劉秉峰， 張軍偉， *， 李 雪， 祝全兵， 任躍勤

(1. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 610500；2. 中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司， 四川 成都 610081)

0 引言

盾構(gòu)法以其機(jī)械化程度高、對環(huán)境干擾小、地層適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)80年代以來得到了極快的發(fā)展[1]。但是隨著修建數(shù)量的快速增長，盾構(gòu)所處的地層條件及掘進(jìn)環(huán)境變得復(fù)雜多變，各種災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生，如我國昆明掌鳩河引水供水工程[2]，盾構(gòu)在穿越復(fù)合地層時(shí)被迫停機(jī)拆除，工期延誤1年多，直接經(jīng)濟(jì)損失上億元，還有萬家寨引黃工程[3]、坪林公路隧道[4]、西凱斯?fàn)柼睾铀淼繹5]等，其中大部分都是盾構(gòu)穿越不良地質(zhì)體時(shí)發(fā)生了卡機(jī)、涌水涌砂、塌方等工程事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

有關(guān)研究表明，隧道三維位移變化情況可預(yù)測開挖面前方地質(zhì)條件。W.Schubert等[6]提出了位移向量角α的概念，根據(jù)α角的變化和發(fā)展趨勢對開挖面附近一定范圍內(nèi)巖體強(qiáng)度的變化進(jìn)行預(yù)測； I.M.Lee等[7]研究了不同側(cè)向應(yīng)力對隧道三維位移的影響； J.S.Jeon等[8]探討了初始應(yīng)力狀態(tài)、隧道直徑等對α角的影響； 熊良宵等[9]研究了洞室形狀等對隧道圍巖位移的影響規(guī)律。

目前關(guān)于位移向量角的研究和應(yīng)用多是在礦山法中，鮮有不良地質(zhì)體對盾構(gòu)隧道位移影響規(guī)律的研究。本文在借鑒國內(nèi)外學(xué)者提出的隧道三維位移數(shù)據(jù)處理方法和隧道三維變形展示方式的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法探討不良地質(zhì)體如軟(硬)巖層、斷層破碎帶、巖層產(chǎn)狀、溶洞、球狀風(fēng)化體等對盾構(gòu)隧道位移向量角α的影響及變化趨勢，以期為今后盾構(gòu)隧道工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 位移向量角及趨勢線的概念

基于地質(zhì)力學(xué)與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)間良好的對應(yīng)關(guān)系，張宇等[10]和W.Schubert等[6]提出了位移向量角的概念，并在進(jìn)一步的研究中發(fā)現(xiàn)拱頂處位移向量角的變化及其發(fā)展趨勢可以反映掌子面前方巖體強(qiáng)度變化的重要信息。位移向量角的計(jì)算公式為

(1)

位移向量角的計(jì)算方法參照圖1進(jìn)行說明。將監(jiān)測點(diǎn)布置在距掌子面為dz處，由開挖卸荷引起監(jiān)測點(diǎn)處的垂直與軸向變形分量分別為S1和L1。當(dāng)繼續(xù)向前開挖l長度后，掌子面后方dz+l處(即監(jiān)測點(diǎn)處)的垂直與軸向變形分量變?yōu)镾2和L2，可知隧道掘進(jìn)l后，監(jiān)測點(diǎn)處的垂直、軸向變形分量的變化分別為ΔS=S2-S1和ΔL=L2-L1，此過程所導(dǎo)致的位移向量轉(zhuǎn)變的角度為α，該α角是以測點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)和以鉛垂向下為基線，依順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)變化為負(fù)值；反之，為正值。需要說明的是，每一測試斷面均有一組位于開挖面后方dz+l處測點(diǎn)的位移向量角α，將各個(gè)斷面所測得的α角依次連接而成的曲線即為位移向量趨勢線，它所代表的含義是隧道掘進(jìn)過程中軸向與垂直方向擠壓的變化情況。

當(dāng)開挖面接近不良地質(zhì)體(帶)時(shí)，隧道的軸向、垂直位移分量受開挖面前方不良地質(zhì)體(帶)的影響，α角將偏離原本正常狀態(tài)(水平)，產(chǎn)生或正或負(fù)的變化。W.Schubert等[6]的研究結(jié)果表明，當(dāng)隧道接近軟巖區(qū)時(shí)，應(yīng)力主要集中在硬巖區(qū)內(nèi)，軸向位移ΔL會(huì)增大，進(jìn)而導(dǎo)致α變大；當(dāng)隧道接近硬巖區(qū)時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)相反的趨勢，即ΔL會(huì)減小，并導(dǎo)致α變小[6]。

(a) 開挖前

(b) 開挖后

有關(guān)研究[11]進(jìn)一步表明，即使隧道開挖過程中變形量較小，α角仍然可預(yù)測開挖面前方1倍洞徑處的地質(zhì)情況。因此，該方法能敏感地反映出地質(zhì)構(gòu)造差異所產(chǎn)生的位移變化。

2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

2.1 計(jì)算模型

以下數(shù)值分析中隧道洞室形狀為圓形，直徑為 7.5 m，襯砌管片厚0.4 m。初始應(yīng)力狀態(tài)設(shè)置為重力加載以模擬淺埋隧道，為減少計(jì)算量，取隧道的左半部分建模。模型如圖2所示。坐標(biāo)軸原點(diǎn)設(shè)置在隧道的圓心處，隧道水平向?yàn)閄軸方向，軸向?yàn)閅軸方向，垂直向?yàn)閆軸方向。為降低邊界效應(yīng)，將模型的長、寬、高分別設(shè)為100、30、48 m。本文主要探討盾構(gòu)穿越如下不良地質(zhì)體(帶)時(shí)位移向量角的變化趨勢： 1)軟巖掘進(jìn)至硬巖； 2)硬巖掘進(jìn)至軟巖； 3)不同破碎帶寬度； 4)不同巖層產(chǎn)狀； 5)相鄰地層不同硬度比； 6)巖溶、空洞； 7)球狀風(fēng)化體。

隧道施工按全斷面開挖，并在開挖面上施加一梯形分布的面力以模擬盾構(gòu)施工。開挖面每次進(jìn)尺為3 m，即2環(huán)襯砌管片寬度；混凝土襯砌管片采用C50混凝土強(qiáng)度。

圖2 隧道計(jì)算模型Fig. 2 Computation model of tunnel

2.2 巖石力學(xué)模型及屈服準(zhǔn)則

數(shù)值模擬中，將圍巖材料按照彈塑性考慮，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，屈服函數(shù)如式(2)和式(3)所示。

(2)

ft=σ3-σt。

(3)

當(dāng)巖體內(nèi)某一點(diǎn)應(yīng)力滿足fs<0時(shí)，發(fā)生剪切破壞；當(dāng)應(yīng)力滿足ft>0時(shí)，發(fā)生拉伸破壞。

2.3 巖體與支護(hù)力學(xué)參數(shù)

本研究中的巖體為均質(zhì)各向同性材料，使用實(shí)體單元模擬并采用地質(zhì)強(qiáng)度參數(shù)(GSI)區(qū)分不同巖體。其中，堅(jiān)硬巖體GSI=50，中等強(qiáng)度巖體GSI=40，軟弱巖體GSI=30。

巖體的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[12]選取，如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass

模型中混凝土襯砌單元也采用實(shí)體單元，并且是均質(zhì)各向同性材料。根據(jù)文獻(xiàn)[12]選取混凝土襯砌的物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 混凝土襯砌物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

以下數(shù)值分析中： 1)在均質(zhì)巖體條件下，位移向量方位趨勢線略成一條水平線，稱之為“正常狀態(tài)”，并將此時(shí)的位移向量角α的值定義為平均值，即αave。以下數(shù)值分析中位移向量角α的大小等于α=α′-αave，其中α′為計(jì)算所得的位移向量角。2)隧道朝Y軸正值方向掘進(jìn)，不良地質(zhì)體(帶)均位于Y=50平面上。

3.1 軟巖區(qū)掘進(jìn)至硬巖區(qū)

硬巖對位移向量趨勢線的影響如圖3所示?？梢钥闯觯?1)在距離硬巖20 m(約2.5B，B為隧道直徑)處，α角開始偏離正常狀態(tài)，變?yōu)樨?fù)值，并隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢； 2)當(dāng)掘進(jìn)至軟、硬巖層界面時(shí)，α角達(dá)到負(fù)值最大值； 3)開挖面進(jìn)入硬巖，α角隨之減小，并在32 m(約4B)處再次呈現(xiàn)出水平趨勢； 4)在距離軟、硬巖層界面4～8 m(0.5B～1B)時(shí)，位移向量趨勢線出現(xiàn)波動(dòng)，這是因?yàn)楫?dāng)隧道由軟巖向硬巖開挖時(shí)，由于軸向拱效應(yīng)的影響，開挖面前方會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且軸向拱效應(yīng)主要以開挖面前方5 m(約0.625B)處為主要影響區(qū)； 5)當(dāng)開挖面位于4～8 m(0.5B～1B)時(shí)，軸向拱效應(yīng)恰好位于軟、硬巖層界面處，堅(jiān)硬巖體可承受較大應(yīng)力而不易發(fā)生變形，同時(shí)，施加在開挖面上的盾構(gòu)推力會(huì)限制軸向變形，進(jìn)而導(dǎo)致α值出現(xiàn)波動(dòng)。

3.2 硬巖區(qū)掘進(jìn)至軟巖區(qū)

軟巖對位移向量趨勢線的影響如圖4所示。可以看出： 1)盾構(gòu)隧道由硬巖掘進(jìn)至軟巖時(shí)位移向量角的變化趨勢與盾構(gòu)隧道由軟巖掘進(jìn)至硬巖的趨勢線相反； 2)在距離硬巖區(qū)20 m(約2.5B)處，α角開始偏離正常狀態(tài)，變?yōu)檎?，并隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢； 3)當(dāng)掘進(jìn)至巖層分界面時(shí)，α角達(dá)到正值最大值； 4)開挖面進(jìn)入軟巖時(shí)，α角隨之減小，并在32 m(約4B)處再次呈現(xiàn)出水平線的趨勢； 5)在距離軟、硬巖層界面4～8 m(0.5B～1B)時(shí)，位移向量趨勢線出現(xiàn)波動(dòng)，這是因?yàn)楫?dāng)隧道由硬巖向軟巖開挖時(shí)，由于縱向拱效應(yīng)的影響，開挖面前方會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，軟弱巖層通過變形來承受較大應(yīng)力，同時(shí)，施加在開挖面上的盾構(gòu)推力會(huì)限制軸向變形，進(jìn)而導(dǎo)致α值出現(xiàn)波動(dòng)。

圖3 硬巖對位移向量趨勢線的影響Fig. 3 Influence of hard rock on displacement vector trend line

圖4 軟巖對位移向量趨勢線的影響Fig. 4 Influence of soft rock on displacement vector trend line

對比圖3和圖4可以看出: 雖然在均質(zhì)巖體(硬巖、軟巖)中的位移向量趨勢線均呈水平狀態(tài)，但硬巖與軟巖的位移向量趨勢線不在同一水平線上，這是由于不同巖體之間物理力學(xué)性質(zhì)差異引起的。

3.3 斷層破碎帶寬度

在此算例中，斷層破碎帶的寬度分別為10 m(1.25B)、20 m(2.5B)和30 m(3.75B)，將完整巖體設(shè)置為硬巖，將斷層破碎帶處的巖體設(shè)置為軟巖。相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

本算例中α角的變化趨勢與上述2個(gè)算例中α角的變化趨勢有一定相似之處，均質(zhì)巖體掘進(jìn)至斷層破碎帶可視為硬巖掘進(jìn)至軟巖，而斷層破碎帶掘進(jìn)至均質(zhì)巖體可視為軟巖掘進(jìn)至硬巖。

圖5 斷層破碎帶寬度對位移向量趨勢線的影響

Fig. 5 Influence of width of fault and fracture zone on displacement vector trend line

由圖5可以看出： 1)當(dāng)開挖面距離斷層破碎帶20 m(2.5B)處，α角開始偏離正常狀態(tài)，雖然斷層破碎帶的寬度不同，但α角的變化都是在距斷層破碎帶相似距離處開始的； 2)隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢； 3)當(dāng)掘進(jìn)至均質(zhì)巖體與斷層破碎帶界面時(shí)，α角達(dá)到正值最大值； 4)開挖面進(jìn)入斷層破碎帶時(shí)，α角隨之減小，并在斷層破碎帶與均質(zhì)巖體界面處達(dá)到負(fù)值最大值，最終在距界面32 m(約4B)處再次呈現(xiàn)出水平線的趨勢。

綜上分析可知，斷層破碎帶的寬度對α角的影響主要體現(xiàn)在以下2點(diǎn)： 1)隨著斷層破碎帶寬度的增加，α角的正值最大值與負(fù)值最大值均有所增加。2)當(dāng)開挖面進(jìn)入斷層破碎帶后，斷層破碎帶越窄，α角的減小幅度越大； 斷層破碎帶越寬，α角的減小幅度越小。

3.4 巖層產(chǎn)狀

在前面所述算例中，地層界面均是垂直于隧道軸線的，而在實(shí)際中，根據(jù)地質(zhì)條件的復(fù)雜程度，地層界面可以處于任何角度。在此算例中，研究了與水平面呈45°和90°的巖層傾角對位移向量角的影響。

巖層產(chǎn)狀對位移向量趨勢線的影響如圖6所示?？梢钥闯觯?1)當(dāng)巖層傾角與水平面呈45°夾角時(shí)，在距離硬巖32 m(約4B)處，α角開始偏離正常狀態(tài)，變?yōu)樨?fù)值，略早于90°傾角，并隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢； 2)當(dāng)掘進(jìn)至巖層界面時(shí)，α角達(dá)到負(fù)值最大值，但其變化幅度及負(fù)值最大值均小于90°傾角算例； 3)開挖面進(jìn)入硬巖時(shí)，α角隨之減小，并在32 m(約4B)處再次呈現(xiàn)出水平線的趨勢，其α角的值小于90°傾角的值。

圖6 巖層產(chǎn)狀對位移向量趨勢線的影響

3.5 相鄰地層強(qiáng)度比

相鄰地層強(qiáng)度比對位移向量角的影響趨勢線如圖7所示。可以看出： 1)當(dāng)隧道由軟巖掘進(jìn)至中等強(qiáng)度巖體區(qū)域時(shí)，在距離硬巖區(qū)12 m(約1.5B)處,α角開始偏離正常狀態(tài)，變?yōu)樨?fù)值，略晚于隧道由軟巖掘進(jìn)至硬巖時(shí)的20 m(2.5B)處，并隨著距離的減小，α角的變化幅度呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢; 2)當(dāng)掘進(jìn)至軟、硬巖層界面時(shí)，α角達(dá)到負(fù)值最大值，但仍小于隧道由軟巖掘進(jìn)至硬巖時(shí)的負(fù)值最大值; 3)開挖面進(jìn)入硬巖，α角隨之減小，并在32 m(約4B)處(即X=4B處)再次呈現(xiàn)出水平線的趨勢。

圖7 相鄰地層強(qiáng)度比對位移向量趨勢線的影響

Fig. 7 Influence of strength ratio of adjacent strata on displacement vector trend line

3.6 巖溶、空洞

本算例中，主要研究巖溶、空洞的尺寸對位移向量角的影響，首先考慮巖溶、空洞尺寸不超過盾構(gòu)直徑時(shí)的情況，假設(shè)其尺寸分別為4 m(0.5B)、6 m(0.75B)和8 m(1B)，巖溶、空洞與隧道軸線的交點(diǎn)位于Y=50處，在此算例中將巖體設(shè)置為GSI=50，巖溶、空洞等設(shè)置為空模型。

巖溶、空洞對位移向量趨勢線的影響如圖8所示。可以看出： 1)當(dāng)開挖面距離巖溶空洞8 m(約1B)時(shí)，α角迅速增大； 2)在間距為4 m(約0.5B)處達(dá)到正值最大值； 3)隨著間距的減小，α角迅速減小，當(dāng)開挖面抵達(dá)巖溶空洞時(shí)，α角達(dá)到負(fù)值的最大值。

圖8 巖溶、空洞對位移向量趨勢線的影響

Fig. 8 Influence of karst and void on displacement vector trend line

當(dāng)巖溶直徑大于盾構(gòu)直徑，此時(shí)盾體與巖土體分離，難以獲取α值的變化。隨后，開挖面通過巖溶、空洞區(qū)域，α角迅速變?yōu)檎顟B(tài)并呈一水平線。由此可知，當(dāng)盾構(gòu)在巖溶發(fā)育地區(qū)掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)更加密切地關(guān)注α角的變化。

3.7 球狀風(fēng)化體

在此算例中，研究球狀風(fēng)化體的尺寸對位移向量角的影響，其尺寸分別為4 m(0.5B)和6 m(0.75B)，球狀風(fēng)化體與隧道軸線的交點(diǎn)位于Y=50處，并將巖層設(shè)置為GSI=30，球狀風(fēng)化體設(shè)置為GSI=50。

球狀風(fēng)化體對位移向量趨勢線的影響如圖9所示?？梢钥闯觯?1)隨著球狀風(fēng)化體直徑的增大，α角將更早地偏離正常狀態(tài)，呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢； 2)在距離球狀風(fēng)化體4 m(0.5B)附近達(dá)到正值最大值，隨后迅速下降，并在X=0.5B處達(dá)到負(fù)值最大值，最終逐漸回歸到正常狀態(tài)。

圖9 球狀風(fēng)化體對位移向量趨勢線的影響

Fig. 9 Influence of spherical weathered body on displacement vector trend line

對比圖8和圖9可以看出： 巖溶、空洞、球狀風(fēng)化體的直徑對位移向量角的變化幅度有較大影響，當(dāng)直徑較小時(shí)，其α角的正值最大值與負(fù)值最大值的差值較小，隨著直徑的增加，其差值迅速變大。

4 結(jié)論與建議

1)盾構(gòu)由軟巖向硬巖掘進(jìn)時(shí)，位移向量趨勢線逐漸下降，α角在地質(zhì)界面處達(dá)到負(fù)值最大值；反之，位移向量趨勢線逐漸上升，α角在地質(zhì)界面處達(dá)到正值最大值。因此，可通過α角的變化趨勢預(yù)測預(yù)報(bào)開挖面前方巖土體強(qiáng)度。

2)隨著破碎帶寬度的增加，位移向量趨勢線呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。破碎帶越寬，開挖面在地質(zhì)界面處α角的值越大，但其降低幅度越緩慢。

3)傾角越陡，α變化越早，變化幅度較?。?反之，α變化越晚，變化幅度較大。

4)相鄰地層強(qiáng)度差異越大，位移向量趨勢線變化越明顯。

5)當(dāng)開挖面掘進(jìn)至距離巖溶、空洞1倍洞徑時(shí)，α角開始變化。在巖溶發(fā)育區(qū)，應(yīng)密切關(guān)注α角的變化。

6)隨著球狀風(fēng)化體直徑的增加，α角的變化越早且變化幅度越大。

本文僅是在自重應(yīng)力場下進(jìn)行的單線盾構(gòu)隧道建模計(jì)算，若在分析中充分考慮隧道埋深、構(gòu)造作用、地下水等因素，則計(jì)算結(jié)果將更加接近現(xiàn)實(shí)中盾構(gòu)隧道開挖引起的三維變形情形。若采用雙線、非直線方式模擬，則其計(jì)算結(jié)果將與本研究結(jié)果有所差異，值得進(jìn)一步研究和探討。