盾構穿越突變地質擾動規律分析

劉希武

摘要 在隧道開挖過程中，不可避免地會穿越軟硬不均、土巖復合等多相突變地質。采用盾構法進行隧道開挖時，盾構穿越突變地質界面會引起圍巖變形、地表沉降、地質界面滑移失穩等問題，嚴重影響盾構施工的正常進行。文章以濟南地鐵R2線寶華街站—長途汽車站區間為工程背景，研究寶長盾構區間施工過程中盾構隧道由硬巖向軟巖開挖時周圍圍巖及地表沉降規律，即開挖面與地質界面距離和傾角對圍巖變形影響以及開挖進尺和地質界面傾角對地表沉降影響。研究結果表明：（1）圍巖及地表變形都隨著地質界面傾角的增大而減小，當地質界面傾角為90 °時，圍巖及地表變形最小；（2）隨著開挖進尺的增大，地表的邊緣和中心沉降也不斷增大。

關鍵詞 突變地質；擾動規律；圍巖變形；地表沉降

中圖分類號 U231文獻標識碼 B文章編號 2096-8949（2024）03-0097-04

0 引言

濟南地區位于平原和山地的交接地帶，地勢呈南高北低走向，為平緩的單斜構造[1]。該區域的典型地質主要是由地質構造和巖溶發育構成。淺表土為典型的黃河沖洪積地層，以黃土、粉土、粉質黏土、細砂土及卵礫石為主，地層松散、欠固結，承載力低[2]；表土層以下為寒武系和奧陶系石灰巖，受南部山區徑流補給及長期溶蝕，巖溶發育，形成發達的地下水脈絡通道，經地質構造運動，部分石灰巖褶皺上抬或出露，形成極具特色的軟硬不均突變地質環境[3]。該區域地下水豐富、滲流通達、地質軟硬不均且界面傾角多樣，致使開挖面失穩破壞模式及地層擾動特性極為復雜，給盾構施工風險防控及周邊環境穩定帶來了極大挑戰。

該文以濟南地鐵R2線寶華街站—長途汽車站區間為工程背景，分別考慮了地質界面傾角、開挖面與地質界面距離、開挖進尺等因素的影響，研究了在寶長盾構區間施工過程中周圍圍巖及建筑物的變形規律。通過對盾構穿越突變地質界面過程中圍巖及地表變形的分析，得出采取變形控制措施后的監測結果，為今后類似的施工提供了借鑒，具有重要的管理啟示和現實意義。

1 國內外研究現狀

在突變地質環境下，由于地層的不確定性以及地形的復雜性，盾構過程中的推進阻力會發生劇變。如果不能及時平衡開挖面的支護壓力，可能會使盾構姿態發生偏移，導致掌子面前方土壓失穩[4]，進而引起圍巖或地層的較大變形，甚至會造成地表坍塌，嚴重影響既有建筑物的安全。而且，在盾構穿越突變地質的過程中，極易引發工程災害，而造成災害頻發的根本原因在于突變地層中存在大量軟硬不均勻地質體，在盾構擾動的作用下，產生了微觀損傷和細小形變，隨著時間的累積不斷加劇，最終在宏觀上表現為突變地質界面滑移變形、開挖面失穩破壞、地層變形及地表沉降等工程事故[5]。

1.1 地表沉降研究

研究盾構穿越突變地質界面過程中地表沉降規律，對于維持周邊環境穩定以及災害預防具有重要意義。康永煒[6]通過有限元分析軟件進行相應的數值模擬，高效準確地進行了地表沉降的預測。陳強[7]通過建立盾構隧道仿真模型，分析了在地層參數不同的條件下，開挖面的支護壓力對地表變形的作用，并運用有限元模擬軟件建立了軸對稱的半隧道模型，對不同加固條件下隧道開挖面的失穩過程進行了模擬，得出了失穩條件下地層沉降規律。肖國微等[8]通過研究軟硬比例不同的復合土層，得出了“隨著硬巖比例的增大，地表的沉降值變小”的結論。重點研究了軟硬不均地層交界段的地表沉降情況，得出了“當盾構穿越軟硬不均勻地層時，可以適當調整盾構姿態，而且針對地表沉降的增大，還可以適當增大筒倉壓力”的結論。劉重慶等[9]根據現場監測數據，建立了相應的工程數值模型，探索了在軟硬不均的復合地層中地表沉降規律：在突變的地層中，橫向沉降受硬層比的影響比較明顯，地表沉降量隨硬層比的增大而整體減小。上述研究得到的地表變形規律通常是依靠數值模擬得到的，然而對地表預測模型和地層變形機理往往缺乏理論依據，而且對開挖面失穩造成的地層沉降機理認識不足。

1.2 地層穩定性研究

研究盾構穿越地質界面過程中地層的變形機理，對于工程災害的防治有重大意義。竺維彬等[10]指出，突變地層發生劇烈變形主要是因為穿越過程中掘進參數和開挖推力波動較大，導致掘進速度急劇下降，最終造成開挖面前方地層坍塌。為解決這個工程問題，研發了一種能夠自動清除氣壓的土壓平衡盾構機，為施工過程中高效支護及地層的穩定性提供了技術保障。胡鷹志[11]探尋了一種新的加固方式，在突變地質條件下可以安全、有效、快速地完成土體加固，并分析了突變地質環境下盾構姿態超限的原因，提出了姿態控制方法以及糾偏方案。史海波[12]分析了盾構穿越巖—土復合地層時，盾構開挖對地層穩定性造成的不良影響，提出了優化盾構參數、加土加固等施工方法。上述研究成果對盾構穿越突變地層的穩定性有著重要的指導意義，但是大多從盾構技術及隧道設計角度出發，并沒有進行地質界面破壞特征、界面失穩機制以及參數敏感性等方面的研究。而國內現有的地質界面穩定性研究一般存在于礦山煤炭組合體之中，與突變地質界面的破壞機制差異較大。

1.3 開挖面穩定性研究

目前，極限支護力的確定方式是開挖面穩定性的研究重心，其中，極限平衡分析法在開挖面失穩破壞的研究中最為廣泛。在假設地層均勻條件下，Liang Xing等[13]采用PFC3D對開挖面失穩機理和破壞模式進行了研究。對太沙基松散土壓力公式進行了合理修正，并利用修正后的公式和極限平衡力學模型推導了極限支承壓力。Tang Yiqun等[14]分析了計算極限支護力時的影響因素。Xue Yiguo等[15]利用層次分析法和熵權法得到了各評價指標的權重。基于思想方法建立了盾構施工開挖面穩定性評價模型。為了分析開挖面的穩定性，李春良等[16]運用雙參數彈性地基理論，在狀態空間理論的基礎上建立了縱向力學模型，并進行了掘進過程中對于開挖掌子面應力釋放的模擬，進而分析了應力釋放程度的大小對于開挖面極限支護力的影響。李險峰等[17]運用了有限拆分法，對實驗模型進行了數值計算，揭示了開挖面的中心位移Y與地表變形累計值S之間的線性關系，為突變地層開挖面穩定性的監控提供了新的方法和思路。王國富等[18]在筒倉理論的基礎上提出了一個關于曲面開挖面的極限平衡模型，為曲線隧道施工支護以及開挖面穩定性提供了理論指導。康芮等[19]運用數值模擬技術，基于數值模擬和模型試驗，優化了開挖面穩定性的分析方法，研究了地層變形的原因，最終確定了穩定開挖的極限支護力。張孟喜等[20]采用PFC2D模擬了正交隧道掘進施工，通過建立數值分析模型，得出了拱底變形主要與基巖的力學性質有關，進而分析了開挖面失穩破壞形式，總結了縱向開挖地層失穩規律。

2 開挖面與地質界面距離和傾角對圍巖變形影響

2.1 開挖面與地質界面距離不同對圍巖變形影響

由于地質界面存在多種可能性，該節在研究開挖面與地質界面距離不同對圍巖變形影響時，僅考慮界面傾角為90 °的情況。分析了開挖面距地質界面S=10 m、S=8 m、S=6 m、S=4 m、S=2 m、S=0 m時，隧道周圍圍巖的拱頂豎向和縱向位移圖。當S=10 m時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為2.39 mm，最大縱向位移為1.21 mm，方向為Y軸負向，且最大縱向位移發生在S=10 m時；當S=8 m時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為2.48 mm，最大縱向位移為1.42 mm，方向為Y軸負向，且最大縱向位移發生在S=8 m時；當S=6 m時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為2.62 mm，最大縱向位移為1.58 mm，方向為Y軸負向，且最大縱向位移發生在S=6 m時；當S=4 m時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為2.71 mm，最大縱向位移為1.82 mm，方向為Y軸負向，且最大縱向位移發生在S=4 m時；當S=2 m時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為2.79 mm，最大縱向位移為2.04 mm，方向為Y軸負向，且最大縱向位移發生在S=2 m時；當S=0 m時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為3.02 mm，最大縱向位移為2.98 mm，方向為Y軸負向，且最大縱向位移發生在S=0 m時。

根據以上模型對比分析可以得出以下結論：

（1）當盾構隧道由硬巖向軟巖開挖時，隨著隧道開挖面與地質界面之間的距離不斷減小，隧道拱頂處圍巖豎向變形增幅越來越大，并在地質界面前方4 m范圍內，變形增幅最大。因為在盾構施工的過程中，由于開挖面和地質界面之間的硬質圍巖被不斷挖除，大大削弱約束軟質圍巖變形的能力，致使軟質圍巖段的土體變形增加，界面效應的影響范圍主要在突變地質界面前30 m和突變地質界面后20 m。

（2）在隧道開挖過程中，拱頂處圍巖的縱向位移呈漏斗狀，在開挖面處達到最大，而且最大值隨著開挖面的移動而移動。類似于拱頂圍巖豎向變形規律，在開挖面距地質界面0～4 m范圍內，變形增幅最大。在該模型中，隧道直徑設定值為6.4 m，故可認為開挖面與地質界面的距離近似為0.6倍隧道直徑時，突變地質界面處的位移開始發生明顯變化。

綜上可知，在盾構施工的過程中，應盡可能地由硬巖向軟巖施工，而且隨著開挖面不斷接近地質界面，及時做好加固措施，防止圍巖的變形過大。

2.2 地質界面傾角不同對圍巖變形影響

該文數值分析了地質界面傾角為α=45 °、α=60 °、α=75 °、α=90 °時，隧道周圍圍巖拱頂豎向和縱向的位移。當α=45 °時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為5.02 mm，最大縱向位移為3.82 mm，方向為Y軸負向；當α=60 °時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為4.06 mm，最大縱向位移為3.26 mm，方向為Y軸負向；當α=75 °時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為3.58 mm，最大縱向位移為2.74 mm，方向為Y軸負向；當α=90 °時，沿Z軸負向，拱頂最大豎向位移為2.60 mm，最大縱向位移為2.32 mm，方向為Y軸負向。

進而得到以下研究結論：

（1）地質界面傾角α=90 °時，拱頂處圍巖縱向和豎向位移最小。α分別為75 °、60 °、45 °時，拱頂處圍巖的縱向和豎向位移逐步增大。

（2）開挖掌子面在地質界面前方時，拱頂圍巖處的豎向位移幾乎不變。當隧道開挖面到達地質界面前方4 m時，拱頂的豎向位移開始發生變化。當隧道開挖面到達地質界面后方，且與地質界面距離小于10 m時，拱頂圍巖處的豎向位移明顯有減小的趨勢，此時的地質界面效應最為顯著。隨著開挖面逐漸遠離地質界面，地質界面效應的影響逐漸減小，拱頂處的豎向位移最終趨于穩定。地質界面前方4 m至地質界面后方10 m范圍內，圍巖變形幅度較大，在該范圍內拱頂的豎向位移主要受地質界面效應的影響。

（3）當盾構開挖面未到達地質界面時，從地質界面前方30 m左右的地方開始，拱頂發生輕微的縱向位移，但是位移幅度較小。隨著隧道開挖面不斷接近地質界面，地表的縱向位移也會隨之增大，但受地質界面傾角等因素的影響，地表的縱向位移值有所不同；當盾構開挖面剛好到達地質界面處，由于開挖面前方土體的性質發生變化，致使盾構機設定的筒倉壓力會影響掌子面前方土體的變形，從而加大對周圍地層的擾動，致使地層應力發生變化，進而使該區段的地表縱向位移在地質界面處達到最大；當盾構開挖面經過地質界面后，隨著開挖面逐漸遠離地質界面，地表的縱向位移快速減小，最終趨于穩定。

3 開挖進尺和地質界面傾角對地表沉降影響

3.1 開挖進尺不同對地表沉降影響

該文分析了地質界面傾角α=90 °時，開挖進尺分別為M=10 m、20 m、40 m、80 m時，地表邊緣沉降和地表中心沉降情況。根據仿真結果可知，隧道由硬巖地質向軟巖地質掘進時，當M=10 m時，地表邊緣最大沉降值為1.02 mm，地表中心為1.21 mm；當M=20 m時，地表邊緣最大沉降值為1.61 mm，地表中心為1.66 mm；當M=40 m時，地表邊緣最大沉降值為2.64 mm，地表中心為3.34 mm；當M=80 m時，地表邊緣最大沉降值為2.96 mm，地表中心為4.21 mm。根據地表邊緣和地表中心的模型對比分析圖可得：隨著開挖進尺的增大，地表沉降值也變大。

綜上所述，隨著開挖進尺的不斷增加，地表的邊緣沉降和中心沉降也不斷增大，且當隧道從軟巖地質開挖至硬巖地質時，其地表的沉降值更大。

3.2 地質界面傾角不同對地表沉降影響

根據仿真結果可知：當α=45 °時，地表邊緣最大沉降值為2.42 mm，地表中心為4.02 mm；當α=60 °時，地表邊緣最大沉降值為2.37 mm，地表中心為3.98 mm；當α=75 °時，地表邊緣最大沉降值為2.34 mm，地表中心為3.75 mm；當α=90 °時，地表邊緣最大沉降值為2.23 mm，地表中心為3.55 mm。進而得出以下結論：

（1）當地質界面傾角不同時，地表的邊緣和中心的沉降也不同，地質界面傾角α=45 °時地表沉降最大，地質界面傾角α=60 °、α=75 °時地表沉降依次減小，當α=90 °時地表沉降最小。

（2）盾構隧道由硬巖地質向軟巖地質開挖時，地表中心沉降更大。

4 結語

該文以濟南地鐵R2線寶華街站—長途汽車站區間為工程背景，研究開挖面與地質界面距離和傾角對圍巖變形影響以及開挖進尺和地質界面傾角對地表沉降影響。研究結果表明：

（1）圍巖及地表變形都隨著地質界面傾角的增大而減小，當地質界面傾角為90 °時，拱頂圍巖處的縱向和豎向位移均為最小，并隨著地質界面傾角的減小而不斷增大，地表邊緣沉降和地表中心沉降最小，并隨著界面傾角的減小而增大。

（2）開挖面與地質界面距離不同時，隧道拱頂圍巖處的豎向位移隨著開挖面不斷接近地質界面，呈現出不斷增大的趨勢，并且位移增幅也越來越大，在距離地質界面0～4 m的區間內豎向位移增幅達到最大。拱頂圍巖處的縱向變形隨著盾構隧道不斷掘進，呈現出漏斗狀，具有先增大后減小的趨勢。

（3）開挖進尺不同時，地表邊緣沉降和地表中心沉降都隨著開挖進尺的增大而增大。當隧道上方有建筑物時，盾構施工過程會對地表建筑物產生影響，具體表現在建筑物豎直和水平方向的變形。

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