斷層破碎帶中泥水盾構掘進參數優化研究

姜克寒，劉邦，秦坤元，周濤

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

泥水倉泥漿壓力、盾構掘進注漿壓力及掘進速度等是保證隧道安全、高效施工的關鍵。為確保泥水盾構的使用性能，研究泥水盾構參數對地層變形十分必要。施工參數的選取會對土層的損失產生很大的影響，因此，需對施工參數進行嚴格控制和合理選取。目前，針對盾構掘進參數優化控制的研究主要集中在2 個方面：①在不同地質條件下，不同掘進參數對圍巖變形的影響；②在掘進參數的優化措施及方法研究。張健[1]等人研究了盾構隧道施工時，地層深度和注漿壓力等對地層變形的影響。魏綱[2]等人基于Mindlin 解對盾構造成的地表沉降進行了計算。唐曉武[3]在此基礎上，補充了刀盤摩擦造成地表沉降的計算公式。張潤峰[4?5]等人通過工程實踐，得到了不同盾構隧道的實測掘進參數，并對其影響因素和工程措施進行了分析。余志剛[6]等人研究了泥質粉砂巖地層條件下，泥水盾構掘進參數的變化規律，并進行了關聯性分析。李超[7]等人采用BP(Back Propagation，簡稱為BP)人工神經網絡，建立了復合地層條件下，盾構掘進參數的預測模型。鄭剛[8]等人在分析盾構掘進參數和對周圍地層影響規律的基礎上，根據參數對地層變形的影響程度進行排序，并且針對參數提出相應的控制措施。凌同華[9]等人研究不同循環進尺對斷層段盾構隧道施工的影響，并進行驗證和優化。朱合華[10]等人通過數值模擬等方法，研究了不同推進速度及不同螺旋機轉速等情況下，施工參數對地層變形的影響。張恒[11?13]等人針對泥水倉泥漿壓力和盾尾注漿2 個參數，將盾構施工對地層變形的影響進行了詳細的分析。周文波[14]等人采用神經網絡，建立了盾構掘進參數的變形預測數學模型。杜鵑[15]等人基于層次聚類，提出了地下隧道施工中地表沉降致險因素的聚類機制。部分研究成果對盾構隧道施工的掘進參數進行了優化研究，但是對優化施工主要參數的研究鮮見。因此，本研究依托長沙地鐵 6 號線六溝垅-文昌閣(六文)區間左、右線下穿湘江泥水盾構隧道，穿越F085 主斷層破碎帶地層的盾構隧道施工。擬通過Midas/GTS NX 軟件對其開挖進行模擬，對施工參數進行優化數值計算，得到地表豎向變形圖和沉降槽分布曲線，分析不同參數對地層變形沉降的影響，獲得最適宜的掘進參數，以期為類似工程施工提供指導。

1 工程概況

長沙地鐵6 號線六文區間左、右線下穿湘江斷層破碎帶地層隧道工程。本區間隧道YDK29+184～YCK29+556 穿越F085 主斷裂(372 m)，YDK28+920～YDK29+184(264 m)和YDK29+556～YDK29+660(104 m)穿越F085 分支斷裂及斷裂影響帶，穿越斷裂及斷裂影響帶范圍為740 m。斷裂帶巖性為構造角礫巖和碎裂巖等，母巖為板巖和泥質板巖等。具有重新膠結現象，膠結極差，巖石強度極低。巖芯呈半巖半土狀。巖體呈角礫結構、散體結構及碎裂結構等，完整性極差，穩定性差。根據鴨子鋪隧道鉆孔ZK1-358 的資料，碎裂巖為灰色，巖芯呈碎屑狀。巖石質量指標RQD=0，巖石質量極差。巖體完整性指數為0.09～0.13 m，巖體極破碎，基本質量等級為Ⅴ級。巖石天然單軸抗壓強度平均為1.6 MPa。

湘江段F085 斷裂帶，與隧道軸線大角度相交，寬度約300 m，傾向東，傾角約80°，附近存在不明次生斷裂、軟弱夾層及裂隙，與湘江水體貫通，股狀地下水會產生涌出或突涌的可能，故該地段掘進是本工程的難點。區間盾構隧道地層條件、尺寸及隧道位置關系如圖1 所示。

圖1 地層條件剖面Fig. 1 Section profile of the formation coudition

2 掘進參數優化模型

根據現場盾構施工的工藝流程，通過Midas/GTS NX 軟件對其開挖進行模擬。為確保充分考慮盾構開挖的影響范圍，且消除模型邊界效應。根據實際工程現場條件，確定模型邊界范圍，以隧道開挖為中心點，取3～5 倍開挖洞徑，X,Y,Z方向分別取80,80,60 m。取湘江水位深度為9.8 m 位置，從上往下分別為：卵石和斷層破碎帶地層。土體應力應變關系采用修正摩爾-庫倫準則。3D 有限元數值模型如圖2～5 所示。

圖2 有限元模型整體Fig. 2 Overall diagram of the finite element model

圖3 長沙地鐵6 號線主線位置關系Fig. 3 Structure mutual position relation of Changsha MetroLine 6

圖4 泥水倉壓力示意Fig. 4 The mud silo pressure schematic

圖5 注漿壓力示意Fig. 5 The schematic of grouting pressure

模型中采用的所有參數，均根據地質勘探報告及相關設計資料獲取，本模型采用的地層及主要結構材料參數見表1。為使各施工參數對地層的影響更為突出，模擬施工過程中，不考慮右線的變形，僅比較 6 號線左線施工的模擬結果。模擬工況參數見表2。

2.1 盾構掘進泥水倉壓力

在泥水加壓式盾構工法中，通過在刀盤后方泥水倉內，注入泥漿，在泥水倉內形成一定大小的泥漿壓力，作用在隧道開挖掌子面上，與掌子面處的水土壓力保持平衡，保障隧道掌子面土體的穩定性。選取泥水倉泥漿壓力分別為 150,200,250,300 kPa4 種施工工況，進行該區間施工的模擬。

表1 模型地層參數Table 1 Formation parameters of the model

表2 模擬工況參數Table 2 Simulated operating parameters

不同泥水倉泥漿壓力作用下，隧道左線施工過程中，對應隧道軸線位置的地表豎向變形如圖6 所示。

從圖6 中可以看出，在盾構隧道左線施工過程中，引起對應隧道軸線位置的地表豎向變形較大。由于泥水倉泥漿壓力較大時，隧道掌子面前方土體的沉降值要小于低泥水倉泥漿壓力時的。表明：泥水倉泥漿壓力可以控制掌子面前方土體沉降變形，但盾構機繼續向前推進，泥水倉泥漿壓力較大時，會對開挖地層產生較大的擾動，最大沉降值隨著泥漿壓力的增大而增加。當泥水倉泥漿壓力分別為150,200,250,300 kPa 時，對應左線隧道軸線位置的地表最大沉降變形值依次為：11.46,11.69,11.77,11.93 mm。因此，結合有限元數值模擬計算結果，該區間泥水倉泥漿壓力設置為250 kPa 較為合適。

圖6 不同泥水倉壓力下的地表豎向變形Fig. 6 Vertical deformation of surface at different mud silo pressure

2.2 盾構掘進注漿壓力

選取注漿壓力分別為150,200,250,300 kPa 4 種施工工況，對該區間盾構施工注漿壓力參數的取值進行優化。不同注漿壓力作用下，隧道左線施工完成后，地表豎向變形如圖7 所示。

從圖7 可以看出，當選取盾構掘進注漿壓力分別為150,200,250,300 kPa 4 種施工工況，進行了模擬，最大地表豎向變形值依次為：12.89,12.86,12.83,12.80 mm。表明：地表最大變形值隨注漿壓力的增大而減小，但變化幅度較小。結合現場的地層條件，參考類似長沙區域盾構經驗，將該區間內的注漿壓力設置為250 kPa 較為合適。

2.3 盾構掘進速度

選取盾構掘進速度分別為10,20,30,40 mm/min 4 種施工工況，對該區間斷層破碎帶地層盾構施工掘進速度參數的取值進行優化分析。在不同的盾構掘進速度下，隧道左線施工完成后，垂直隧道軸線方向的地表沉降槽分布曲線如圖8 所示。

圖7 各注漿壓力下的地表豎向變形Fig. 7 Vertical deformation of the surface at different of grouting pressure

圖8 各掘進速度下的地表沉降槽沉降變形Fig. 8 Surface sink distribution curve at different driving speed

從圖8 中可以看出，當盾構掘進速度分別為10,20,30,40 mm/min 時，地表沉降槽最大沉降變形值依次為：11.51,11.92,12.39,12.95 mm。因此，盾構隧道施工過程中，盾構掘進速度越大，地層所受擾動程度和地表最大沉降值越大。該區間盾構穿越斷層破碎帶，巖體破碎，滲透性強，掘進速度的影響較大。需選擇合適的盾構掘進速度，使得泥水平衡盾構掘進過程中，刀盤開挖系統、泥水倉泥漿環流系統、盾構機千斤頂推力系統、同步注漿系統、渣土輸送系統及渣土改良系統等完美結合，共同保持動態平衡，實現盾構隧道安全經濟高效的施工。所以，根據本模型的計算結果和現場工程地質勘察報告及類似盾構施工工程的資料分析，將該區間的掘進速度設定為20 mm/min 為宜。

3 結論

依托長沙地鐵 6 號線六文區間左、右線下穿湘江泥水盾構隧道，穿越斷層破碎帶的施工工程。通過Midas/GTS NX 軟件，對其開挖進行模擬,得到的結論為：

1) 泥水倉泥漿壓力較大時，隧道掌子面前方土體的沉降值要小于低泥水倉泥漿壓力時的。表明：泥水倉泥漿壓力可以控制掌子面前方土體沉降變形。但隨著盾構機繼續向前推進，過大泥水倉壓力會對開挖地層產生較大的擾動，從而導致沉降變形增大。

2) 增大注漿壓力，地表豎向變形會有所減小，但對地層的最終變形值影響不大。

3) 盾構隧道施工過程中，盾構掘進速度越大，地層所受擾動程度和地表最大沉降值也越大。所以需控制盾構掘進速度為最優掘進速度，以實現盾構隧道安全經濟高效的施工。

4) 該工程泥水倉壓力取250 kPa，注漿壓力取250 kPa，掘進速度取20 mm/min。可為類似工程穿越斷層破碎帶地段盾構工程提供指導。