TBM隧道地表沉降及襯砌變形規(guī)律研究

0 引言

城市地下空間的開(kāi)發(fā)是現(xiàn)代城市化進(jìn)程中的重要內(nèi)容，地鐵隧道建設(shè)在為緩解交通壓力、優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)提供可靠途徑的同時(shí)，對(duì)隧道施工技術(shù)提出了更高的要求[1]。在地下隧道施工中，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）技術(shù)因其高效、安全、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等特點(diǎn)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[2-3]。然而，TBM施工不可避免地引發(fā)地表沉降與襯砌變形，這些現(xiàn)象會(huì)對(duì)隧道自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及周邊建筑物和管線的安全性產(chǎn)生不利影響。

地表沉降與襯砌變形的成因復(fù)雜，不僅與施工過(guò)程中土體的擾動(dòng)和支護(hù)方式密切相關(guān)，還受施工參數(shù)（如推進(jìn)步長(zhǎng)、穿越方式）及地質(zhì)條件（如巖性、土層特性）的顯著影響。已有研究通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法揭示了部分規(guī)律，但在施工條件優(yōu)化和變形控制策略制定方面，仍需進(jìn)一步探索與完善[4-5]。尤其是在硬質(zhì)巖石地層中進(jìn)行TBM施工時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)地表沉降和襯砌變形的精準(zhǔn)控制，是保障工程安全與質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

本文基于數(shù)值模擬方法，分析了不同施工條件對(duì)地表沉降和襯砌變形的影響。通過(guò)對(duì)不同穿越方式和推進(jìn)步長(zhǎng)的模擬研究，揭示關(guān)鍵施工參數(shù)對(duì)變形特性的作用機(jī)制，并提出相應(yīng)的優(yōu)化施工建議。研究成果不僅為復(fù)雜地質(zhì)條件下的TBM施工提供了理論依據(jù)，也為類似工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了技術(shù)支持。

1工程背景

1.1項(xiàng)目概況

青島市地鐵5號(hào)線一期工程全長(zhǎng)約 32.5km ，全程為地下線，設(shè)有26座車站，平均站間距為 1141m ，其中包括12座換乘站。為盡量減少施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，項(xiàng)目采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)不僅提高了施工效率，也確保了工程安全。

工程所處區(qū)域位于華北地臺(tái)南部，主要巖層為燕山晚期形成的中粗粒黑云母花崗巖，地質(zhì)穩(wěn)定且?guī)r性堅(jiān)硬，非常適合TBM施工。然而，巖基上部存在風(fēng)化帶，并覆蓋不同厚度的第四紀(jì)松散堆積物。局部風(fēng)化帶的厚度和物性差異，可能對(duì)施工進(jìn)度及設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)一定影響。區(qū)域地下水主要以孔隙水形式存在，水位受氣候變化影響，為此施工過(guò)程中，需要特別關(guān)注地下水的排水與降水問(wèn)題，以確保工程的順利進(jìn)行。

1.2工程難點(diǎn)與研究意義

線路途經(jīng)城市核心區(qū)及多條重要基礎(chǔ)設(shè)施，地表沉降和襯砌變形的控制是施工過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。特別是在硬質(zhì)花崗巖地層中，采用TBM施工可能會(huì)導(dǎo)致局部沉降和襯砌應(yīng)力集中。

通過(guò)研究不同施工條件對(duì)沉降和變形的影響規(guī)律，可以為優(yōu)化施工方案、降低施工風(fēng)險(xiǎn)提供理論支持，并為類似地質(zhì)條件下的隧道工程建設(shè)提供重要參考。

2地層變形數(shù)值模擬與分析

2.1 基本假定

在建立數(shù)值模型時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算并提高分析效率，結(jié)合TBM隧道掘進(jìn)過(guò)程的特點(diǎn)，本文對(duì)模型做出以下基本假定。

2.1.1地層材料性質(zhì)假定

地層為均質(zhì)、連續(xù)且各向同性的材料，各地層的物理力學(xué)參數(shù)可按照工程勘察報(bào)告確定。巖土體的力學(xué)行為符合彈塑性理論，并以莫爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則作為屈服條件。

2.1.2施工過(guò)程模擬假定

隧道掘進(jìn)過(guò)程采用分步開(kāi)挖法模擬，每次開(kāi)挖的長(zhǎng)度與管片寬度一致，開(kāi)挖后立即完成襯砌安裝和盾尾注漿。注漿材料均勻填充盾尾空隙，以充分支撐周圍土體，且不考慮注漿擴(kuò)散過(guò)程中的不均勻性。

2.1.3地層擾動(dòng)范圍假定

TBM施工對(duì)周圍地層的擾動(dòng)僅限于隧道范圍內(nèi)，不考慮遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的擾動(dòng)。

2.2數(shù)值模型的建立

為研究青島地鐵5號(hào)線TBM隧道掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降和襯砌變形的規(guī)律，基于有限元方法建立了三維數(shù)值模型。為了確保分析TBM施工對(duì)地層擾動(dòng)的影響范圍，減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，將模型尺寸設(shè)為長(zhǎng)寬高均為70m的立方體。

本工程采用土壓平衡式全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM），開(kāi)挖直徑為6.4m，襯砌內(nèi)外徑分別為5.5m和 6.2m 。數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

2.3材料參數(shù)及模型邊界條件

2.3.1 地層分層

地層自上而下共分為4層。第一層為第四紀(jì)松散堆積層，主要由砂土和黏性土組成，局部夾雜少量礫石和有機(jī)物。該層土體松散、結(jié)構(gòu)不均勻，具有較低的承載力和較高的壓縮性，是影響施工沉降的關(guān)鍵因素之一。

第二層為風(fēng)化帶。其由長(zhǎng)期風(fēng)化作用形成，巖性為中粗粒黑云母花崗巖的殘積物，土巖混合，力學(xué)性能介于基巖與堆積層之間。

第三層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。其巖石完整性較低，裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度較強(qiáng)；第四層為中粗粒黑云母花崗巖硬質(zhì)基巖層，結(jié)構(gòu)完整，巖性均勻。

2.3.2材料力學(xué)特性

所有巖土層均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)則采用線彈性本構(gòu)模型。材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3.3邊界條件設(shè)置

模型底部設(shè)置固定邊界，限制豎向和水平位移，以模擬地基的約束作用。四周側(cè)邊設(shè)置水平位移約束，防止計(jì)算過(guò)程中側(cè)向變形對(duì)模型結(jié)果的干擾。頂部邊界為自由邊界，允許地表因施工引起的沉降或隆起自由發(fā)生。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1土體變形特征

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，得到橫向和軸向方向的地表沉降曲線。橫向方向地表沉降如圖2所示，軸線方向地表沉降如圖3所示。

3.1.1橫向方向地表沉降

由圖2可知，橫向地表沉降呈典型的鐘形分布，沉降槽中心位于隧道中線附近，最大沉降值為-6.485mm ，位置位于隧道正上方（距離中線0m處）。隨著橫向距離的增大，沉降逐漸減小，表明隧道掘進(jìn)對(duì)遠(yuǎn)離中線區(qū)域的地表擾動(dòng)逐步減弱。

從曲線兩端看，顯著沉降影響范圍約為 -30～30m ，沉降曲線在距中線 ±30m 處趨于平緩，地表沉降影響范圍基本結(jié)束。最大沉降梯度出現(xiàn)在距離中線 ±10～±15m 范圍內(nèi)，曲線斜率較大，說(shuō)明該區(qū)域地層變形相對(duì)集中且剪切變形較為明顯。離中線更遠(yuǎn)的區(qū)域沉降變化較為平緩，土體變形呈擴(kuò)散趨勢(shì)。

3.1.2軸向方向地表沉降

由圖3可知，沿隧道軸線方向，地表沉降曲線表現(xiàn)為逐步累積的趨勢(shì)，最大沉降值為 -6.238mm ，出現(xiàn)在起點(diǎn)位置，隨后沉降值逐漸減小。

沿軸線方向的沉降變化較小，總體沉降值維持在-5.5～-6.2mm 范圍內(nèi)。沉降值在隧道掘進(jìn)方向上逐漸減小，說(shuō)明掘進(jìn)擾動(dòng)對(duì)后方區(qū)域的影響趨于穩(wěn)定。從距離40＼～70m的區(qū)間內(nèi)，沉降變化趨于平穩(wěn)，表明施工擾動(dòng)影響基本結(jié)束，地層應(yīng)力逐漸恢復(fù)平衡狀態(tài)。

3.2襯砌結(jié)構(gòu)變形規(guī)律

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，得到水平方向和垂直方向襯砌變形特性。水平方向襯砌變形圖如圖4所示，豎直方向襯砌變形圖如圖5所示。

3.2.1 水平方向襯砌變形特性

由圖4可知，水平方向最大變形出現(xiàn)在距開(kāi)挖面0m處，約為 -0.2mm ，隨距離增加逐漸增大，至 13.83m 達(dá)到 -15.15mm ，并趨于穩(wěn)定，最終變形約為 -17.23mm 在 28m 之后，水平變形基本保持穩(wěn)定，表明此區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)逐步恢復(fù)平衡，擾動(dòng)影響較小，顯著變形范圍為0～28m.。

3.2.2垂直方向襯砌變形特性

由圖5可知，豎直方向最大變形發(fā)生在距開(kāi)挖面70m處，值為 -26.10mm ，遠(yuǎn)高于水平方向的最大值，表明豎直方向受力更為顯著。

起點(diǎn)位置（0m）變形最小，僅為 -0.20mm ，變形隨距離迅速增大，尤其在 0～14m 范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快。豎直方向變形顯著大于水平方向，表明地層重力與施工擾動(dòng)共同作用，使豎直方向受力占主導(dǎo)地位，尤其在掘進(jìn)初期變形尤為顯著。

4不同施工條件對(duì)襯砌變形影響

4.1不同穿越方式的影響

由上述研究可知，襯砌主要變形為豎向變形，后文主要針對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)豎向變形開(kāi)展研究。本文主要考慮了3組工況：第一組工況為正穿風(fēng)化帶，第二組工況為正穿強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，第三組工況為正穿花崗巖。不同穿越方式對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)豎向變形的影響如圖6所示。

由圖6可知，正穿風(fēng)化帶時(shí)，襯砌豎向變形最大，且變化劇烈。在距離開(kāi)挖面0＼～15m內(nèi)變形快速增加，最大值為 -36.44mm ，表明風(fēng)化帶土體強(qiáng)度低、壓縮性高，對(duì)TBM掘進(jìn)的擾動(dòng)最敏感。

正穿花崗巖時(shí)變形最小，曲線平緩，最大值為-20.50mm ，且變形隨距離增加逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明完整花崗巖地層強(qiáng)度高、可變形性小，抗擾動(dòng)能力最強(qiáng)。

風(fēng)化帶最大變形比花崗巖高 77.8% ，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖最大變形比風(fēng)化帶低 27% ，但比花崗巖高 30% ，表明其特性介于兩者之間，裂隙發(fā)育對(duì)變形影響較大。綜上所述，花崗巖因變形小且分布均勻，是最優(yōu)施工地層。

4.2不同推進(jìn)步長(zhǎng)的影響

通過(guò)對(duì)比步長(zhǎng)1.5m、2.0m、2.5m的變形響應(yīng)，分析步長(zhǎng)與地層擾動(dòng)的關(guān)聯(lián)性。不同推進(jìn)步長(zhǎng)時(shí)襯砌豎向變形如圖7所示。

4.2.1變形規(guī)律特征

由圖7可知，當(dāng)推進(jìn)步長(zhǎng)為1.5m時(shí)，襯砌豎向變形最小，其最大值為 -25.93mm ，變形曲線走勢(shì)較為平緩。在開(kāi)挖面0＼～15m范圍內(nèi)，襯砌豎向變形呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

超過(guò)15m后，變形速率逐漸趨于穩(wěn)定。這一現(xiàn)象明，小步長(zhǎng)能夠有效減小地層擾動(dòng)，降低變形幅度。

當(dāng)推進(jìn)步長(zhǎng)增至2.0m時(shí)，襯砌豎向最大變形值增至-27.04mm ，相較于1.5m步長(zhǎng)，變形幅度變化有限。然而，值得注意的是，在開(kāi)挖面附近，變形增長(zhǎng)更顯著，表明步長(zhǎng)增加對(duì)初始擾動(dòng)影響更大。

進(jìn)一步將步長(zhǎng)增至 2.5m 時(shí)，襯砌豎向最大變形值顯著增至 -31.15mm ，比1.5m步長(zhǎng)高約 20% 。在開(kāi)挖面0～20m 范圍內(nèi)增長(zhǎng)顯著，隨后趨于穩(wěn)定，但整體變形始終高于小步長(zhǎng)推進(jìn)。

綜上分析，襯砌豎向變形表現(xiàn)為先快速增長(zhǎng)、后逐漸平穩(wěn)的變化規(guī)律，且變形主要集中在 0～20m 范圍內(nèi)。該區(qū)域?yàn)榈貙討?yīng)力釋放和重新分布的關(guān)鍵區(qū)域，推進(jìn)步長(zhǎng)的增加不僅會(huì)顯著加劇地層擾動(dòng)，還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大施工影響范圍。

4.2.2 決策建議

基于上述研究結(jié)論，在軟弱地層，如風(fēng)化帶或裂隙發(fā)育巖層等地質(zhì)條件下，建議采用1.5m或更小的步長(zhǎng)，以減小地層擾動(dòng)范圍和襯砌變形。

而在堅(jiān)硬巖層中，可適當(dāng)增大步長(zhǎng)至2.0m，從而在保障施工效率的同時(shí)，兼顧對(duì)襯砌變形的有效控制。此外，針對(duì)特殊地質(zhì)條件或關(guān)鍵施工區(qū)域，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)調(diào)整推進(jìn)步長(zhǎng)，確保施工安全性和襯砌穩(wěn)定性。

5結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了TBM施工中不同施工條件對(duì)地表沉降和襯砌變形的影響，揭示了關(guān)鍵施工參數(shù)的作用機(jī)制，得出以下結(jié)論：

1）TBM施工引起的地表沉降在橫向上呈鐘形分布，最大沉降值出現(xiàn)在隧道中線正上方，沉降影響范圍約為隧道中心 ±30m 。

2）在軸向方向，沉降表現(xiàn)為逐步累積的趨勢(shì)，40～70m 范圍內(nèi)沉降變化趨于平穩(wěn)，表明施工擾動(dòng)的影響逐漸減弱并趨于穩(wěn)定。

3）襯砌變形以豎向變形為主，遠(yuǎn)高于水平方向變形，豎向最大變形出現(xiàn)在距離開(kāi)挖面70m處，表現(xiàn)出受力集中現(xiàn)象。在不同穿越方式中，風(fēng)化帶因強(qiáng)度低、壓縮性高，襯砌變形最為劇烈。花崗巖層因結(jié)構(gòu)完整、強(qiáng)度高，對(duì)施工擾動(dòng)的適應(yīng)性最佳，襯砌變形最小。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖變形介于兩者之間，裂隙發(fā)育是影響變形的重要因素。

4）推進(jìn)步長(zhǎng)是影響襯砌變形的重要施工參數(shù)。較小步長(zhǎng)（如 1.5m ）可有效減小襯砌豎向變形幅度，適用于軟弱地層或裂隙發(fā)育地層；較大步長(zhǎng)（如 2.5m ）則會(huì)顯著增加變形，需謹(jǐn)慎選擇。

5）在硬質(zhì)地層中，可適當(dāng)采用2.0m步長(zhǎng)以平衡施工效率與變形控制。不同施工條件下，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整推進(jìn)步長(zhǎng)和支護(hù)參數(shù)，以確保施工安全與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

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