吳文彪，李錦平，林 輝，封 坤，王 闖

(1.粵水電軌道交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510610； 2.廣東珠三角城際軌道交通有限公司，廣東 廣州 510000；3.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

在高水壓及開挖面滲透力的作用下，土壓平衡盾構(gòu)穿越裂隙發(fā)育巖層時容易形成水力通道，控制不好時易引起噴涌等施工安全問題[1-3]。

針對水下土壓平衡盾構(gòu)隧道施工的安全性問題，眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究。鄧如勇等[4]針對蘭州地鐵盾構(gòu)隧道穿越強透水砂卵石地層承受較高外水壓的特點，采用數(shù)值模擬方法分析了施工潛在風(fēng)險。張旭東[5]基于朗金土壓力理論對土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂層時盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能進(jìn)行了分析，并通過室內(nèi)試驗研究了淤泥質(zhì)砂層的渣土改良技術(shù)。李振東[6]基于工程實踐，提出了土壓平衡盾構(gòu)在砂卵石地層中下穿城市河流的施工方法。潘榮凱等[7]介紹了在滲透系數(shù)為10-3m/s的砂性地層中越江土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)，分析了涌砂冒水的應(yīng)急處理方法。楊雄飛[8]結(jié)合廣州地鐵越江隧道工程，采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬方法分析了越江隧道的施工風(fēng)險。

大量研究結(jié)果表明，土壓平衡盾構(gòu)可承受的掌子面前方水壓力是有限的，在高水壓條件下施工易出現(xiàn)施工風(fēng)險。鑒于此，本文以廣佛(廣州—佛山)環(huán)線沙堤隧道為例，采用數(shù)值模擬方法對裂隙巖層中土壓平衡盾構(gòu)下穿佛山水道施工安全性進(jìn)行分析，為類似工程設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

廣佛環(huán)線沙堤隧道位于廣東省佛山市，為雙線城際鐵路盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)段全長 5 035 m，管片襯砌內(nèi)徑7.7 m，外徑8.5 m，幅寬1.6 m，管片混凝土強度等級為C50。隧道在DK4+580 —DK4+665段斜向下穿佛山水道，隧道最大埋深37.62 m。佛山水道常年平均水位高度為4.63 m。隧道下穿佛山水道段的地質(zhì)縱斷面如圖1所示。隧道洞身主要穿越弱風(fēng)化巖層，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙連通性較好，滲透性較強。

圖1 沙堤隧道下穿佛山水道段地質(zhì)縱斷面

2 數(shù)值分析

考慮到沙堤隧道在大埋深裂隙巖層中下穿佛山水道時存在涌水風(fēng)險，本文采用數(shù)值模擬方法對沙堤隧道下穿佛山水道時的施工安全性進(jìn)行分析。選取計算斷面DK4+625(參見圖1)，該斷面處6-1全風(fēng)化巖層厚度較小，對地層進(jìn)行簡化，如圖2所示。

圖2 計算斷面地層情況示意(單位：m)

2.1 模型建立及參數(shù)選取

采用FLAC 3D軟件建立分析模型(見圖3)，考慮雙線盾構(gòu)隧道前后相隔一定距離施工，僅模擬單線盾構(gòu)隧道施工過程。考慮滲流和力學(xué)邊界效應(yīng)，建立的計算模型尺寸為90 m(x向)×40 m(y向)×97.26 m(z向)，共 45 936 個單元，49 500 個節(jié)點。模型中上表面為自由面，四周及底面采用法向位移約束；地表和四周設(shè)置為透水邊界，底面設(shè)置為不透水邊界，同時地表施作超載以模擬河中流水的荷載作用。

圖3 數(shù)值計算模型(單位：m)

模型中地層巖土體遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，管片為彈性體，采用Shell單元模擬，盾尾間隙以均質(zhì)、等厚、彈性的等代層模擬，并根據(jù)工程實際將等代層厚度取0.3 m。地層物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)沙堤隧道詳細(xì)勘察報告確定，支護(hù)結(jié)構(gòu)(管片及注漿層)參數(shù)根據(jù)設(shè)計資料確定，見表1。

表1 巖土層及結(jié)構(gòu)主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬

盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬如圖4所示。模型中共設(shè)置3個研究斷面，斷面1前面和斷面3后面均一次性開挖支護(hù)成型，中間部分設(shè)置3個開挖步，每步開挖1.6 m；每個開挖步內(nèi)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)、管片拼裝、盾尾間隙注漿，先進(jìn)行力學(xué)場計算，再進(jìn)行滲流場和應(yīng)力場的流固耦合計算。

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬示意(單位：m)

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 開挖面滲流分析

以研究斷面1為例，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)至斷面1時橫斷面方向水壓力分布見圖5?？芍河捎谕羵}對掌子面的堵水作用有限，在水壓力差的作用下地下水通過裂隙巖層時形成水力通道，從而在開挖面附近形成明顯的滲流漏斗，在橫斷面方向滲流場呈向隧道內(nèi)凹陷的漏斗狀分布，并且在距開挖面一定距離后滲流場逐漸收斂。掘進(jìn)至斷面1時橫斷面方向滲流場收斂范圍約30.6 m。說明沙堤隧道穿越佛山水道時單線隧道開挖對于滲流場的橫向影響范圍約為隧道洞徑(8.5 m)的3.6倍。在此范圍內(nèi)施工時地層可能會發(fā)生較大滲水，該范圍以外水壓力較穩(wěn)定。

圖5 掘進(jìn)至斷面1時橫斷面方向水壓力分布(單位：MPa)

掘進(jìn)至斷面1時縱向(掘進(jìn)方向)水壓力分布見圖6?？芍憾軜?gòu)掘進(jìn)至斷面1時開挖面前方滲流場呈向開挖面下方傾斜的弧形分布，并且在距開挖面前方一定距離后滲流場逐漸收斂；掘進(jìn)至斷面1時滲流場收斂范圍約20.18 m。說明沙堤隧道穿越佛山水道施工時對開挖面前方滲流場的影響范圍約為隧道洞徑的2.4倍。

圖6 掘進(jìn)至斷面1時縱向水壓力分布(單位：MPa)

2.3.2 開挖面涌水量

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果將計算模型開挖面的不平衡流量換算成隧道涌水量，得到隧道掘進(jìn)至斷面1,斷面2和斷面3時涌水量分別為 2 391.71，2 387.38，2 377.36 m3/d?？芍车趟淼老麓┓鹕剿罆r引起的開挖面平均涌水量約為 2 385.48 m3/d，遠(yuǎn)大于工程勘察設(shè)計階段預(yù)測涌水量。

根據(jù)實際施工資料，沙堤隧道穿越佛山水道時盾構(gòu)土倉開倉時掌子面來水較多。因此，在施工過程中應(yīng)密切監(jiān)視掌子面水質(zhì)和水量的變化，謹(jǐn)防隧道突涌水。

2.3.3 開挖面穩(wěn)定性

地下水在隧道開挖面發(fā)生滲流時，會在開挖面附近土體骨架上形成滲透力，對開挖面的穩(wěn)定性有一定的影響[9]。針對沙堤隧道在裂隙巖層中下穿佛山水道時開挖面的穩(wěn)定性問題，參考文獻(xiàn)[10]中的方法，數(shù)值模擬中采用支護(hù)壓力比λ(土倉隔板中心點處的土倉壓力σs與原始地層在開挖面中心點處的靜止水平土壓力σ0之比)來對開挖面處土倉壓力進(jìn)行調(diào)整，得到有無滲流條件下隧道開挖至斷面1時開挖面中心點水平位移隨支護(hù)壓力比的變化曲線，見圖7。

圖7 開挖面中心點水平位移隨支護(hù)壓力比的變化曲線

由圖7可知：在一定范圍內(nèi)隨著支護(hù)壓力比的減小，開挖面中心點水平位移逐漸增大，且增長趨勢呈非線性。在非滲流條件下，隨著支護(hù)壓力比的減小開挖面中心點水平位移雖略有增加，但整體較小。在滲流條件下，當(dāng)λ>0.3時開挖面中心點水平位移很小，開挖面具有一定的自穩(wěn)能力；當(dāng)λ<0.2時開挖面中心點水平位移增幅較大，位移曲線斜率較大，即在滲流條件下λ<0.2時開挖面易發(fā)生失穩(wěn)破壞。滲流條件下和非滲流條件下開挖面中心點水平位移的變化規(guī)律說明，支護(hù)壓力比較小時地下水的滲流作用使得開挖面的穩(wěn)定性明顯降低。

3 結(jié)論

1)在大埋深裂隙巖層中土壓平衡盾構(gòu)下穿佛山水道時引起開挖面附近地下水滲流，橫斷面方向影響范圍約為隧道洞徑的3.6倍，縱斷面方向影響范圍約為隧道洞徑的2.4倍。

2)土壓平衡盾構(gòu)穿越水下裂隙巖層時，在一定的支護(hù)壓力下開挖面具有一定的自穩(wěn)能力；支護(hù)壓力較小時在水壓力的作用下開挖面易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3)雖然地層具有良好的自穩(wěn)能力，但考慮到巖層裂隙發(fā)育，土壓平衡盾構(gòu)施工應(yīng)保證土倉的止水能力，防止開挖面出現(xiàn)涌水問題。