富水破碎帶地層TBM 隧道圍巖穩(wěn)定性研究＊

胡紅星

（中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 102300）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民對(duì)美好生活要求的持續(xù)提高，中國(guó)城市的交通運(yùn)輸建設(shè)規(guī)模與數(shù)量呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。地鐵系統(tǒng)在緩解城市交通壓力和促進(jìn)城區(qū)間緊密聯(lián)系方面貢獻(xiàn)巨大，其高密度和高運(yùn)量的特點(diǎn)使它成為城市軌道交通系統(tǒng)中的重要組成部分。地鐵線路的規(guī)劃取決于交通功能的需要，因此建設(shè)過(guò)程中將不可避免地穿越不良地質(zhì)體，尤其是當(dāng)隧道穿越富水破碎帶時(shí)，由于隧道埋深淺、巖石破碎軟弱，因此開挖極易引起塌方、地表沉降，進(jìn)而導(dǎo)致隧道施工處于危險(xiǎn)之中。

劉平等[1]研究了流固耦合作用下富水砂層對(duì)周邊土體變形破壞的影響，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析了流沙層厚度、隔水層厚度和隔水層粘聚力等因素的影響；LI等[2]在數(shù)值模擬中考慮了流固耦合，討論了注漿加固參數(shù)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，并從加固和堵水2方面對(duì)注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；甄正等[3]討論了流固耦合作用對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的孔隙水壓力、地表沉降規(guī)律的影響，研究表明考慮流固耦合作用可以更好模擬實(shí)際情況；段克思等[4]依托阿嘎下隧道工程，利用數(shù)MIDAS 軟件得出了滲流影響下隧道間距和注漿圈厚度對(duì)圍巖位移的影響；師雯琦等[5]建立二維數(shù)值模型，探究了滲透壓力和孔隙度對(duì)隧道圍巖應(yīng)力和變形的影響，發(fā)現(xiàn)了孔隙度對(duì)圍巖變形影響較大；傅鶴林等[6]運(yùn)用彈塑性理論和水力學(xué)，建立了含緩沖層隧道注漿的模型，并結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)所推導(dǎo)模型的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證；郭玉峰等[7]利用理論分析與數(shù)值模擬方法，對(duì)水下雙線隧道穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)進(jìn)行了推導(dǎo)，討論了隧道間距、埋深等因素對(duì)隧道滲流場(chǎng)的影響；賈偉紅等[8]以五峰山隧道為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬建模，分析了注漿圈參數(shù)對(duì)初期支護(hù)變形和水壓分布的影響；萬(wàn)飛等[9]依托關(guān)角隧道F2-1 斷層破碎帶，采用監(jiān)控量測(cè)的方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖進(jìn)行分析，提出了一系列施工支護(hù)方案，并取得了良好的效果；尚彥軍等[10]依托昆明上公山引水隧道，對(duì)破碎帶導(dǎo)致的卡機(jī)問(wèn)題進(jìn)行了研究，探討了隧道圍巖蠕變的發(fā)生條件和護(hù)盾變形機(jī)理；鐘威等[11]采用層次分析法建立破碎帶施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，并應(yīng)用于大坪山隧道，取得了良好的效果；陳劍等[12]針對(duì)青島市某地鐵隧道區(qū)間，分析了富水破碎帶突水涌砂原因，提出以地表注漿為主，洞內(nèi)堵水為輔的綜合治理措施；徐前衛(wèi)等[13]結(jié)合數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的方法，研究了施工過(guò)程中圍巖的漸近性破壞過(guò)程及受力變形特性；張慶松等[14]研制出大型三維地質(zhì)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了斷層破碎帶中圍巖滲流壓力、位移及應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律；王德明等[15]采用模型試驗(yàn)的方法研究了破碎帶開挖擾動(dòng)作用下洞周位移規(guī)律。

目前，對(duì)于淺埋硬巖破碎帶隧道的研究相對(duì)較少，而且許多研究并沒(méi)有考慮地下水對(duì)其影響。因此，有必要通過(guò)流固耦合作用來(lái)分析淺埋破碎帶隧道開挖后的變形規(guī)律。以青島地鐵某線路TBM 隧道工程為背景，利用數(shù)值模擬方法，首先分析了是否考慮地下水時(shí)圍巖變形和地表沉降的差異，而后研究了流固耦合作用下不同地下水位對(duì)淺埋硬巖破碎帶隧道圍巖滲流場(chǎng)變化和圍巖穩(wěn)定性的影響，所得結(jié)論可為青島近海地鐵隧道穿越破碎帶提供指導(dǎo)意義，并且對(duì)淺埋富水破碎帶隧道的建設(shè)具有參考意義。

1 工程概況

青島地鐵某線路輪小區(qū)間起止里程為AK21+390—AK23+030，左右線隧道長(zhǎng)度為1 640 m，均采用TBM 法施工，兩隧道凈距為9 m。輪小區(qū)間場(chǎng)地自上而下分布有素填土、粗礫砂、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖、中風(fēng)化粗粒花崗巖、微風(fēng)化粗粒花崗巖。區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定地下水位埋深為2～7 m 且與海水存在一定的水力聯(lián)系。場(chǎng)區(qū)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，斷裂構(gòu)造對(duì)地鐵工程的影響主要表現(xiàn)于受到區(qū)域性地質(zhì)斷裂的影響，在場(chǎng)地區(qū)間影響范圍內(nèi)存在5（F3—F7）條構(gòu)造破碎帶，如圖1 所示。破碎帶的表現(xiàn)特征為巖體節(jié)理裂隙密集發(fā)育，巖體間黏結(jié)強(qiáng)度較低，巖體呈碎塊化碎裂狀結(jié)構(gòu)，且構(gòu)造破碎帶及節(jié)理發(fā)育帶地段地下水豐富，滲透系數(shù)大，TBM 通過(guò)該段時(shí)極易發(fā)生滲水或涌水現(xiàn)象。

圖1 區(qū)間內(nèi)破碎帶分布示意圖

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

依據(jù)研究區(qū)域的地質(zhì)勘察報(bào)告，建立雙護(hù)盾TBM穿越F6 破碎帶數(shù)值模型，如圖2 所示。模型的長(zhǎng)度為141 m，寬度為105 m，高度為68 m，其中隧道埋深為32 m，破碎帶影響寬度為30 m。隧道開挖直徑為6.3 m，壁后注漿厚度為0.15 m，襯砌管片外徑為6 m，內(nèi)徑為5.4 m。兩平行隧道軸線水平距離為15 m，地層自上而下依次為素填土、強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖、中風(fēng)化粗粒花崗巖和微風(fēng)化粗粒花崗巖，掘進(jìn)斷面完全處于微風(fēng)化花崗巖中。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

模型的滲流邊界條件：隧道開挖后，臨空面為壓力水頭邊界；除頂面外，模型邊界為不滲透邊界；各巖土層的初始孔隙水壓力設(shè)置為地層靜水壓力，與地層的埋深成正比。

模型的位移邊界條件：模型四周邊界設(shè)置法向約束；模型底面設(shè)置法向約束，不允許它發(fā)生豎向位移；模型上表面為自由邊界，不設(shè)置位移約束。

為研究地下水對(duì)隧道開挖后破碎帶區(qū)域圍巖穩(wěn)定性和地表沉降的影響，首先對(duì)不考慮流固耦合作用與流固耦合作用下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，然后按地下水位不同，設(shè)置了3 種工況，一共4 種工況，將它們列于表1。工況2、工況3、工況4 分別對(duì)應(yīng)地下水位埋深為H=0 m、H=5 m、H=10 m。

表1 數(shù)值模型計(jì)算工況

2.2 TBM 掘進(jìn)施工模擬

數(shù)值計(jì)算模型建立于TBM 掘進(jìn)穿越F6 破碎帶的施工過(guò)程中，TBM 隧道施工的循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度設(shè)置為3 m，TBM 盾殼長(zhǎng)度為9 m，地鐵隧道左線先行掘進(jìn)，左線掘進(jìn)并支護(hù)完成后右線再行掘進(jìn)；通過(guò)設(shè)置等代層模擬盾尾空隙注漿；為模擬巖體應(yīng)力釋放效應(yīng)，在每一步開挖之前，改變場(chǎng)變量將預(yù)開挖區(qū)域土體的模量降低實(shí)現(xiàn)。參考工程施工步序，模擬過(guò)程如圖3 所示。具體步驟如下：①第K步移除掌子面前方巖體，添加TBM 殼體單元；②第K－1 步、第K－2 步考慮TBM 盾殼長(zhǎng)度，仍設(shè)置為添加TBM 殼體單元；③第K－3 步移除TBM 殼體單元，激活襯砌管片單元和等代層單元；④依次推進(jìn)至隧道掘進(jìn)完成。

圖3 TBM 掘進(jìn)過(guò)程的模擬

2.3 模型參數(shù)的確定

根據(jù)地鐵區(qū)間的地質(zhì)勘探資料確定模型各巖土層參數(shù)，本構(gòu)模型則采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)關(guān)系，資料中沒(méi)有給出的參數(shù)參考相關(guān)規(guī)范及其他相似隧道工程中給出的參數(shù)。

模型參數(shù)取值如表2 所示。

表2 模型參數(shù)表

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 流固耦合作用對(duì)隧道開挖變形的影響

不考慮地下水和地下水位埋深H=0 m 時(shí)，隧道施工完成后左右線拱頂沉降如圖4 所示。

圖4 不同工況下隧道拱頂沉降曲線

由圖4 可以看出，在破碎帶范圍處（Z=37.5～67.5 m）隧道圍巖拱頂沉降變化趨勢(shì)基本相同，在破碎帶處沉降急劇增大，呈“V”字形變化。不考慮流固耦合作用時(shí)，隧道拱頂沉降最大值為10.23 mm，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面Z=42 m 位置處；考慮流固耦合作用，隧道拱頂沉降最大值為15.46 mm，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面Z=48m 位置處。可以發(fā)現(xiàn)考慮流固耦合作用比不考慮地下水的情況下拱頂最大沉降結(jié)果大51%，而且拱頂沉降最大值出現(xiàn)的位置也發(fā)生了變化，這是由于在考慮流固耦合時(shí)，隧道開挖通過(guò)破碎帶時(shí)，孔隙水壓力急劇下降，導(dǎo)致水力坡降增加，從而更容易讓地下水向隧道內(nèi)部滲透，進(jìn)一步導(dǎo)致圍巖軟化和變形增加。

對(duì)于城市地鐵隧道，埋深一般較淺，隧道掘進(jìn)會(huì)破壞圍巖原有的平衡狀態(tài)，使地表產(chǎn)生較大沉降，特別是雙線小凈距隧道的施工。為進(jìn)一步探究富水破碎帶隧道開挖流固耦合作用對(duì)地表沉降的影響大小，繪制了破碎帶上方地表（監(jiān)測(cè)斷面Z=48 m 處）不考慮流固耦合作用與地下水位埋深H=0 m 時(shí)，地表橫向沉降曲線如圖5 所示。

圖5 不同工況下地表沉降曲線

對(duì)比2 條曲線，地表沉降的最大值都出現(xiàn)在2 個(gè)隧道中軸線處，但是，在考慮地下水時(shí)，地表沉降的最大值比未考慮地下水時(shí)明顯更大，其中最大沉降值分別為11.4 mm 和2.2 mm。相較于不考慮地下水，考慮地下水作用時(shí)沉降槽更寬，且沉降值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不考慮地下水作用的情況，這是由于流固耦合作用下地表沉降由2 部分組成，第一部分是TBM 開挖掘進(jìn)打破了原有圍巖應(yīng)力場(chǎng)，隧道上覆巖土體卸荷變形產(chǎn)生沉降；第二部分是隧道開挖后臨空面的孔隙水壓力急劇下降，隧道周圍地下水在壓力水頭的作用下涌入隧道內(nèi)，導(dǎo)致上覆巖土體中孔隙水壓力下降，從而導(dǎo)致土體加速固結(jié)沉降。而不考慮地下水的地表沉降結(jié)果僅包括了第一部分引起的地表沉降，不能全面地模擬施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。因此，隧道穿越破碎帶時(shí)地下水對(duì)施工安全的影響是不能被忽視的，考慮流固耦合作用能更好地模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。

3.2 地下水埋深對(duì)隧道開挖變形的影響

TBM 隧道施工完成后，以右線隧道拱頂圍巖變形為研究對(duì)象，繪制了不同地下水位埋深作用下的沉降曲線，如圖6 所示。

圖6 不同地下水位埋深下隧道拱頂沉降曲線

由圖6 可知，在考慮流固耦合作用的情況下，3種工況隧道拱頂豎向沉降曲線趨勢(shì)一致，呈“V”形分布，拱頂沉降最大值都出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面Z=48 m 位置處。不同地下水位埋深的工況下，遠(yuǎn)離破碎帶的隧道拱頂沉降值相差不大，破碎帶內(nèi)拱頂沉降最大值分別為15.5 mm、13.2 mm、10.8 mm，這是由于圍巖松散破碎、強(qiáng)度較低，地下水的軟化作用使得圍巖在受到開挖擾動(dòng)的影響后的變形將大于正常圍巖變形。因此，地下水位的埋深對(duì)破碎帶隧道圍巖變形影響嚴(yán)重，當(dāng)TBM 施工至揭露破碎帶前，應(yīng)采取向前方圍巖注漿加固的措施，以達(dá)到圍巖加固和堵水防滲的目的，保證安全通過(guò)。

除了破碎帶區(qū)域隧道圍巖變形外，地表沉降的控制也對(duì)施工安全起著關(guān)鍵作用。為反映地下水位埋深對(duì)地表沉降的影響作用，繪制了不同地下水位埋深下三維地表沉降圖，如圖7 所示。由圖可以看出，隧道開挖完成后，TBM 掘進(jìn)引起的地面沉降的影響范圍集中在21～67 m 之間，這與破碎帶分布范圍大致相同。沉降從左右2 個(gè)隧道軸線向兩側(cè)地面逐漸降低，地面呈中間凹、四周凸的“漏斗”形狀。對(duì)比不同工況沉降云圖可以發(fā)現(xiàn)地下水位埋深越深，隧道施工所影響的地表沉降的范圍越小，且地表沉降的最大值越小。

圖7 不同地下水位埋深下三維地表沉降圖

為更準(zhǔn)確分析隧道開挖后破碎帶上方地表沉降規(guī)律，繪制了不同工況下隧道左線開挖完成后與隧道右線開挖完成后地表橫向沉降曲線，如圖8 所示。不同工況下，左線施工完成后，地表沉降的最大值出現(xiàn)在左線隧道軸線正上方，3 種工況下地表沉降的最大值分別為8.0 mm、7.1 mm、5.4 mm；雙線隧道施工完成后，3 種工況下地表均表現(xiàn)為“V”形沉降槽，沉降槽以2個(gè)隧道中軸線為中線，兩側(cè)曲線對(duì)稱分布，沉降值與距中線距離整體呈反比的規(guī)律變化。3 種工況下地表沉降最大值分別為11.4 mm、10.1 mm、7.9 mm。當(dāng)其他條件相同時(shí)，隨著地下水位埋深的增加，地表橫向沉降減小，且隧道開挖引起的地表沉降范圍逐漸減小。

圖8 不同地下水位埋深下地表沉降曲線

3.3 地下水埋深對(duì)圍巖孔隙水壓力分布的影響

TBM 在富水破碎帶掘進(jìn)施工過(guò)程中，由于隧道開挖引起的隧道周圍孔隙水壓力變化將直接影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。選取監(jiān)測(cè)斷面Z=48 m 處的孔隙水壓力變化進(jìn)行研究，不同地下水位埋深的孔隙水壓力云圖如圖9 所示。

圖9 不同地下水位埋深下孔隙水壓力云圖

隧道開挖形成臨空面，破壞了原有的滲流場(chǎng)分布，隧道周圍孔隙水壓力快速降低使得水力梯度迅速增大，孔隙水壓力形成了遠(yuǎn)端大中間小的分布規(guī)律，在水力梯度的驅(qū)使下，遠(yuǎn)處地下水向隧道處流動(dòng)，最終形成了“漏斗”形狀的孔隙水壓力分布規(guī)律。孔隙水壓力變化越大，水力梯度就越大，發(fā)生突涌水的概率就越高。因此，TBM 施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)著重監(jiān)測(cè)隧道拱腰兩側(cè)的水壓力變化情況，安裝完襯砌管片后及時(shí)進(jìn)行壁后注漿，避免在破碎帶處形成滲流通道。

選取隧道拱頂上方3 m 處作為研究對(duì)象，不同地下水位埋深下橫向孔隙水壓力分布曲線如圖10 所示。從圖中可以看出，孔隙水壓力橫向分布呈“漏斗”形狀。工況2、工況3 和工況4 遠(yuǎn)端至隧道處的孔隙水壓力變化差值分別為204 kPa、186 kPa、158 kPa。因此，地下水位埋深越淺，水力梯度越大，越容易導(dǎo)致TBM掘進(jìn)過(guò)程中突涌水的發(fā)生。從圖中還可以看到，隨著地下水位埋深的增加，孔隙水壓力變化速率將逐漸減小，且漏斗寬度逐漸增大。

圖10 不同地下水位埋深下孔隙水壓力分布曲線

4 結(jié)論

依托青島地鐵某線路TBM 隧道工程，考慮流固耦合作用，利用數(shù)值模擬的方法研究了地下水對(duì)破碎帶內(nèi)隧道圍巖變形的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

流固耦合作用下，由于地下水對(duì)破碎帶巖體的軟化作用，破碎帶內(nèi)隧道開挖所引起的圍巖變形較無(wú)滲流狀態(tài)下更大。考慮滲流影響的隧道開挖會(huì)導(dǎo)致地表沉降值更大，且沉降區(qū)域會(huì)更加廣泛。因此，隧道穿越破碎帶時(shí)地下水對(duì)施工安全的影響是不能被忽視的。

富水破碎帶圍巖變形及地表沉降受地下水位埋深影響顯著。雙線隧道施工完成后，地表沉降表現(xiàn)為“V”形沉降槽，沉降槽以2 個(gè)隧道中軸線為中線，兩側(cè)曲線呈對(duì)稱分布，沉降值與距中線距離整體呈反比的規(guī)律變化。地下水位埋深越小，破碎帶內(nèi)隧道圍巖變形和地表沉降越大。

富水破碎帶中TBM 隧道的開挖直接影響隧道周圍孔隙水壓力的分布。TBM 掘進(jìn)穿越破碎帶過(guò)程中隧道拱腰兩側(cè)及上覆巖層將形成較大的水力梯度，地下水位埋深越小，隧道周圍的水力梯度會(huì)隨之增大。在施工中應(yīng)對(duì)破碎帶內(nèi)圍巖進(jìn)行預(yù)加固處理并對(duì)隧道拱腰及拱頂?shù)目紫端畨毫ψ龊帽O(jiān)測(cè)，避免突涌水事故的發(fā)生。