盾構帶壓進艙開挖面穩定性分析及合理進艙換刀區間判斷研究

胡威東， 周子揚， 封 坤， *， 鄧朝輝， 劉議文

(1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063； 2. 水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心， 湖北 武漢 430063； 3. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

0 引言

近年來，盾構法在水下隧道與城市軌道交通建設中得到了廣泛應用。當盾構在水下復雜地層施工時，刀盤刀具因被磨損而常需檢修或更換，停機進艙作業在所難免。

當前，盾構施工換刀的方式往往根據地層條件選擇： 1)在自穩能力較強的圍巖環境中換刀時，一般采用常壓直接開艙的方式。2)當處于軟巖或富水地層時，一般會考慮3種方案： ①地層經過排水加固后在常壓條件下敞開換刀；②從開挖面前方打豎井到刀盤前換刀；③利用壓入空氣穩定開挖面，工人在帶壓環境中進艙換刀[1-2]。帶壓進艙換刀由于適用范圍較廣，已在隧道工程中有了較多的應用。如： 程明亮等[3]通過北京地鐵帶壓換刀施工實踐，在最大工作氣壓0.28 MPa下成功帶壓動火焊接換刀；武漢長江隧道施工中首次在0.45 MPa高壓下帶壓作業；南京揚子江隧道應用飽和氣體帶壓換刀，在0.63 MPa氣壓條件下共進行240次換刀作業，更換刀具300余把[4-5]；南京地鐵3號線穿越玄武湖區間隧道，成功采用水泥砂漿護壁技術在上軟下硬地層保壓換刀[6]；王住剛等[7]解決了西安地鐵土壓平衡盾構在富水密實性砂層中帶壓換刀的問題；段浩等[8]針對成都地鐵1號線擬換刀位置進行分析，確定以富水砂卵石地層為主的換刀位置以及對應的換刀方案。

過高的氣壓環境會導致施工人員的有效工作時間降低，甚至損害工人健康，而過低的壓力則會導致開挖面失穩。所以，因地制宜地選擇帶壓換刀位置，并設置合理的氣壓是整個帶壓換刀施工的關鍵。針對開挖面穩定性判斷，蘇文德等[2]針對廈門軌道交通2號線跨海隧道，分別采用經驗公式與改進楔形體模型的數值計算法計算最小帶壓進艙壓力值，并對比實際測試氣壓大小，選取優化的計算方法；Taylor[9]在提出有限元強度折減法和超載法原理后，鄭穎人等[10-11]、李欣[12]結合相關理論，采用數值計算方法解決了大量巖土工程問題，推動了極限平衡法在巖土工程等相關領域的應用；王林等[13]采用數值模擬與理論相結合的方法，揭示了隧道開挖面擠出破壞的局部失穩模式，并基于極限分析方法提出了一種考慮局部失穩模式的隧道開挖面擠出破壞新機制；宋洋等[14]通過模型試驗與理論分析，建立了適用于砂-礫復合地層的盾構隧道開挖面極限支護力計算模型；張亞洲等[15]采用現場實測資料和數值模擬結果分析相結合的方法，探明揚州瘦西湖隧道泥水盾構在膨脹性黏土地層停機時開挖面失穩和地面塌陷的特性；呂璽琳等[16]基于村山氏極限平衡法和極限分析上限法，研究了盾構隧道開挖面穩定性，并推導出維持開挖面穩定的最小極限支護壓力計算公式。

總的來看，現階段對于盾構開艙換刀一般根據經驗確定施工中的相關參數，并沒有形成普適性的計算理論。對于地質復雜或破碎的地層無法準確判斷氣壓平衡大小，導致開艙失敗以至于不得不重新尋找合適的換刀位置，嚴重影響了施工進度；而對于合理換刀位置的判斷，相關研究較少，無法在施工前預判適合帶壓換刀的區段。鑒于此，本文依托佛莞城際鐵路獅子洋隧道工程，對水下不同地層條件進行開挖面穩定性計算分析，提出選取適合盾構帶壓換刀作業斷面的判別方法，并針對依托工程給出合理換刀位置選擇的建議。

1 開挖面穩定性計算分析

1.1 依托工程概況

佛莞城際鐵路獅子洋隧道穿越地段地形為珠江兩岸的平坦開闊地帶，隧道全長6 150 m，盾構段長4 900 m。隧道上覆第四系土層，其中岸邊段第四系土層以淤泥層和砂層為主，水下段以淤泥層、砂層及細圓礫土為主，下伏基巖以泥質砂巖、砂巖和泥巖為主。隧道穿越的地層主要為淤泥地層、砂層和圓礫土、W2中風化泥質砂巖以及W3強風化泥質砂巖。獅子洋隧道穿越地層縱斷面圖見圖1。

圖1 獅子洋隧道穿越地層縱斷面圖

場區地表水主要為珠江獅子洋及兩岸小河涌，工程所處區域雨量充沛，河網發育，為地下水的滲入補給提供了充足的水源，地下水位在1～5 m。

獅子洋隧道采用單洞雙線布置，隧道內徑12 m、外徑13.1 m，標準環寬2.0 m，分塊方式采用6+2+1，封頂塊楔形量為30 mm。盾構采用“匠心號”泥水平衡盾構，盾殼0.14 m，襯砌結構采用C50高性能耐腐蝕混凝土，混凝土抗滲等級P12。襯砌結構示意圖如圖2所示。襯砌與盾殼計算參數見表1。

圖2 襯砌結構示意圖

表1 襯砌與盾殼計算參數

1.2 數值模型建立

采用FLAC3D有限元軟件進行建模，模型采用實體六面體單元，服從Mohr-Coulomb準則，對初始模型底面、左右邊界及前后邊界施加法向位移約束。

初始計算模型如圖3所示。初始覆土高度為5 m，大致為盾構端頭處的覆土高度，設置初始水壓力，水位高度與模型上頂面齊平。圍巖根據獅子洋隧道所穿越的W2中風化泥質砂巖、W3強風化泥質砂巖、圓礫土及淤泥4種不同地層環境分別設置。

設置初始計算模型后，開始設置隧道開挖步驟，保留8 m襯砌完成拼裝模型，同時模型前端6 m保留盾殼結構，后端原盾殼部分用圍巖材料回填填充(本計算不考慮注漿回填的影響)，此時停止隧道開挖，模擬盾構停機時的狀態，如圖4所示。

在停機模型的基礎上，于模型上界面以面力的方式施加均布荷載，以模擬隧道埋深增大后上覆土層帶來的影響，同時，在開挖面施加抵抗位移變形的面力。盾構帶壓工作環境為高壓環境，超過一定界限將對人體機能產生不良影響，根據CJJ 217—2014《盾構法開倉及氣壓作業技術規范》[17]以及國外相關規范，帶壓進艙的氣壓大小一般不超過0.36 MPa[18]。在停機平衡計算時，設置0.36 MPa垂直開挖面向圍巖內的表面荷載，模擬帶壓進艙最大氣壓條件?？紤]到盾構刀盤的骨架支撐作用，盾構開口率設置為39%。據此，計算時在開挖面施加61%的縱向不平衡力反力。

圖3 初始計算模型(單位: m)

圖4 停機模型

1.3 數值計算流程

結合有限元數值計算軟件特征以及Mohr-Coulomb本構模型的特點，計算以模型不收斂或者位移增量突變時即判斷開挖面失穩。計算流程如下：

1)設置模型圍巖材料，施加開挖面荷載以及上表面荷載(初始為0)。

2)分別提取開挖面中間點(x=0，y=0)、上側監測點(x=0，y=5)、右側監測點(x=5，y=0)及下側監測點(x=0，y=-5)處位移，計算每次位移變化斜率Ki。測點位置示意圖如圖5(a)所示。

3)肖明清[19]提出的數值計算中可作為極限狀態的判斷條件如下： ①有限元計算迭代求解不收斂[20];②有限元計算位移出現突變[20];③超過極限剪應變的圍巖深度達到一定范圍;④受拉破壞區深度超過一定范圍。本文將計算出現不收斂情況以及開挖面位移突變視為達到極限平衡(當4個監測點中斜率增長λi=Ki+1/Ki大于2時,認為此時位移增長迅速，視為位移突變[14]，見圖5(b))。

(a) 測點位置示意圖

Δx為上覆荷載增量; Δyi為第i區間內位移增量; Δyi+1為第i+1區間內位移增量; Ki為第i位置斜率; Ki+1為第i+1位置斜率。

4)根據位移變化斜率及計算收斂情況判斷開挖面是否失穩。若開挖面處于平衡狀態，增大上覆荷載重復第2)步驟計算；若開挖面失穩，則此時上覆荷載大小即為失穩臨界荷載。

5)對隧道區段采用全土柱理論計算隧道上部大致上覆荷載，對比對應地層臨界荷載大小，判斷是否適合帶壓換刀。

數值計算流程圖如圖6所示。

圖6 數值計算流程圖

按照上述計算方法，為探究不同地層圍巖環境對帶壓開艙施工的影響，選取獅子洋隧道施工過程中洞身穿越的4種典型圍巖進行試算，計算時按照如表2所示的土體性質參數取值，得到不同圍巖環境下逐級增大上覆荷載時開挖面位移變化情況。

表2 獅子洋隧道土體性質參數

1.4 數值計算結果分析

1.4.1 圓礫土地層

圓礫土地層開挖面位移與上覆荷載關系如圖7所示。在圍巖環境為圓礫土地層時，當上覆荷載較小，開挖面上部位移有向內擠壓的趨勢，開挖面下部向外擠出。當上覆荷載持續增大至0.3 MPa時，λi的值為5.60，可以判斷此時開挖面發生失穩。在上覆荷載作用下，開挖面位移較大，下部監測點最大位移接近45 mm。當上覆荷載持續增大至0.45 MPa后，計算已無法正常收斂，后續計算失效。

1.4.2 中風化泥質砂巖地層

中風化泥質砂巖地層開挖面位移與上覆荷載關系如圖8所示。中風化泥質砂巖地層巖性較好，上覆荷載較小時開挖面位移穩定，在開挖面荷載推動下，開挖面向內輕微變形；當上覆荷載超過0.3 MPa時，開挖面有向外擠出變形的趨勢，且隨著上覆荷載的持續增大，當上覆荷載增大到0.9 MPa時，最大擠出位移達到1.48 mm，λi的值為2.28，可以判斷在此荷載作用下開挖面發生失穩。

1.4.3 強風化泥質砂巖地層

強風化泥質砂巖地層開挖面位移與上覆荷載關系如圖9所示。當上覆荷載較小時，開挖面產生較大的向內擠壓變形，在實際施工中可采取減小艙壓或者采用常壓換刀的方式，避免淺埋時帶壓換刀風險。當壓力增加到0.56 MPa時，λi的值為2.804，此時發生位移突變，開挖面失穩。

圖7 圓礫土地層開挖面位移與上覆荷載關系

圖8 中風化泥質砂巖地層開挖面位移與上覆荷載關系

圖9 強風化泥質砂巖地層開挖面位移與上覆荷載關系

1.4.4 淤泥地層

對于淤泥地層，在不施加上覆荷載的條件下，開挖面位移隨著計算步的增加而持續增大，數值計算無法收斂。開挖面上端受垂直開挖面荷載的影響向內側位移，下部向外擠出，開挖面位移示意圖如圖10所示。由此可見，對于淤泥地層而言，由于地層支撐能力較差，開艙作業極易發生地層流動，導致地面塌陷等問題，故不適合帶壓進艙作業。

圖10 淤泥地層開挖面位移示意圖(單位: m)

1.5 合理換刀區間判斷

根據上述數值計算結果，基于全土柱理論計算隧道全線大致上覆荷載大小，結合隧道穿越地層圍巖環境，將上覆荷載大小與數值計算得到的最大荷載進行對比，初步判斷隧道區段是否適合帶壓進艙作業。

最大覆土厚度計算方法如下：

1)地下區段： ①對于淤泥地層，根據前文所述，隧道穿越此地層不適合帶壓進艙作業。②對于圓礫土地層，上覆地層主要為素填土、淤泥和圓礫土層，考慮最不利工況，采用礫砂天然重度(上覆地層中最大天然重度)計算上覆荷載。③對于強風化泥質砂巖地層與中風化泥質砂巖地層，按上覆地層中重度最大地層進行考慮。④對于復合地層，出于對安全性的考慮，將開挖斷面視為更弱的地層。

2)水下區段： ⑤地層重度采用浮重度，計算方法與地下區段相同。⑥同時考慮水壓力。水壓力

σw=αγwhw。

(1)

式中：α為土的滲透系數確定的經驗數值；γw為水的容重；hw為水位距刀盤頂部距離。

安全性考慮計算時α的值取為1，海水按照水的重度10 kN/m3計算。即隧道上部覆土高度

(2)

式中hi為上覆各地層厚度(計算時加上初始覆土高度5 m)。

⑦求解最大上覆土厚度

(3)

根據數值計算結果，圓礫土地層最大上覆荷載為0.3 MPa，強風化泥質砂巖地層最大上覆荷載為0.56 MPa，中風化泥質砂巖地層最大上覆荷載為0.9 MPa，可計算出地下區段最大上覆厚度對應為20.46、29.89、40.86 m，水下區段最大上覆厚度對應為10.50、21.10、32.04 m。

結合獅子洋隧道實際地層情況，將隧道劃分為穿越淤泥層區、圓礫土地層區、強風化泥質砂巖區以及中風化泥質砂巖區。對不同區段按照準許最大上覆土厚度為界限劃分，當隧道埋深小于此界限時視為安全，即適合帶壓進艙換刀作業。將隧道全線大致劃分出可以進行帶壓換刀操作的區間，如圖11所示的紅色區域。實際施工時可按初步確定的適合帶壓進艙作業的斷面區間為參考，規劃帶壓進艙作業位置。

圖11 隧道全線適合帶壓進艙作業斷面示意圖

2 實際工程帶壓換刀分析

獅子洋隧道施工過程中在掘進至第375環時進行了為期7 d的帶壓進艙換刀作業。第375環斷面地質剖面圖如圖12所示，此處隧道埋深32.09 m，隧道主體穿越中風化泥質砂巖地層，地下水位在4.56 m。上部覆土以淤泥及砂性土層為主，滲透性強。地表由上至下的地層分別為： 1.5 m素填土層、4.92 m淤泥層、3.18 m中砂層、1.04 m淤泥層、0.99 m礫砂層、7.34 m淤泥層、3.36 m圓礫層、3.38 m強風化泥質砂巖以及隧道上部2.38 m的中風化泥質砂巖。

圖12 第375環斷面地質剖面圖(單位： m)

2.1 施工中換刀方案

實際施工時采用基于極限平衡法的楔形體模型計算帶壓進艙的最小支護壓力，指導換刀時的氣壓設置。根據改進后的楔形滑塊[2,21]進行力學分析，實際工程中根據模型計算結果，并考慮施工余量，最終確定開挖面的最小支護壓力為0.3 MPa。帶壓進艙施工時的具體情況見表3。

當艙壓設置為0.3 MPa時，隧道刀盤切口位置無滲漏現象發生，此時開挖面位移較小，無明顯變化，可以基本判斷此時開挖面處于穩定狀態，且0.3 MPa氣壓不是最小支護壓力。開艙作業第3天開始，逐天減小切口壓力，從0.28 MPa降至0.24 MPa，開挖面變形隨著氣壓減小逐漸明顯，且此時開挖面開始發生滲漏現象，換刀位置積水，當氣壓降至0.24 MPa時滲漏現象更明顯。調整壓力為0.25 MPa時，在進艙過程中液位有所上升，配合排水措施可完成進艙任務，故判斷0.25 MPa為第375環斷面位置施工最小氣壓。

2.2 數值方法判斷最小氣壓

根據獅子洋隧道第375環實際地層條件，采用全土柱理論計算此斷面下的上覆荷載大小，全土柱理論計算公式為

(4)

式中：γi為各地層重度；i為對應的地層編號；n為上覆地層數。

表3 獅子洋隧道第375環帶壓進艙施工情況

結合如表2所示的地層參數計算得到上覆荷載為506.7 kPa。隧道穿越中風化泥質砂巖地層采用第2節描述的數值模型，設置上覆荷載為506.7 kPa，開挖面荷載從0.36 MPa逐級減小，監測模型開挖面位移變化。開挖面位移與開挖面荷載間的關系如圖13(a)所示。

根據數值計算結果可知，當開挖面設置荷載減小至0.22 MPa時，λi的值為3.48，開挖面荷載低于0.22 MPa后位移增長速度過快，此時開挖面可視為失穩。如圖13(b)所示，開挖面下部發生失穩，此時最大位移可達10 mm左右。相對于改進后的楔形體滑塊模型計算得到的最小支護力0.3 MPa，以及實際施工采用的最小支護力0.25 MPa，數值計算所求的最小支護力偏小。當然，現場施工時出于對安全性的考慮，此時的氣壓艙艙壓并不是開挖面處于極限狀態下的最小壓力。

3 結論與建議

3.1 結論

本文依托獅子洋隧道工程，采用數值計算與實際施工對比分析的方法，對隧道帶壓進艙可行性進行研究，得出以下結論：

1)結合實際施工實例證明，本文提出采用數值模擬的方法求解最大上覆荷載后，對比斷面上覆荷載大小，選取適合帶壓進艙作業斷面的方法是可行的。

2)根據獅子洋隧道施工中穿越的圓礫土、強風化泥質砂巖以及中風化泥質砂巖3種地層，計算出地下區段最大上覆厚度對應為20.46、29.89、40.86 m，水下區段最大上覆厚度對應為10.50、21.10、32.04 m，淤泥地層不適合進艙作業。最后，根據計算結果給出適合帶壓進艙作業的參考區間。

3)以實際施工時隧道第375環位置帶壓進艙換刀為實例，理論計算方法所得最小支護壓力偏大，數值計算方法所得最小支護壓力偏小，但更接近實際極限情況。

3.2 建議

1)對隧道全區段合理帶壓進艙作業斷面的判別傾向于安全，可作為施工階段規劃停機位置的參考。

2)施工時如需在判別為不適合帶壓進艙的作業區段停機進艙，可根據實際斷面狀況進行試算，并針對數值計算結果適當提高氣壓艙艙壓，以達到進艙的目的。