考慮流固耦合效應的雙模盾構施工對地表變形的影響

劉 邦

(中國水利水電第八工程局有限公司 長沙 410004)

盾構法因對地表影響小、自動化程度高、相對快速等優點,被廣泛應用于城市軌道交通的隧道建設中。常見的土壓平衡盾構機在硬巖中掘進效率低下,在軟硬不均地層中,單一模式的掘進機已經無法適應復雜的地層條件,故亟須一種能在復雜地質條件下安全高效施工的隧道掘進機。因此,為解決復雜地質條件下盾構掘進機適應性及高效性難題,土壓平衡全斷面隧道掘進機(tunnel boring machine,TBM)雙模掘進機應運而生[1],與普通復合盾構相比,雙模盾構機具有轉速高、推力大、功率大、主軸承大等特點,可適應不同地層的施工,國內外針對土壓/TBM雙模掘進機施工技術開展了初步研究與應用。

2015年南京地鐵機場線區間是國內首次采用雙模TBM施工,隧道初期掘進采用TBM敞開式掘進,對于處于中風化、微風化安山巖的地段采用TBM模式敞開式掘進,對于處于全、強、中風化破碎帶的地層采用土壓平衡模式掘進[2]。2018年珠三角城際鐵路廣佛環線大源站-太和站區間采用鐵建重工生產的國內首臺鐵路大直徑土壓TBM雙模盾構機,隧道主要穿越地層為中風化花崗巖、全-中風化片麻巖、全-中風化粉砂巖、全-中風化炭質板巖[3]。2021年國內首臺Φ9140雙螺旋出渣TBM&EPB雙模盾構成功應用于深惠城際項目,為行業內類似地層設計提供參考[4]。

然而,TBM模式在深埋地層中掘進時,可能面臨高地下水位和突涌水,不但嚴重威脅施工安全,還可能引起地表水或地下水資源枯竭、導致生態環境惡化等環境問題。對于深埋隧洞滲流場分布規律,國內外專家學者已經開展了很多研究。呂璽琳等[5]通過有限元數值模擬,對水位變化條件下盾構隧道開挖面的孔壓分布特性進行了研究,發現開挖面平均滲流力與水位高度近似呈線性關系。潘文韜等[6]通過數值模擬探究盾構施工過程中由開挖和固結引起的地表沉降,認為考慮滲流下結構受力變形有不同程度提高,對隧道、地表變形及盾殼受壓影響較大。于麗等[7]通過自行設計的大型隧道滲流模擬試驗系統,發現圍巖滲透系數、初始水頭高度、隧道排水率均會對圍巖滲透影響范圍產生影響。郤保平等[8]建立不同湖水深度下考慮隧道流-固耦合效應的數值模型,得出隧道周圍的孔隙水壓力隨著開挖而顯著減小,水力坡降在隧道拱頂、拱腰兩側明顯增大,且盾構管片內力與水頭壓力呈正相關性。羅信等[9]考慮滲流作用對深埋富水區圍巖開挖的變形影響進行數值分析,發現滲流使得隧道周圍形成一個降水漏斗區,導致隧道向下沉降與水平方向的收斂,隧道的凈空減小。

由于隧道開挖形成的擾動使得地層中原有應力場和滲流場的分布改變,滲流場中超孔隙水壓力消散引起土體有效應力重分布,土體產生固結變形、孔隙率減小,進而改變土體的滲透系數,影響土體的滲流特性。本文以穗莞深城際西寶區間大直徑雙模盾構在復雜地層中施工為背景,考慮水土流固耦合作用,采用有限元數值模擬分析方法,研究TBM模式施工對地表變形的影響,以為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

穗莞深城際西鄉站-寶安站區間,沿寶安大道敷設,隧道主要穿越全風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖、中風化閃長巖、微風化花崗巖等多種復合地層,地層強度變化劇烈,軟硬不均特性顯著,中-微風化花崗巖、閃長巖巖石強度可達30～93.6 MPa。西寶區間隧道距海域約2 km,巖層裂隙發育,地下水賦存條件較差。

隧道采用Φ9140土壓平衡和TBM雙模(EPB&TBM)盾構施工,其中全斷面硬巖地層采用TBM模式掘進。隧道管片外徑8.8 m、內徑8 m、厚400 mm、環寬1.8 m。區間左線地質及隧道縱剖面圖見圖1。

圖1 區間左線地質及隧道縱剖面圖

2 數值模擬模型

2.1 模型建立

本文采用midas GTS NX 建立整體三維有限元模型,對滲流情況下雙模盾構TBM模式施工給地表變形帶來的影響進行數值模擬。模型以垂直隧道掘進方向為X軸,隧道掘進方向為Y軸,豎向為Z軸。為充分考慮盾構開挖的影響范圍,且消除模型邊界效應,確定X、Y、Z方向分別取100,72,70 m。

2.2 模型邊界條件

模型力學邊界條件:側面施加水平約束,底部施加水平及垂直約束,頂部為自由面。滲流邊界條件:頂部及四周設置為透水邊界,隧道開挖面設置為排水面。模型采用應力-滲流耦合分析。建立的三維有限元模型見圖2。

圖2 三維有限元模型(單位:m)

2.3 模型參數

選取裂隙發育地層進行數值模擬,地層選取摩爾-庫侖本構模型進行計算,管片及盾殼選取彈性模型進行計算。本文計算涉及地質及材料參數均根據地質勘探報告及相關設計資料獲取,模型地層參數見表1,材料參數見表2。

表1 模型地層參數

表2 模型材料參數

2.4 模型工況

設置初始滲流場及應力場后,模擬左線隧道開挖,左線隧道共掘進40環管片;左線隧道貫通后,隨后開挖右線隧道,右線隧道共掘進40環管片。掘進步長取2環管片寬,每開挖2環進行1次流固耦合平衡計算,先計算滲流場,再計算應力場,開挖面超前管片拼裝2環,每完成1步開挖,同時進行壁后注漿和盾尾管片拼裝。

3 計算結果分析

3.1 滲流場變化規律

由于隧道施工過程中對土體產生擾動,使得隧道周圍孔隙水壓力發生變化,從而影響地層變形。隧道開始開挖時,地下水在壓力水頭的作用下,向開挖面匯聚,隧道下方孔隙水壓力呈現出漏斗狀的分布。由此可見,高水頭條件下開挖時,隧道掌子面前方的水土壓力有較大變化,不利于開挖面穩定性的控制。隧道開挖過程中孔隙水壓力分布圖見圖3。

圖3 隧道開挖過程中孔隙水壓力分布圖(單位:kPa)

3.2 滲流情況下位移場變化規律

開挖初始階段,掌子面及隧道上部土體表現為沉降,掌子面及隧道下部土體表現為隆起,地層最大沉降出現在隧道盾尾上方,為-0.618 mm,最大隆起出現在掌子面下部,為0.346 mm。隨著盾構不斷推進、管片拼裝及盾尾注漿,隧道上方土體沉降不斷增大,但盾構掘進至一定距離時,后方土體整體沉降趨于穩定。左線隧道拱頂沉降隨盾構推進的變化情況見圖4。

圖4 左線隧道拱頂沉降隨盾構推進的變化情況

而開挖過程中地層的水平變形主要出現在掌子面,洞室周圍變形受開挖影響較小,開挖時出現的最大水平變形為3.905 mm。左線隧道拱腰水平變形隨盾構推進的變化情況見圖5。

圖5 左線隧道拱腰水平變形隨盾構推進的變化情況

3.3 與不考慮滲流情況下的計算對比

3.3.1地表沉降

隧道在開挖過程中所引起的地表沉降往往更受關注。Peck[10]基于對大量的實測數據統計分析,提出地表沉降曲線服從高斯分布,認為土體變形因土體損失而產生,并假設土體不排水且沉降槽體積等于土體損失體積。由于Peck公式物理意義明確且參數少,成為隧道施工誘發地表沉降的有效、快捷方法。式(1)為隧道開挖誘發橫向地表沉降的估算公式。

S(x)=Smaxexp[-x2/(2i2)]

(1)

式中:Smax為地表最大沉降值;x為地表任一點距離隧道中心水平距離;i為沉降槽曲線反彎點至隧道中心水平距離。

選取雙線均貫通后的工況下與隧道垂直方向的斷面,對比考慮滲流情況下與不考慮滲流情況下的地表變形,發現考慮滲流情況下的地表沉降始終大于不考慮滲流情況下的地表沉降,考慮滲流情況下地表最大沉降為-0.294 mm,而不考慮滲流情況下的地表最大沉降為-0.271 mm,均位于雙隧洞中心線上方。距離雙隧洞中心線越遠,地表沉降越小,分析該斷面地表數據可得,數值模擬計算得到的地表沉降符合Peck公式。同一工況下橫向地表沉降對比見圖6。

圖6 同一工況下橫向地表沉降對比

分析橫向地表水平變形,可以發現,考慮滲流情況下的地表水平變形始終大于不考慮滲流情況下的地表水平變形,考慮滲流情況下地表最大水平變形為0.136 mm,而不考慮滲流情況下的地表最大水平變形為0.122 mm,均位于左、右線隧道上方。同一工況下橫向地表水平變形對比見圖7。

圖7 同一工況下橫向地表水平變形對比

分析地表隧道上方的縱向沉降,可以發現掌子面后方地表沉降大于掌子面正上方的沉降,且距掌子面越遠,地表沉降越大。這主要是因為在開挖面處上覆土體受到盾殼支撐,不會發生較大的變形。隨著盾構向前前進,盾尾逐漸脫離土體,注漿體和管片同時承擔荷載,由超挖及注漿層的固結共同作用導致沉降進一步增大。考慮滲流情況下,與掌子面縱向距離相同時的地表沉降大于不考慮滲流情況下的地表沉降。同一工況下縱向地表沉降對比見圖8。

圖8 同一工況下縱向地表沉降對比

3.3.2地層變形

分析模型整體地層的豎向位移,發現滲流會增大圍巖變形,且拱頂沉降影響范圍更遠。選取左、右線隧道均貫通的工況,同一工況下地層沉降對比見圖9。

圖9 同一工況下地層沉降對比

3.4 地層彈性模量的影響

由于該隧道在雙模盾構的TBM模式下穿越地層多為中～微風化花崗巖、閃長巖,巖層強度高,數值模擬中隧道開挖對地表變形帶來的影響小。因此,為了分析本文隧道所處的中風化花崗巖彈性模量對地表變形的影響,分別取彈性模量為5 000 MPa和1 000 MPa與原有模型對比。分析發現,隨著隧道所處的中風化花崗巖彈性模量的降低,地表變形增大。不同彈性模量下,同一工況下橫向地表沉降對比見圖10。

圖10 同一工況下橫向地表沉降對比

4 結語

本文依托在復雜地層中施工的大直徑雙模盾構隧道,通過數值模擬探究盾構施工過程中由于滲流對地表變形的影響,得出以下結論。

1) 對于位于裂隙發育、富水性及透水性中等的中風化花崗巖中的隧道,隧道開挖引發地下水滲流,從而導致地層孔隙水壓力變化明顯,因此,在施工中應采取一定的防水措施來保證開挖面的穩定。

2) 考慮地下水滲流后,地層及地表的豎向變形及水平變形均有所增大,因此,在計算中應當考慮滲流所帶來的影響。

3) 隨著隧道向前掘進,掌子面后方地表沉降隨著與掌子面縱向距離的增加而增大,因此,在施工中應采取一定的盾尾加固措施來減少掌子面后方的地表變形。

4) 由于該隧道所處中風化花崗巖強度高,故對比不同花崗巖彈性模量下橫向地表的豎向變形。分析發現,隨著隧道所處的中風化花崗巖彈性模量的降低,地表豎向變形增大。