孫峰梅

(中鐵十九局集團有限公司 北京 101300)

1 引言

在我國大規(guī)模工程建設(shè)過程中，地下工程蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了一系列深埋超長隧道。而機械化程度高的盾構(gòu)/TBM法因其施工速度快、安全性高等因素而成為深埋長大隧道施工的重要方法。當(dāng)盾構(gòu)/TBM在深埋隧道穿越軟弱地層時，將面臨圍巖大變形和盾構(gòu)機卡機的施工風(fēng)險[1]。據(jù)統(tǒng)計，圍巖擠壓大變形及其導(dǎo)致的TBM卡機災(zāi)害占TBM重大事故的37%，是占比最大的地質(zhì)災(zāi)害[2-3]。

對于盾構(gòu)/TBM深埋隧道施工中的卡機風(fēng)險問題，有許多學(xué)者和工程師進行了相關(guān)研究。在對盾構(gòu)/TBM隧道卡機機理分析方面，劉泉聲等論述了深部復(fù)合地層圍巖與TBM隧道的相互作用機理和施工安全控制及評價決策問題，分析了超千米深井巷道建設(shè)中TBM隧道卡機機理，即當(dāng)TBM的推力無法克服圍巖對護盾產(chǎn)生的摩擦阻力時，便會導(dǎo)致TBM護盾被卡。同時，提出了一種監(jiān)測護盾變形的方案及護盾受力的計算方法，針對TBM的卡機狀態(tài)定義了四個等級并提出對應(yīng)的處理措施[4-6]。黃興等分析了TBM開挖卸荷后的圍巖擠壓大變形力學(xué)特性，定義了深埋隧道圍巖擠壓大變形概念及其臨界值，根據(jù)圍巖擠壓變形與開挖半徑間的比值和擠壓變形與擴挖間隙的比值這兩個指標(biāo)將擠壓大變形劃分為五個等級。同時，基于圍巖流變本構(gòu)模型和TBM卡機事故預(yù)測分析理論，提出了擠壓大變形和卡機數(shù)值計算方法，并分析了TBM不同時長停機狀態(tài)下的卡機行為[7]。溫森等考慮圍巖流變效應(yīng)，建立了停機和連續(xù)掘進兩種狀態(tài)下TBM卡機狀態(tài)判斷模型，提出了預(yù)留變形和超前支護相結(jié)合時臨界超前支護強度的計算模型，進行了TBM卡機控制措施的研究[8]。吳迪基于三維蠕變地層-盾殼-結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，模擬盾構(gòu)/TBM停機狀態(tài)下因圍巖流變而導(dǎo)致的卡機事故[9]。在盾構(gòu)/TBM卡機問題處理方面，薛永慶介紹了引漢濟渭秦嶺輸水隧洞嶺北工程TBM穿越斷層破碎帶時刀盤和護盾發(fā)生卡機后的脫困技術(shù)[10]。王江分析了雙護盾TBM施工中三種常見卡機形式的原因，總結(jié)了五種卡機脫困的技術(shù)，提出雙護盾TBM卡機預(yù)防措施[11]。尚彥軍分析了昆明北部上公山隧道數(shù)次TBM卡機事故和護盾擠壓變形的典型實例，介紹了工程中采用的人工擴挖旁洞、鋼拱架支撐和超前導(dǎo)洞等處理措施。景琦通過對敞開式TBM撐靴支撐力分析，提出了盾構(gòu)在軟弱圍巖中掘進反力保障措施[12]。

如上調(diào)研可知，對于深埋軟巖地質(zhì)條件下的盾構(gòu)/TBM，卡機風(fēng)險是重要的施工問題。目前對TBM卡機問題的研究較多，而對于深埋盾構(gòu)隧道施工卡機風(fēng)險的研究尚不多，且不同工程的軟巖地質(zhì)條件有很大差異。因此，本文結(jié)合廣佛環(huán)線東環(huán)隧道大源站-太和站區(qū)間工程，針對隧道穿越炭質(zhì)板巖和砂巖軟弱地層條件，開展大埋深雙模式盾構(gòu)隧道施工卡機風(fēng)險分析，并提出相應(yīng)的控制措施。

2 工程概況

廣佛環(huán)線廣州南站至白云機場段是珠三角城際軌道交通的重要組成部分，線路起于廣州南站，接入穗莞深城際鐵路竹料站，全長約46.7 km。東環(huán)隧道是該線路的重要工程，其中大源站-太和站區(qū)間隧道工程位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)，為雙線鐵路隧道，主要采用盾構(gòu)法施工，建筑長度6 804 m，盾構(gòu)隧道總長6 144 m。盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)采用單層裝配式通用管片環(huán)，并預(yù)留內(nèi)襯施作空間。隧道外直徑8.8 m，襯砌管片厚400 mm，環(huán)寬1.8 m，采用“6＋1”分塊模式，管片混凝土強度等級為C50。

隧址區(qū)多為丘陵與丘間谷地，屬丘陵地貌，地勢起伏較大，地面高程21～135 m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超過130 m。且盾構(gòu)隧道長距離下穿不同風(fēng)化程度的片麻巖、炭質(zhì)板巖、粉砂巖，圍巖風(fēng)化程度高、強度差異較大、滲透性差異顯著。工程采用單護盾TBM、土壓雙模盾構(gòu)掘進施工，掘進機轉(zhuǎn)換示意如圖1。圖中所標(biāo)1、2分別為雙模轉(zhuǎn)換口，是目前國內(nèi)首次采用單護盾TBM＋土壓平衡雙模大直徑盾構(gòu)長距離穿越大埋深巖層，設(shè)計與施工難度極大。

圖1 TBM與土壓平衡雙模盾構(gòu)機

3 盾構(gòu)卡機數(shù)值計算分析

為了預(yù)測不同埋深下東環(huán)隧道雙模式盾構(gòu)機在施工中的卡機風(fēng)險，本文利用有限差分軟件FALC3D對盾構(gòu)施工行為進行數(shù)值模擬。

3.1 數(shù)值分析模型

3.1.1 模型建立

結(jié)合隧道的工程地質(zhì)特點，針對隧道全斷面穿越大埋深炭質(zhì)板巖地層工況進行分析。炭質(zhì)板巖是一種典型的軟巖，其結(jié)構(gòu)呈層、片狀，膠結(jié)差、強度低，流變屬性明顯，且流變下限應(yīng)力值較低。在大埋深高地應(yīng)力條件下，盾構(gòu)隧道開挖形成的低圍壓、高應(yīng)力差環(huán)境使得盾構(gòu)機極易發(fā)生卡機的風(fēng)險。本文中將巖體視為各向同性等效連續(xù)介質(zhì)，但考慮炭質(zhì)板巖在大埋深高地應(yīng)力條件下的流變特性，采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖2為本文建立的計算模型。考慮數(shù)值計算的邊界效應(yīng)，模型的范圍為(100×72×100 m)；計算時僅考慮地層的自重應(yīng)力場，在模型x、y、z方向分別施加對應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力；在模型上表面施加垂直力模擬上部覆蓋巖體重力作用，模擬不同埋深下的初始應(yīng)力狀態(tài)，并在模型四周及底面采用法向位移約束條件。

圖2 三維模型

計算時管片襯砌采用實體單元模擬，針對盾構(gòu)超挖及壁后注漿等因素的作用，對其用等代層的方法進行考慮；同時，為了有效模擬盾殼與圍巖的相對運動，模型中采用liner結(jié)構(gòu)單元模擬盾殼。模型中盾殼、壁后間隙、超挖部分的位置關(guān)系如圖3所示，盾殼模擬的相關(guān)設(shè)置參數(shù)見表2。

圖3 模型斷面示意

表2 TBM護盾物理力學(xué)參數(shù)

3.1.2 模擬方法

圖4為東環(huán)隧道卡機分析模擬計算方法示意。首先不考慮盾構(gòu)隧道的開挖過程，一次性開挖隧道至模型中部，然后模擬盾殼、超挖部位、管片襯砌、壁后間隙的施作，最后計算分析在地應(yīng)力場作用下圍巖與盾殼的相互作用關(guān)系。

圖4 模擬開挖示意圖

3.1.3 計算工況

針對盾構(gòu)隧道埋深的差異，本文設(shè)置了5種計算工況，分別為H＝80 m、100 m、120 m、150 m 及200 m。通過分析各工況下圍巖的變形特征和盾殼的受力變形行為，判斷各工況下圍巖與盾構(gòu)的接觸-擠壓-摩擦相互作用關(guān)系，研究不同埋深條件下軟巖盾構(gòu)施工卡機風(fēng)險。

3.2 卡機結(jié)果分析

3.2.1 無支護條件下圍巖變形分析

不考慮盾殼、管片襯砌和壁后注漿層對圍巖的支護作用，以拱頂位置處圍巖為研究對象，得到盾構(gòu)隧道開挖后其豎向變形曲線如圖5示。

圖5 無支護條件下圍巖豎向變形縱向剖面(LDP)曲線

由圖5可知，在無支護條件下洞周豎向位移較大，且隧道埋深越大圍巖豎向位移越大。當(dāng)埋深為200 m時，洞周圍巖最大豎向位移為37.2 mm，遠大于盾構(gòu)開挖時通過擴挖預(yù)留的變形間隙20 mm。因此圍巖勢必會與盾殼接觸，對盾殼產(chǎn)生一定的擠壓力并引起盾構(gòu)卡機風(fēng)險。

相較于礦山法隧道，盾構(gòu)開挖時支護及時，限制了開挖引起的圍巖應(yīng)力釋放，隧道支護體系承受了較大的圍巖壓力。因此，現(xiàn)以如圖4所示設(shè)置的3個監(jiān)測點為研究對象，得到不同應(yīng)力釋放率下各監(jiān)測點的豎向變形規(guī)律如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點豎向位移

如圖6，對于洞周圍巖監(jiān)測點A、B、C，在不同埋深條件下隨巖體應(yīng)力釋放系數(shù)的增大，監(jiān)測點的豎向位移逐漸變大，且監(jiān)測點B位置處(盾殼尾部處)圍巖的豎向變形最大。隧道洞周拱頂位置處的圍巖豎向位移隨應(yīng)力釋放系數(shù)的變化規(guī)律說明盾構(gòu)支護越及時，對圍巖的擾動就越小，圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)越小，變形越小。

而對于盾構(gòu)隧道，由于盾殼、壁后注漿層、管片襯砌等支護體系在隧道開挖過程中施作及時，限制了圍巖的應(yīng)力釋放和變形，圍巖與盾殼直接接觸將圍巖荷載作用在盾殼上，對盾殼產(chǎn)生較大的擠壓力。同時，圖6的結(jié)果也表明對于盾構(gòu)/TBM隧道，開挖時應(yīng)合理設(shè)置超挖量，從而達到釋放圍巖壓力和減小盾殼所受壓力的作用。

3.2.2 圍巖與護盾相互作用分析

在實際盾構(gòu)開挖過程中，由于刀盤半徑大于盾殼半徑會產(chǎn)生超挖的現(xiàn)象，當(dāng)圍巖的徑向變形大于超挖間隙就會與盾殼接觸，圍巖變形荷載全部由盾殼承擔(dān)。本文僅模擬盾構(gòu)隧道一步開挖過程，圍巖荷載由盾殼、管片襯砌、壁后注漿層共同承擔(dān)。其中管片襯砌和壁后注漿層限制了圍巖變形，而在盾殼范圍內(nèi)由于超挖的存在，允許圍巖發(fā)生一定變形。如圖7所示為隧道開挖后盾殼范圍內(nèi)拱頂位置處圍巖豎向變形曲線。

圖7 有支護條件下圍巖豎向變形縱向剖面(LDP)曲線

對比圖5、圖7知，在有支護條件下圍巖與護盾的相互作用，拱頂位置豎向位移遠小于無支護狀態(tài)下的值，說明盾殼承擔(dān)一定比例的圍巖變形荷載。

不同埋深條件下圍巖與盾殼的變形情況見圖8。盾殼用liner單元模擬，其位移為正值時表示發(fā)生沉降變形，反之為負(fù)值時表明為隆起變形。由盾殼的豎向位移分布規(guī)律可知，由于受開挖面的空間效應(yīng)作用，豎向位移從盾殼前端到盾殼末端依次增大；而盾構(gòu)隧道開挖后洞周圍巖拱頂位置發(fā)生一定的沉降，拱底位置發(fā)生隆起，且在管片襯砌已支護位置處沿隧道縱向洞周圍巖的豎向位移差異性不大。

盾殼的變形越大，說明其所受到的擠壓力作用越大。因此針對盾構(gòu)隧道穿越深埋軟弱地層施工，應(yīng)注意因圍巖荷載引起的盾殼變形過大和擠壓作 用明顯而產(chǎn)生的卡機問題。

圖8 不同埋深下圍巖與盾殼豎向位移

3.2.3 盾構(gòu)卡機判斷

在盾構(gòu)施工中，圍巖荷載作用在盾殼上而對其產(chǎn)生摩阻力作用，當(dāng)盾構(gòu)機自身所能提供的最大推力不足無法克服圍巖對護盾產(chǎn)生的摩擦阻力時，將產(chǎn)生盾殼卡機問題。參考已有的研究，現(xiàn)利用式(1)對盾構(gòu)卡機行為判斷。

上式中:Fr為克服盾殼所受摩阻力需要的推力，根據(jù)力平衡關(guān)系可知其在數(shù)值上等于盾殼所受到的摩阻力；Fb為機器正常連續(xù)掘進開挖所需推力；F1為TBM推進系統(tǒng)所能提供的額定推力。利用FLAC3D軟件中的FISH語言得到Fr，相應(yīng)的計算方法如式(2)所示。

護盾所受摩檫力主要是由圍巖擠壓變形對盾殼產(chǎn)生的摩擦力Rfs和由于TBM自重產(chǎn)生的摩阻力fW。式中:R為盾殼直徑；Ps(y)為圍巖對盾殼的擠壓力，可從數(shù)值模擬結(jié)果盾殼結(jié)構(gòu)單元中獲??；f為圍巖與護盾間的摩擦系數(shù)；W為盾構(gòu)機的自重。

利用公式(1)和(2)對不同埋深條件下盾殼的卡機風(fēng)險進行判斷，結(jié)果如圖9所示，其中為臨界護盾阻力閾值。

由圖9可知，隨著埋深的增大盾殼所受摩阻力也隨之增大，當(dāng)埋深超過100 m時盾殼受到的摩阻力將大于臨界阻力閾值，根據(jù)公式(1)可知在這種工況下會出現(xiàn)卡機情況。

4 盾構(gòu)卡機事故控制與處理

上述計算表明盾構(gòu)/TBM在深埋軟巖地質(zhì)條件開挖時，圍巖的變形超過了護盾與圍巖之間預(yù)留的超挖量，當(dāng)圍巖變形過大時會導(dǎo)致卡機事故的發(fā)生，嚴(yán)重影響工期。對此，針對如何控制和處理卡機事故的發(fā)生，提出以下三點建議:

(1)超前支護

當(dāng)盾構(gòu)穿越深埋軟弱巖層時，對隧道前方圍巖進行超前支護，提高圍巖強度，減小盾構(gòu)開挖時的圍巖變形，從而避免盾構(gòu)卡機行為的發(fā)生。常采用的超前支護措施有超前錨固、超前灌漿和凍結(jié)法等。其中在已破壞了的硬巖以及軟巖中多采用超前錨桿支護方法；在裂隙和松散破碎的巖層中多采用超前灌漿法；在滲透性強、可灌性差的沖積地層中可選擇人工凍結(jié)法。

(2)選擇合適的盾構(gòu)機型

盾構(gòu)開挖時由于超挖量的存在而形成圍巖的預(yù)留變形空間，使圍巖得到一定程度的應(yīng)力釋放而發(fā)生變形。當(dāng)圍巖的徑向變形大于超挖間隙時會對盾殼產(chǎn)生擠壓作用，而施加在盾殼上的荷載與超挖間隙有關(guān)。超挖間隙越大，盾殼荷載越小，盾構(gòu)機需要克服的摩擦力也大為減小，卡機的風(fēng)險越小。而對于盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)機型決定了超挖間隙的大小。因此針對盾構(gòu)穿越大埋深軟弱地層掘進施工，應(yīng)選擇合適的盾構(gòu)機型，預(yù)留圍巖變形空間，減小施工卡機風(fēng)險。

(3)圍巖擴挖

當(dāng)施工中出現(xiàn)盾構(gòu)卡機的問題而無法啟動時，通過圍巖擴挖的方法迅速釋放盾殼上的圍巖壓力，使盾構(gòu)盡快運轉(zhuǎn)起來，以防圍巖再次產(chǎn)生大的變形。圍巖擴挖方法及原理如圖10所示。

圖10 圍巖擴挖原理示意

對圍巖進行擴挖時，首先通過化學(xué)注漿對圍巖進行加固，待注漿凝固后盡快在盾殼兩側(cè)開挖以釋放圍巖壓力，使盾構(gòu)運轉(zhuǎn)起來以盡快地通過。而如果圍巖條件很差，作用在盾殼上的擠壓力很大，則需要采用先開導(dǎo)洞再擴挖的方案對卡機問題進行處理，即先進行注漿加固，再拆除一定數(shù)量的管片作為輔助導(dǎo)洞進口，然后開挖一條通道至盾構(gòu)掌子面，逐步在盾殼外側(cè)位置處進行人工擴挖，以達到釋放圍巖壓力的作用。

5 結(jié)論

本文針對廣佛環(huán)線東環(huán)隧道工程項目，對不同埋深下雙模式盾構(gòu)機在施工中的卡機風(fēng)險進行了數(shù)值模擬分析，并探討了深埋雙模式盾構(gòu)隧道施工卡機風(fēng)險的控制與處理措施，得到結(jié)論如下:

(1)隨著埋深的增加盾構(gòu)機開挖對圍巖的擾動也隨之增大，作用在盾殼上的法向應(yīng)力也越大，導(dǎo)致摩擦力越大，卡機事故發(fā)生的概率增加。

(2)對于盾構(gòu)隧道的開挖，土體主要是一個卸荷過程。本文通過監(jiān)測三個點位在不同應(yīng)力釋放系數(shù)下的豎向位移得出支護越及時圍巖對盾殼的擠壓作用就越大，就越容易出現(xiàn)卡機的情況。

(3)針對大埋深雙模式盾構(gòu)施工的卡機風(fēng)險，可以從超前支護、選擇合適盾構(gòu)機型、圍巖擴挖三個方面進行控制和處理。