雙護(hù)盾TBM穿越硬巖地層掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化分析

施燁輝 張 旺 沈宇鵬 褚滿帥

(1.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院 江蘇南京 100068；2.江蘇省隧道與地下工程技術(shù)研究中心 江蘇南京 100068；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京 100044；4.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司青島分公司 山東青島 266000)

1 引言

如今，TBM設(shè)計(jì)、制造、施工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其憑借著掘進(jìn)速度快、成洞質(zhì)量好、綜合效益高等優(yōu)勢(shì)在硬巖掘進(jìn)隧道及大型引水工程中應(yīng)用廣泛。青島地鐵隧道埋深較淺，圍巖以中微風(fēng)化花崗巖硬質(zhì)巖石為主，且隧道穿越區(qū)上方建筑物密集，穿越影響范圍廣，需要控制施工產(chǎn)生的沉降變形。鑒于傳統(tǒng)礦山法爆破振動(dòng)難以控制，選擇采用TBM作為開挖方式，雙護(hù)盾TBM技術(shù)國(guó)內(nèi)首次被應(yīng)用于青島地鐵隧道施工中。

掘進(jìn)循環(huán)流程為:開始掘進(jìn)→撐靴支撐推進(jìn)→管片安裝、回填、灌漿→撐靴收回?fù)Q步→再開挖掘進(jìn)。TBM掘進(jìn)參數(shù)眾多，選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)可有效提高施工效率、控制地表沉降、提高隧道整體穩(wěn)定性[1-2]。

近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)雙護(hù)盾TBM在城市軌道交通工程中的應(yīng)用開展了大量研究。劉小剛等[3]結(jié)合青島地鐵2號(hào)線某雙護(hù)盾TBM區(qū)間工程，基于實(shí)測(cè)資料對(duì)TBM掘進(jìn)參數(shù)之間、掘進(jìn)參數(shù)與巖石抗壓強(qiáng)度進(jìn)行回歸擬合分析，提出了優(yōu)化的掘進(jìn)參數(shù)。洪開榮等[4]以某TBM工程為背景，通過開展一系列TBM滾刀磨損試驗(yàn)，提供了TBM關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算依據(jù)。任琨[5]以實(shí)際工程為背景，探討了盾構(gòu)隧道埋深、掘進(jìn)壓力、應(yīng)力釋放系數(shù)等因素對(duì)地表沉降的影響，提出了各因素對(duì)地表沉降的影響程度。

近些年，雙護(hù)盾TBM在城市軌道交通工程中的應(yīng)用得到了很大重視，并且對(duì)其研究也取得較大進(jìn)展，但研究?jī)?nèi)容多為雙護(hù)盾TBM刀盤設(shè)計(jì)、施工地層穩(wěn)定性及與圍巖相互作用機(jī)制，對(duì)于雙護(hù)盾TBM在硬巖地層掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化分析相對(duì)較少。

本文依托青島地鐵1號(hào)線瓦貴區(qū)間TBM隧道工程，將仿真計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，分析不同掘進(jìn)參數(shù)下地表及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征。同時(shí)，在控制地表及管片結(jié)構(gòu)變形前提下，探討合理的TBM掘進(jìn)參數(shù)。

2 工程概況

瓦貴區(qū)間陸域段采用2臺(tái)DSUC雙護(hù)盾TBM開挖，線路穿越了多處居民小區(qū)及其他用地。區(qū)間隧道主要穿越地層為中風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖。地層從上至下依次分布著雜填土、粉細(xì)砂、花崗巖等地層，土層總體呈層狀，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。根據(jù)相關(guān)的勘察資料，地下水發(fā)育，地下水位貧乏，因?yàn)榛◢弾r穩(wěn)定性比較好，其水文地質(zhì)條件較好，故本研究不考慮地下水位的影響。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為便于分析TBM掘進(jìn)過程中新建隧道的安全性及為后續(xù)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化分析提供評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，參考《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》及相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)[6]，對(duì)TBM掘進(jìn)過程中地表及新建隧道的變形限值整理如表1所示。其中，D表示隧道開挖直徑。

表1 變形控制指標(biāo)

根據(jù)表1的規(guī)定，在不超出限值的前提下，選取地表沉降變形、管片拱頂豎向沉降、管片拱腰水平位移作為各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)分析

4.1 模型建立

里程K31＋354～K31＋474區(qū)段土體層狀分布顯著，且隧道埋深較淺，TBM掘進(jìn)對(duì)地表沉降影響較大，具有一定的代表性。采用有限元軟件對(duì)該區(qū)段TBM掘進(jìn)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析掘進(jìn)過程中地表及管片的變形特征。

隧道開挖洞徑為6.3 m，左右線凈距為8.0 m。考慮到邊界效應(yīng)的影響，模型取適當(dāng)大小即可，隧道外邊緣至模型邊界距離為開挖洞徑的3～5倍[7]；隧道下邊緣至模型底部距離為開挖洞徑的2倍；最終確定模型總尺寸為80 m×30 m×40 m。數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值整體半透明模型

地層及模型材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。考慮到實(shí)際施工過程中施工堆載、車輛動(dòng)載的存在，在地表施加均布超載20 kPa。

表2 地層及模型材料力學(xué)參數(shù)

4.2 施工步序

TBM掘進(jìn)模擬過程中以管片幅寬1.5 m為開挖進(jìn)尺。施工全過程的模擬，大體可劃分為如下幾個(gè)階段:

階段一，設(shè)置初始應(yīng)力場(chǎng)并位移清零。

階段二，掌子面施加掘進(jìn)推力進(jìn)行開挖，同時(shí)進(jìn)行管片拼裝。

階段三，進(jìn)行下一階段的掘進(jìn)及管片拼裝。同時(shí)，對(duì)上一階段管片背后進(jìn)行豆礫石及注漿回填，激活注漿壓力。

重復(fù)階段二及階段三，直至隧道貫通，模型共設(shè)置23個(gè)施工步驟，具體模擬工序如表3所示。

表3 施工模擬工序

4.3 計(jì)算荷載

影響地表及管片結(jié)構(gòu)變形的因素眾多，以地層條件、隧道埋深及掘進(jìn)推力、注漿壓力、撐靴壓力等掘進(jìn)參數(shù)為主。

掘進(jìn)推力即為前盾刀盤推力，通過施加在掌子面上的面荷載來模擬；進(jìn)行管片背后豆礫石及注漿回填過程中，對(duì)管片產(chǎn)生注漿壓力，通過施加在管片上的面荷載來模擬；TBM掘進(jìn)過程中，通過施加在隧道圍巖上的面荷載來模擬，其位于滯后掌子面4.5 m的1.5 m范圍內(nèi)，作用在開挖中心與水平方向上下兩側(cè)各成30°的范圍內(nèi)。荷載模擬如圖2所示。

圖2 荷載模擬

結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)資料及相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]，基于掘進(jìn)推力0.4 MPa、注漿壓力0.22 MPa、撐靴壓力3 MPa設(shè)置如表4所示工況進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同荷載工況下地表及管片結(jié)構(gòu)的變形特征。

表4 計(jì)算荷載工況 MPa

4.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性及便于后續(xù)的變形特征分析，選取地表截面1(見圖2)。

工況9的TBM掘進(jìn)完成后地表沉降模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比如圖3所示。

圖3 沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖3分析可得，地表沉降模型模擬值和實(shí)測(cè)值在距離O(即雙隧道中心在地表對(duì)應(yīng)位置)點(diǎn)較遠(yuǎn)地方上基本一致，大體的變化趨勢(shì)具有很高的相似性。考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜，各種影響變形的因素相互交織，可認(rèn)為建立的模型進(jìn)行數(shù)值模擬是可靠的。

4.5 結(jié)果分析

4.5.1 掘進(jìn)推力

TBM掘進(jìn)過程中，刀盤開挖區(qū)域內(nèi)巖石產(chǎn)生彈性變形而逐漸達(dá)到彈性變形極限，隨著垂向破巖力的增大，巖石受到剪切力而沿最優(yōu)角方向產(chǎn)生崩碎，最終在滾刀的相互作用下完成破巖過程[10]。若掘進(jìn)推力太低則導(dǎo)致無法破巖，若掘進(jìn)推力太高則導(dǎo)致巖石受到較大擾動(dòng)而影響開挖安全性。對(duì)前述4.3節(jié)工況1、2、3、4四種工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4是掘進(jìn)施工完成后地表截面1沉降槽，分析曲線可得，TBM掘進(jìn)引起的地表響應(yīng)服從Peck沉降曲線。上述三種工況沉降槽有大致相同的變化趨勢(shì)，隨著掘進(jìn)推力的增大，地表沉降逐漸增大。掘進(jìn)推力為0.5 MPa時(shí)，O點(diǎn)沉降值最大為3.37 mm。

圖4 不同掘進(jìn)推力截面1沉降槽

圖5是掘進(jìn)施工完成后管片拱頂沉降槽及管片拱腰收斂曲線。分析兩曲線可得，四種工況下管片拱頂沉降及拱腰收斂有大致相同的變化趨勢(shì)。隨著掘進(jìn)推力的增大，刀盤破巖對(duì)圍巖的擾動(dòng)越大，引起的管片拱頂沉降及管片拱腰水平收斂越大。掘進(jìn)推力為0.5 MPa時(shí)，管片拱頂最大沉降值為5.95 mm，管片拱腰最大水平收斂值為1.83 mm。

圖5 不同掘進(jìn)推力管片變形曲線

考慮到當(dāng)距離起始開挖面較近時(shí)，掘進(jìn)推力越大，管片拱頂沉降及水平收斂較大，且掘進(jìn)推力應(yīng)滿足破巖而不宜過小，掘進(jìn)推力取0.4 MPa為宜。

4.5.2 注漿壓力

雙護(hù)盾TBM管片壁后回填面積較大、連通性較強(qiáng)、襯砌管片穩(wěn)定性較差。若注漿壓力過小，則會(huì)引起豆礫石吹填不密實(shí)、注漿壓力不均、回填效果較差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)及滲水嚴(yán)重；若注漿壓力過大，則會(huì)使管片產(chǎn)生較大收斂而影響其安全性[11]，TBM掘進(jìn)過程中選擇合理的注漿壓力至關(guān)重要。對(duì)前述4.3節(jié)工況9、10、11、12四種工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

掘進(jìn)施工完成后地表截面1沉降槽和掘進(jìn)推力相似，不同工況下差異較小。TBM掘進(jìn)引起的地表沉降槽曲線近似呈正態(tài)分布，O點(diǎn)沉降值最大，由O點(diǎn)向兩側(cè)沉降值逐漸減小。隨著注漿壓力的增大，地表沉降逐漸增大，當(dāng)注漿壓力為0.28 MPa時(shí)，O點(diǎn)沉降值最大為3.40 mm。

圖6是掘進(jìn)施工完成后管片拱頂沉降槽及管片拱腰水平收斂曲線。分析兩曲線可得，管片拱頂沉降及拱腰水平收斂整體上沿隧道掘進(jìn)方向逐漸減小，四種工況下管片拱頂沉降及管片水平收斂有大致相同的變化趨勢(shì)。隨著注漿壓力的增大，管片拱頂沉降及拱腰水平收斂逐漸增大。注漿壓力為0.28 MPa時(shí)，管片拱頂最大沉降值為5.97 mm，管片拱腰最大水平收斂為1.84 mm。

考慮到注漿壓力過大引起管片變形過大，而注漿壓力過小容易引起管片背后回填不密實(shí)，注漿壓力取0.22 MPa為宜。

4.5.3 撐靴壓力

TBM掘進(jìn)過程中，撐靴緊撐洞壁為主推進(jìn)油缸提供反力，裝備前進(jìn)動(dòng)力、刀盤扭矩以及TBM自身重力都是通過TBM與圍巖的接觸進(jìn)行傳遞的[12]。若撐靴壓力過大而超過圍巖抗壓強(qiáng)度，則會(huì)導(dǎo)致?lián)窝ゾo撐的圍巖受壓破壞而出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；若撐靴壓力過小，則撐靴作用在圍巖上產(chǎn)生的靜摩擦力不足以使TBM向前推進(jìn)。適宜的撐靴壓力是TBM正常掘進(jìn)的關(guān)鍵因素。對(duì)前述4.3節(jié)工況5、6、7、8四種工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖7是施工完成后不同撐靴壓力地表截面1沉降槽，分析曲線可得，不同撐靴壓力下沉降槽曲線有相同的變化趨勢(shì)，均以兩隧道中心線為對(duì)稱軸，由隧道中心線向兩側(cè)地表沉降逐漸減小。與一般雙隧道沉降槽出現(xiàn)兩個(gè)峰值而呈“W”形不同，上述曲線為單峰沉降槽，分析其原因是兩隧道凈距較小，當(dāng)雙線隧道凈距小于等于三倍隧道直徑時(shí)，左、右線掘進(jìn)引起的地表沉降疊加分布與單線隧道掘進(jìn)引起的地表沉降分布相似，僅出現(xiàn)一個(gè)峰值[13]。隨著撐靴壓力的增大，地表沉降逐漸增大。撐靴壓力為5 MPa時(shí)，O點(diǎn)沉降值最大為3.89 mm。

圖7 不同撐靴壓力截面1沉降槽

圖8是掘進(jìn)施工完成后管片拱頂沉降槽及管片拱腰水平收斂曲線。分析兩曲線可得，管片拱頂沉降及拱腰水平收斂整體上沿隧道掘進(jìn)方向逐漸減小，四種工況下管片拱頂沉降及管片水平收斂有大致相同的變化趨勢(shì)。隨著撐靴壓力的增大，管片拱頂沉降及拱腰水平收斂逐漸增大。撐靴壓力為5 MPa時(shí)，管片拱頂最大沉降值為7.65 mm，管片拱腰最大水平收斂為3.48 mm。

圖8 不同撐靴壓力管片變形曲線

考慮到當(dāng)撐靴壓力為2 MPa時(shí)，管片拱頂沉降曲線及拱腰水平收斂曲線出現(xiàn)了突變，而撐靴壓力過大容易引起圍巖受壓破壞，合理的撐靴壓力為3 MPa。

5 結(jié)論

(1)雙線TBM掘進(jìn)引起的地表響應(yīng)服從Peck沉降曲線。地表沉降槽僅出現(xiàn)一個(gè)峰值，并不符合典型雙線隧道掘進(jìn)后地表“W”形雙峰沉降槽曲線。分析其原因是雙線隧道凈距較小，掘進(jìn)引起的地表沉降疊加分布與單線隧道掘進(jìn)引起的地表沉降分布相似。

(2)掘進(jìn)推力越大，地表沉降、管片拱頂沉降及拱腰水平收斂越大，合理的掘進(jìn)推力取0.4 MPa為宜。

(3)注漿壓力越大，地表沉降、管片拱頂沉降及拱腰水平收斂越大，合理的注漿壓力取0.22 MPa為宜。

(4)撐靴壓力越大，地表沉降、管片拱頂沉降及拱腰水平收斂越大，合理的撐靴壓力為3 MPa。