雙模盾構穿越大埋深軟巖施工卡機風險分析及研究

孫峰梅

(中鐵十九局集團有限公司 北京 101300)

1 引言

在我國大規模工程建設過程中，地下工程蓬勃發展，出現了一系列深埋超長隧道。而機械化程度高的盾構/TBM法因其施工速度快、安全性高等因素而成為深埋長大隧道施工的重要方法。當盾構/TBM在深埋隧道穿越軟弱地層時，將面臨圍巖大變形和盾構機卡機的施工風險[1]。據統計，圍巖擠壓大變形及其導致的TBM卡機災害占TBM重大事故的37%，是占比最大的地質災害[2-3]。

對于盾構/TBM深埋隧道施工中的卡機風險問題，有許多學者和工程師進行了相關研究。在對盾構/TBM隧道卡機機理分析方面，劉泉聲等論述了深部復合地層圍巖與TBM隧道的相互作用機理和施工安全控制及評價決策問題，分析了超千米深井巷道建設中TBM隧道卡機機理，即當TBM的推力無法克服圍巖對護盾產生的摩擦阻力時，便會導致TBM護盾被卡。同時，提出了一種監測護盾變形的方案及護盾受力的計算方法，針對TBM的卡機狀態定義了四個等級并提出對應的處理措施[4-6]。黃興等分析了TBM開挖卸荷后的圍巖擠壓大變形力學特性，定義了深埋隧道圍巖擠壓大變形概念及其臨界值，根據圍巖擠壓變形與開挖半徑間的比值和擠壓變形與擴挖間隙的比值這兩個指標將擠壓大變形劃分為五個等級。同時，基于圍巖流變本構模型和TBM卡機事故預測分析理論，提出了擠壓大變形和卡機數值計算方法，并分析了TBM不同時長停機狀態下的卡機行為[7]。溫森等考慮圍巖流變效應，建立了停機和連續掘進兩種狀態下TBM卡機狀態判斷模型，提出了預留變形和超前支護相結合時臨界超前支護強度的計算模型，進行了TBM卡機控制措施的研究[8]。吳迪基于三維蠕變地層-盾殼-結構數值模型，模擬盾構/TBM停機狀態下因圍巖流變而導致的卡機事故[9]。在盾構/TBM卡機問題處理方面，薛永慶介紹了引漢濟渭秦嶺輸水隧洞嶺北工程TBM穿越斷層破碎帶時刀盤和護盾發生卡機后的脫困技術[10]。王江分析了雙護盾TBM施工中三種常見卡機形式的原因，總結了五種卡機脫困的技術，提出雙護盾TBM卡機預防措施[11]。尚彥軍分析了昆明北部上公山隧道數次TBM卡機事故和護盾擠壓變形的典型實例，介紹了工程中采用的人工擴挖旁洞、鋼拱架支撐和超前導洞等處理措施。景琦通過對敞開式TBM撐靴支撐力分析，提出了盾構在軟弱圍巖中掘進反力保障措施[12]。

如上調研可知，對于深埋軟巖地質條件下的盾構/TBM，卡機風險是重要的施工問題。目前對TBM卡機問題的研究較多，而對于深埋盾構隧道施工卡機風險的研究尚不多，且不同工程的軟巖地質條件有很大差異。因此，本文結合廣佛環線東環隧道大源站-太和站區間工程，針對隧道穿越炭質板巖和砂巖軟弱地層條件，開展大埋深雙模式盾構隧道施工卡機風險分析，并提出相應的控制措施。

2 工程概況

廣佛環線廣州南站至白云機場段是珠三角城際軌道交通的重要組成部分，線路起于廣州南站，接入穗莞深城際鐵路竹料站，全長約46.7 km。東環隧道是該線路的重要工程，其中大源站-太和站區間隧道工程位于廣州市白云區太和鎮，為雙線鐵路隧道，主要采用盾構法施工，建筑長度6 804 m，盾構隧道總長6 144 m。盾構隧道主體結構采用單層裝配式通用管片環，并預留內襯施作空間。隧道外直徑8.8 m，襯砌管片厚400 mm，環寬1.8 m，采用“6＋1”分塊模式，管片混凝土強度等級為C50。

隧址區多為丘陵與丘間谷地，屬丘陵地貌，地勢起伏較大，地面高程21～135 m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超過130 m。且盾構隧道長距離下穿不同風化程度的片麻巖、炭質板巖、粉砂巖，圍巖風化程度高、強度差異較大、滲透性差異顯著。工程采用單護盾TBM、土壓雙模盾構掘進施工，掘進機轉換示意如圖1。圖中所標1、2分別為雙模轉換口，是目前國內首次采用單護盾TBM＋土壓平衡雙模大直徑盾構長距離穿越大埋深巖層，設計與施工難度極大。

圖1 TBM與土壓平衡雙模盾構機

3 盾構卡機數值計算分析

為了預測不同埋深下東環隧道雙模式盾構機在施工中的卡機風險，本文利用有限差分軟件FALC3D對盾構施工行為進行數值模擬。

3.1 數值分析模型

3.1.1 模型建立

結合隧道的工程地質特點，針對隧道全斷面穿越大埋深炭質板巖地層工況進行分析。炭質板巖是一種典型的軟巖，其結構呈層、片狀，膠結差、強度低，流變屬性明顯，且流變下限應力值較低。在大埋深高地應力條件下，盾構隧道開挖形成的低圍壓、高應力差環境使得盾構機極易發生卡機的風險。本文中將巖體視為各向同性等效連續介質，但考慮炭質板巖在大埋深高地應力條件下的流變特性，采用的巖體物理力學參數如表1所示。

表1 巖體物理力學參數

圖2為本文建立的計算模型。考慮數值計算的邊界效應，模型的范圍為(100×72×100 m)；計算時僅考慮地層的自重應力場，在模型x、y、z方向分別施加對應的構造應力；在模型上表面施加垂直力模擬上部覆蓋巖體重力作用，模擬不同埋深下的初始應力狀態，并在模型四周及底面采用法向位移約束條件。

圖2 三維模型

計算時管片襯砌采用實體單元模擬，針對盾構超挖及壁后注漿等因素的作用，對其用等代層的方法進行考慮；同時，為了有效模擬盾殼與圍巖的相對運動，模型中采用liner結構單元模擬盾殼。模型中盾殼、壁后間隙、超挖部分的位置關系如圖3所示，盾殼模擬的相關設置參數見表2。

圖3 模型斷面示意

表2 TBM護盾物理力學參數

3.1.2 模擬方法

圖4為東環隧道卡機分析模擬計算方法示意。首先不考慮盾構隧道的開挖過程，一次性開挖隧道至模型中部，然后模擬盾殼、超挖部位、管片襯砌、壁后間隙的施作，最后計算分析在地應力場作用下圍巖與盾殼的相互作用關系。

圖4 模擬開挖示意圖

3.1.3 計算工況

針對盾構隧道埋深的差異，本文設置了5種計算工況，分別為H＝80 m、100 m、120 m、150 m 及200 m。通過分析各工況下圍巖的變形特征和盾殼的受力變形行為，判斷各工況下圍巖與盾構的接觸-擠壓-摩擦相互作用關系，研究不同埋深條件下軟巖盾構施工卡機風險。

3.2 卡機結果分析

3.2.1 無支護條件下圍巖變形分析

不考慮盾殼、管片襯砌和壁后注漿層對圍巖的支護作用，以拱頂位置處圍巖為研究對象，得到盾構隧道開挖后其豎向變形曲線如圖5示。

圖5 無支護條件下圍巖豎向變形縱向剖面(LDP)曲線

由圖5可知，在無支護條件下洞周豎向位移較大，且隧道埋深越大圍巖豎向位移越大。當埋深為200 m時，洞周圍巖最大豎向位移為37.2 mm，遠大于盾構開挖時通過擴挖預留的變形間隙20 mm。因此圍巖勢必會與盾殼接觸，對盾殼產生一定的擠壓力并引起盾構卡機風險。

相較于礦山法隧道，盾構開挖時支護及時，限制了開挖引起的圍巖應力釋放，隧道支護體系承受了較大的圍巖壓力。因此，現以如圖4所示設置的3個監測點為研究對象，得到不同應力釋放率下各監測點的豎向變形規律如圖6所示。

圖6 監測點豎向位移

如圖6，對于洞周圍巖監測點A、B、C，在不同埋深條件下隨巖體應力釋放系數的增大，監測點的豎向位移逐漸變大，且監測點B位置處(盾殼尾部處)圍巖的豎向變形最大。隧道洞周拱頂位置處的圍巖豎向位移隨應力釋放系數的變化規律說明盾構支護越及時，對圍巖的擾動就越小，圍巖應力釋放系數越小，變形越小。

而對于盾構隧道，由于盾殼、壁后注漿層、管片襯砌等支護體系在隧道開挖過程中施作及時，限制了圍巖的應力釋放和變形，圍巖與盾殼直接接觸將圍巖荷載作用在盾殼上，對盾殼產生較大的擠壓力。同時，圖6的結果也表明對于盾構/TBM隧道，開挖時應合理設置超挖量，從而達到釋放圍巖壓力和減小盾殼所受壓力的作用。

3.2.2 圍巖與護盾相互作用分析

在實際盾構開挖過程中，由于刀盤半徑大于盾殼半徑會產生超挖的現象，當圍巖的徑向變形大于超挖間隙就會與盾殼接觸，圍巖變形荷載全部由盾殼承擔。本文僅模擬盾構隧道一步開挖過程，圍巖荷載由盾殼、管片襯砌、壁后注漿層共同承擔。其中管片襯砌和壁后注漿層限制了圍巖變形，而在盾殼范圍內由于超挖的存在，允許圍巖發生一定變形。如圖7所示為隧道開挖后盾殼范圍內拱頂位置處圍巖豎向變形曲線。

圖7 有支護條件下圍巖豎向變形縱向剖面(LDP)曲線

對比圖5、圖7知，在有支護條件下圍巖與護盾的相互作用，拱頂位置豎向位移遠小于無支護狀態下的值，說明盾殼承擔一定比例的圍巖變形荷載。

不同埋深條件下圍巖與盾殼的變形情況見圖8。盾殼用liner單元模擬，其位移為正值時表示發生沉降變形，反之為負值時表明為隆起變形。由盾殼的豎向位移分布規律可知，由于受開挖面的空間效應作用，豎向位移從盾殼前端到盾殼末端依次增大；而盾構隧道開挖后洞周圍巖拱頂位置發生一定的沉降，拱底位置發生隆起，且在管片襯砌已支護位置處沿隧道縱向洞周圍巖的豎向位移差異性不大。

盾殼的變形越大，說明其所受到的擠壓力作用越大。因此針對盾構隧道穿越深埋軟弱地層施工，應注意因圍巖荷載引起的盾殼變形過大和擠壓作 用明顯而產生的卡機問題。

圖8 不同埋深下圍巖與盾殼豎向位移

3.2.3 盾構卡機判斷

在盾構施工中，圍巖荷載作用在盾殼上而對其產生摩阻力作用，當盾構機自身所能提供的最大推力不足無法克服圍巖對護盾產生的摩擦阻力時，將產生盾殼卡機問題。參考已有的研究，現利用式(1)對盾構卡機行為判斷。

上式中:Fr為克服盾殼所受摩阻力需要的推力，根據力平衡關系可知其在數值上等于盾殼所受到的摩阻力；Fb為機器正常連續掘進開挖所需推力；F1為TBM推進系統所能提供的額定推力。利用FLAC3D軟件中的FISH語言得到Fr，相應的計算方法如式(2)所示。

護盾所受摩檫力主要是由圍巖擠壓變形對盾殼產生的摩擦力Rfs和由于TBM自重產生的摩阻力fW。式中:R為盾殼直徑；Ps(y)為圍巖對盾殼的擠壓力，可從數值模擬結果盾殼結構單元中獲取；f為圍巖與護盾間的摩擦系數；W為盾構機的自重。

利用公式(1)和(2)對不同埋深條件下盾殼的卡機風險進行判斷，結果如圖9所示，其中為臨界護盾阻力閾值。

由圖9可知，隨著埋深的增大盾殼所受摩阻力也隨之增大，當埋深超過100 m時盾殼受到的摩阻力將大于臨界阻力閾值，根據公式(1)可知在這種工況下會出現卡機情況。

4 盾構卡機事故控制與處理

上述計算表明盾構/TBM在深埋軟巖地質條件開挖時，圍巖的變形超過了護盾與圍巖之間預留的超挖量，當圍巖變形過大時會導致卡機事故的發生，嚴重影響工期。對此，針對如何控制和處理卡機事故的發生，提出以下三點建議:

(1)超前支護

當盾構穿越深埋軟弱巖層時，對隧道前方圍巖進行超前支護，提高圍巖強度，減小盾構開挖時的圍巖變形，從而避免盾構卡機行為的發生。常采用的超前支護措施有超前錨固、超前灌漿和凍結法等。其中在已破壞了的硬巖以及軟巖中多采用超前錨桿支護方法；在裂隙和松散破碎的巖層中多采用超前灌漿法；在滲透性強、可灌性差的沖積地層中可選擇人工凍結法。

(2)選擇合適的盾構機型

盾構開挖時由于超挖量的存在而形成圍巖的預留變形空間，使圍巖得到一定程度的應力釋放而發生變形。當圍巖的徑向變形大于超挖間隙時會對盾殼產生擠壓作用，而施加在盾殼上的荷載與超挖間隙有關。超挖間隙越大，盾殼荷載越小，盾構機需要克服的摩擦力也大為減小，卡機的風險越小。而對于盾構隧道，盾構機型決定了超挖間隙的大小。因此針對盾構穿越大埋深軟弱地層掘進施工，應選擇合適的盾構機型，預留圍巖變形空間，減小施工卡機風險。

(3)圍巖擴挖

當施工中出現盾構卡機的問題而無法啟動時，通過圍巖擴挖的方法迅速釋放盾殼上的圍巖壓力，使盾構盡快運轉起來，以防圍巖再次產生大的變形。圍巖擴挖方法及原理如圖10所示。

圖10 圍巖擴挖原理示意

對圍巖進行擴挖時，首先通過化學注漿對圍巖進行加固，待注漿凝固后盡快在盾殼兩側開挖以釋放圍巖壓力，使盾構運轉起來以盡快地通過。而如果圍巖條件很差，作用在盾殼上的擠壓力很大，則需要采用先開導洞再擴挖的方案對卡機問題進行處理，即先進行注漿加固，再拆除一定數量的管片作為輔助導洞進口，然后開挖一條通道至盾構掌子面，逐步在盾殼外側位置處進行人工擴挖，以達到釋放圍巖壓力的作用。

5 結論

本文針對廣佛環線東環隧道工程項目，對不同埋深下雙模式盾構機在施工中的卡機風險進行了數值模擬分析，并探討了深埋雙模式盾構隧道施工卡機風險的控制與處理措施，得到結論如下:

(1)隨著埋深的增加盾構機開挖對圍巖的擾動也隨之增大，作用在盾殼上的法向應力也越大，導致摩擦力越大，卡機事故發生的概率增加。

(2)對于盾構隧道的開挖，土體主要是一個卸荷過程。本文通過監測三個點位在不同應力釋放系數下的豎向位移得出支護越及時圍巖對盾殼的擠壓作用就越大，就越容易出現卡機的情況。

(3)針對大埋深雙模式盾構施工的卡機風險，可以從超前支護、選擇合適盾構機型、圍巖擴挖三個方面進行控制和處理。