復合地層盾構掘進隧道地表沉降及支護受力分析

王雙龍

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建 福州 350014)

復合地層盾構掘進隧道地表沉降及支護受力分析

王雙龍

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建 福州 350014)

以海島復合地層為典型代表，盾構穿越較節理發育的全風化花崗片麻巖時，地表以及地層變形難以控制，其施工安全性是需重點解決的問題之一。以廈門地鐵一號線董任站～集美中心站盾構區間隧道為工程背景，對盾構穿越的典型節理復合地層盾構開挖進行數值模擬，探明了復合地層盾構施工地表沉降和支護結構力學行為特征的規律，從而為保證復合地層盾構施工安全提供指導。

復合地層；盾構法；地表沉降；節理

1 研究的意義

復合地層盾構開挖難度大，地表以及地層變形難以控制，尤其在典型上軟下硬復合地層中盾構穿越節理較發育的全風化花崗巖地層時，掌子面穩定性分析、地表沉降規律以及管片力學特征等問題，均是施工安全性保障中需重點解決的問題。

國內學者針對復合地層中圍巖穩定性分析、地表沉降規律等展開了研究，并取得了一些成果：如張恒等[1]通過數值模擬和現場監測，對盾構影響地表沉降的掘進參數進行了系統分析；江帆等[2]研究了盾構掘進對上軟下硬土層引起的地表沉降及圍巖穩定性的影響。Peck R B[3]基于大量現場監測資料，對地面沉降槽進行分析，并提出了地面橫向沉降的估算公式；Mair R J和Taylor R N等[4]基于模型試驗，提出粘性土地層中的沉降規律，并分析了不同埋深下沉降槽寬度系數。王為樂[5]結合長沙地鐵區間盾構隧道工程，研究了不同復合地層條件下的圍巖和管片變形、受力以及地表沉降。

廈門地鐵一號線董任站～集美中心站盾構區間隧道，盾構穿越節理發育的全風化花崗片麻巖地層。基于3DEC離散元法，通過對盾構穿越典型節理發育地層時進行盾構開挖數值模擬，分析地表沉降規律、圍巖擾動范圍及管片受力特征，從而為該區復合地層盾構施工提供安全指導。

2 模型建立

2.1 計算模型的建立與假定

2.1.1 計算模型的建立

隧道開挖尺寸均為6.29 m，管片外直徑6 m，內直徑5.4 m，管片厚度為0.3 m；埋深大致為10～20 m，為避免邊界效應，選取左右邊界與隧道邊緣距離約為3D～4D，下邊界與隧道邊緣距離約為3D(D為隧道直徑)。開挖環數30環。計算模型取50m×40m×45m的長方體區，所建模型見圖1。

2.1.2 計算假定

地層和注漿體模擬均采用實體單元，采用Mohr-Coulomb屈服準則；盾殼、管片采用實體單元，用彈性材料模擬；開挖步距為l.5m，即一環管片寬度；模型初始應力只考慮自重應力場。

2.2 計算參數選取

為模擬巖土體不同的性質，根據地質勘察資料，對本區間典型地層進行分層處理，其中賦予每層巖土體相關土體參數，如表1所示。本區間選用管片支護參數為C50，抗滲等級P12，選用HPB300和HRB400鋼筋，管片考慮接頭效應，采用等效剛度進行模擬。盾構掘進過程中，盾構管片與土體之間存在縫隙，可以在施工中通過壁后注漿來填充，將注漿層簡化成等代層進行模擬，而其厚度大多根據施工經驗來選取，根據張云[6-7]提出的方法，選取等代層厚度為0.145 m。

根據掌子面素描以及《工程地質手冊》，數值模擬所選取節理參數為：所在地層<7Z>強風化花崗片麻巖，法向剛度2.1 GPa/m，切向剛度0.3 GPa/m，內摩擦角20.5°，粘聚力c0.10MPa，抗拉強度0.05MPa，節理密度4條/m，節理角度30°和150°。

圖1 計算模型圖

表1 地層、管片、等代層計算參數表

2.3 計算模擬方法

盾構推進時，為防止地表沉降，盾構機殼體起剛性支護作用，為模擬盾構機剛性支護效果，通過掌子面前4環管片和等代層賦予盾構機殼體材料參數來實現。為了方便盾構動態推進的模擬，采用面荷載模擬土倉壓力，根據現場掘進參數，向掌子面施加1.5 bar(1 bar=0.1 MPa)法向力。為了模擬施工中的空間效應，采用應力釋放或位移釋放進行等效處理，在盾尾施加管片時，進行一定計算步釋放10%圍巖應力后，激活管片和等代層參數。

3 全風化—強風化花崗片麻巖復合地層盾構施工數值模擬

選取的典型復合地層包含5種地層，其地層分布如表2所示。其中，盾構穿越節理較發育的全風化花崗片麻巖地層和強風化花崗片麻巖地層(隧道軸線埋深17 m)。

表2 軟巖地層分布監測及隧道埋深表

注：節理發育。

3.1 地表沉降分析

盾構動態推進過程中，刀盤距離監測斷面不同距離時，監測點沉降量如表3所示。監測斷面距刀盤為負值時，表示刀盤尚未到達該斷面；反之，表示刀盤已通過該監測斷面。

由圖2、圖3和表3可以看出，盾構推進過程中，刀盤距監測截面2D左右(D為隧道直徑)時，監測點出現隆起，在通過監測斷面之后，將會發生沉降，影響范圍約為2D。隧道中心線正上方監測點CJ1隆起值和沉降值最大，監測點距隧道中心線越遠，其沉降值和隆起值越小。本區間沉降警戒值為累計沉降24mm，累計隆起8mm，數值模擬計算結果是安全的。

表3 全風化—強風化花崗片麻巖復合地層監測點累計沉降 mm

圖2 刀盤距監測截面不同距離砂—粘土地表沉降云圖

圖3 監測點縱向沉降曲線

由橫向沉降曲線(見圖4)可知，當刀盤在監測斷面前方4.5 m左右時，地表沉降(隆起)規律呈正態分布。通過監測斷面后，地表沉降槽明顯。隧道中心線正上方，即CJ1點處沉降發展最迅速。盾構開挖對地表沉降影響分布在隧道中心線-15～15 m范圍(約4.8D)。

圖4 監測點橫向沉降曲線

選取全風化—強風化地層現場實測D169-1和D169-2與數值模擬監測點CJ1結果(見圖5)進行分析對比，結果表明，兩者的地表最大隆起值與沉降最大值出現的位置基本一致，規律曲線也基本吻合。

圖5 現場實測與數值模擬地表縱向沉降對比曲線

3.2 圍巖豎向位移分析

由圖6可以看出，盾構掘進過程中，在掌子面推力和隧道圍巖應力釋放過后，圍巖在支護后的拱頂周圍出現了沉降最大值，位置集中在掌子面后方4.5～6.0 m范圍內，隧道上方圍巖沉降范圍較大，距離拱頂越遠圍巖沉降值越小；隧道下半部分周圍圍巖變形較小，仰拱隆起最大值約為0.632 mm，幾乎沒有隆起現象，這是由于隧道穿越上軟下硬復合地層的原因。

圖6 不同掘進長度圍巖豎向位移分布云圖

隨著盾構的繼續推進，刀盤通過監測斷面之前，仰拱和拱頂幾乎沒有位移變化，刀盤通過監測斷面之后，監測斷面拱頂沉降在不斷增大，在刀盤掘進至監測斷面后方13.5 m左右時，監測斷面拱頂沉降值開始達到最大，為-9.117 mm，即盾構開挖對隧道拱頂和仰拱豎向位移的影響區域大致在2D左右，如圖7所示。

圖7 監測斷面仰拱和拱頂豎向位移

3.3 圍巖剪切滑移區分布規律分析

剪切滑移是圍巖失穩、發生破壞前存在的共有形態，即誘發圍巖發生漸進性破壞的主要原因。根據張志強[8]對于隧道穿越節理巖體的圍巖穩定性分析，采用剪切滑移區作為圍巖穩定性的判定指標。進行隧道開挖數值模擬之后，得到圍巖剪切滑移區如圖8所示。

一般來說，節理剪切滑移存在一個限值[9]，當巖層間節理滑移值超過這個限值時，區域圍巖將會發生松動，因此可根據圍巖節理滑移限值來作為安全性判釋標準。從圖8可以看出，剪切滑移區分布集中在隧道拱肩和拱頂區域，呈“帽子型”。其中拱頂部位剪切滑移深度較大，相對其它部位偏于不安全。5 mm剪切滑移區分布深度約為拱頂上方1.5～1.7 m。

圖8 剪切滑移區分布規律圖

3.4 管片應力分析

由圖9可知，掘進過程中管片所受最大拉應力在2～4 MPa左右，最大壓應力在16～18 MPa左右，均小于《混凝土設計規范》C50混凝土的最大拉應力和最大壓應力設計值，結構安全。管片受壓區域主要集中在管片環上半部分，這是由于隧道穿越上軟下硬地層時下部地層變形較小的原因。

4 結論

本文選取董任站～集美中心站盾構區間典型上軟下硬復合地層建立數值計算模型，通過對地表沉降規律、圍巖與支護結構受力及穩定性分析，對盾構開挖安全性進行了研究。

(1)現場實測表明，采用數值模擬分析實際地層情況是合理的。在上軟下硬復合地層中盾構開挖引起的地表沉降有明顯的沉降槽現象，隧道穿越節理地層并不影響地表沉降的正態分布規律，監測斷面最大地表隆起值和沉降值分別為1.618 mm和5.178 mm，滿足安全的需要。

(2)在上軟下硬復合地層中，隨著盾構的繼續推進，在刀盤通過監測斷面之前，圍巖豎向位移值很小，可以忽略不計。拱頂沉降在刀盤通過監測面之后，距離監測面2D的時候達到最大值-9.117mm，而由于隧道下半部分穿越硬巖地層，故仰拱幾乎沒有隆起。

圖9 不同掘進長度管片主應力分布云圖

(3)在上軟下硬復合地層盾構開挖過程中，剪切滑移區主要集中分布在隧道的拱肩和拱頂區域，可根據圍巖節理滑移限值來選取剪切滑移區分布規律圖作為安全性判斷標準。

(4)在上軟下硬復合地層盾構掘進過程中，管片以受壓為主，且由于下部地層巖性強于上部地層，管片環下半部分受壓比上半部分略小，管片所受的最大拉應力值在2～4 MPa左右，最大壓應力值在16～18 MPa左右，均小于《混凝土設計規范》C50混凝土的拉壓應力設計值，結構安全。

[1]張 恒，陳壽根，鄧稀肥.盾構掘進參數對地表沉降的影響分析[J].現代隧道技術，2010(5): 48-53

[2]江 帆.盾構掘進對上軟下硬土層引起的地表沉降及圍巖穩定性影響分析[D].合肥：安徽建筑大學,2014

[3]PECK R B.Deep excavations and tunneling in soft ground [C]//Proc 7th in conference on soil and mechanics and foundation engineering.Mexico City：[出版者不詳]，1969

[4]MAIR R J，TAYLOR R N，BRACEGIRDLE A.Subsurface settlement protiles above tunnels in clay[J]. Geotechnique，1993，43(2)：315-320

[5]王為樂.長沙地鐵復合地層盾構選型與掘進參數研究[D].長沙：中南大學，2012

[6]張 云.盾構法隧道的位移反分析及其工程應用[J].南京大學學報(自然科學版)，2001(3)：334-341

[7]張 云，殷宗澤，徐永福.盾構法隧道引起的地表變形分析[J].巖石力學與工程學報，2002(3)：388-392

[8]張志強，何本國，關寶樹.節理巖體隧道圍巖穩定性判定指標合理性研究[J].現代隧道技術，2012(1)：12-19

[9]林 銀.TBM在特長隧道中的地質適應性及關鍵控制技術研究[D].成都：西南交通大學，2013

Analysis of the Ground Settlement and the Stress of the Support and Supporting Lining of a Shield-Drilled Tunnel in Composite Stratum

WANG Shuanglong

(The 6th Engineering Co. Ltd. of the 17th Bureau Group of China Railway,Fuzhou 350014,China)

With the composite stratum of the sea island as the typical representative of the composite strata,when a shield is drilling through a joint-well-developed stratum of fully-weathered granite gneiss,it is extremely difficult to control the ground surface and the deformation of the stratum,in which case the security of construction is one of the most important problems that have to be focused on and solved.With the shield-drilled section of the tunnel of Line One of the Xiamen Metro between the Dongren Station and the Jimei Central Station as the engineering background, the shield's drilling through a typical joint-well-developed composite stratum is numerically simulated in the paper,with the laws of the ground settlement and the features of the mechanical behavior of the supporting structure in the course of a shield drilling through the composite stratum made clear,upon the basis of which the shield-drilling construction is guided in time and the security of the construction is ensured.

composite stratum;shield-aided method；ground settlement；joint

2016-07-15

國家自然科學基金(51278427)；國家自然科學基金(51678503)

王雙龍(1979—)，男，高級工程師，主要從事隧道工程方面的研究工作。2970902613@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.014

U452.12

B

1672-3953(2016)06-0053-05