中，隨著掌子面的向前推進，隧道圍巖變形逐漸增大最終趨于穩定，這一過程可分為5個階段。

3)微風化硬巖破碎帶中，距離隧道拱頂越近的地層，隧道開挖造成的擾動越明顯，沉降越大，隨著距離的增大，這種巖土層的擾動逐漸削弱。

4)地表注漿加固后，破碎帶區域圍巖穩定性提高，可有效控制圍巖變形，大大降低了因拱頂沉降過大導致坍塌的可能性，確保TBM安全、快速通過。