王 凱

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步和盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)隧道因其巨大的優(yōu)勢(shì)逐漸成為地下工程穿越復(fù)雜環(huán)境的首選形式。但受地層地質(zhì)因素的限制，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中不可避免的會(huì)伴隨刀盤刀具的磨損及更換等問(wèn)題，而開倉(cāng)換刀階段開挖面的穩(wěn)定性將直接影響施工的安全和效率。

針對(duì)不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道開挖面的穩(wěn)定性問(wèn)題，眾多學(xué)者開展了一系列研究。呂璽琳等[1]通過(guò)開展離心模型試驗(yàn)，對(duì)干粉砂及飽和粉砂中盾構(gòu)隧道開挖面的失穩(wěn)破壞特性和極限支護(hù)壓力進(jìn)行了研究，并分析了土體強(qiáng)度參數(shù)、隧道埋深及滲流對(duì)極限支護(hù)壓力的影響規(guī)律；孟憲彪[2]從防止開挖面涌水、保持開挖面穩(wěn)定、土倉(cāng)加壓試驗(yàn)等方面對(duì)軟硬不均地層盾構(gòu)機(jī)開倉(cāng)換刀狀態(tài)下開挖面穩(wěn)定控制技術(shù)進(jìn)行了研究；王國(guó)富等[3]基于筒倉(cāng)理論，推導(dǎo)了突變地質(zhì)界面下盾構(gòu)隧道開挖面的極限支護(hù)壓力，并分析了開挖面極限支護(hù)壓力隨界面距離的變化規(guī)律；趙峻[4]對(duì)泥水氣壓平衡式盾構(gòu)在含礫中粗砂層和粉細(xì)砂地層中開挖面失穩(wěn)的兩種現(xiàn)象及處理技術(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)大量研究成果的調(diào)研可知，盾構(gòu)隧道開挖面的失穩(wěn)問(wèn)題普遍存在于各種地質(zhì)條件下，對(duì)隧道的施工安全和效率有極大的影響[5-9]。

廈門軌道交通2號(hào)線跨海區(qū)間隧道是我國(guó)首條過(guò)海地鐵盾構(gòu)隧道，線路穿越地層地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，水壓力較高，盾構(gòu)隧道在施工開倉(cāng)換刀階段極易出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)問(wèn)題。因此，本文依托廈門軌道交通2號(hào)線跨海區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究評(píng)價(jià)不同地層中盾構(gòu)開倉(cāng)換刀階段開挖面的穩(wěn)定性，并對(duì)潛在的開挖面穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析，總結(jié)泥水平衡盾構(gòu)開倉(cāng)換刀階段維持開挖面穩(wěn)定性的工程措施。

1 工程概況

廈門軌道交通2號(hào)線一期工程海滄大道站—東渡路站區(qū)間跨海隧道分為盾構(gòu)段、礦山段兩部分，其中盾構(gòu)段全長(zhǎng)約2.3 km，左、右線分別采用1臺(tái)復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)施工。不同于穿越江、河、湖等水底隧道工程相對(duì)均勻的地層地質(zhì)條件，廈門軌道交通2號(hào)線跨海盾構(gòu)隧道主要穿越淤泥、中、粗砂、粉質(zhì)黏土、殘積土、全強(qiáng)風(fēng)化巖層、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化巖層、中等風(fēng)化變質(zhì)巖層、微風(fēng)化變質(zhì)巖層等地層，穿越地層從流塑狀淤泥至堅(jiān)硬微風(fēng)化石英砂巖，巖層多樣，地質(zhì)情況復(fù)雜多變，堪稱“地質(zhì)博物館”。

該區(qū)間內(nèi)大量斷面存在上軟下硬問(wèn)題，部分區(qū)段存在孤石，盾構(gòu)在施工掘進(jìn)中刀盤刀具磨損嚴(yán)重，需要多次進(jìn)行停機(jī)換刀作業(yè)。但由于地質(zhì)條件復(fù)雜、埋深較大、水土壓力高，且施工中無(wú)法準(zhǔn)確規(guī)劃停機(jī)換刀位置，在海底換刀時(shí)容易發(fā)生涌水、涌砂、掌子面塌方等安全問(wèn)題。因此，本文針對(duì)廈門軌道交通2號(hào)線跨海段穿越的地層情況，選取4種具有典型代表性的地層斷面(圖1)，對(duì)在該斷面進(jìn)行開倉(cāng)換刀過(guò)程中開挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。4個(gè)斷面地層情況如圖2所示。

圖1 線路縱斷面示意

圖2 計(jì)算斷面地層地質(zhì)條件示意

2 數(shù)值分析模型

2.1 數(shù)值模型

針對(duì)盾構(gòu)停機(jī)換刀階段開挖面的穩(wěn)定性問(wèn)題，本文利用FLAC3D軟件建立三維有限差分模型進(jìn)行研究。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，本區(qū)段盾構(gòu)隧道襯砌采用標(biāo)準(zhǔn)C50鋼筋混凝土預(yù)制管片，管片內(nèi)徑6.0 m，外徑6.7 m，厚度0.35 m，幅寬1.2 m?？紤]邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型總體尺寸為90 m(X軸)×60 m(Y軸)×(38.35 m+h)(Z軸)，h為隧道斷面埋深。建立的計(jì)算模型(計(jì)算斷面1)如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型示意(計(jì)算斷面1)

模型中假定隧道圍巖、襯砌、注漿圈均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的多孔介質(zhì)，滿足等效連續(xù)介質(zhì)模型；其中巖土體為理想彈塑性模型，遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；管片為C50鋼筋混凝土材料，采用彈性本構(gòu)模型。根據(jù)廈門軌道交通2號(hào)線跨海盾構(gòu)隧道區(qū)間地質(zhì)勘查資料和工程設(shè)計(jì)資料，得到模型中涉及的地層及相關(guān)材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 計(jì)算工況設(shè)定

由于本文關(guān)注盾構(gòu)停機(jī)換刀階段的開挖面的穩(wěn)定性，因此在計(jì)算模型中設(shè)定隧道軸向的中間開挖斷面為目標(biāo)面，主要分析盾構(gòu)停機(jī)換刀階段目標(biāo)面的施工行為。數(shù)值模型的施工開挖循環(huán)模擬過(guò)程如圖4所示，共設(shè)置3個(gè)開挖步；其中第一步在目標(biāo)面前開挖30 m(25環(huán))，第三步在目標(biāo)面后開挖28.8 m(24環(huán))，第二步在目標(biāo)斷面處開挖1.2 m(1環(huán))，每個(gè)開挖步內(nèi)模擬盾構(gòu)開挖、拼裝盾構(gòu)管片、壁后填充層注漿過(guò)程。同時(shí)，以梯形荷載模擬作用在開挖面上的泥水壓力。

在盾構(gòu)停機(jī)換刀階段，開挖面所受到的泥水壓力大小是影響開挖面穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。對(duì)于泥水壓力因素的考慮，本文以如圖4中所示的作用在開挖面上的梯形荷載來(lái)模擬，并定義支護(hù)應(yīng)力比λ(式1)來(lái)對(duì)開挖面泥水壓力進(jìn)行調(diào)整。

(1)

上式中：σs為泥水艙隔板中心點(diǎn)處的泥水壓力值，σ0為原始地層在開挖面中心點(diǎn)的靜止水平土壓力值。針對(duì)不同

表1 計(jì)算斷面1地層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

圖4 盾構(gòu)隧道開挖模擬示意

的地層條件及性質(zhì)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到斷面中心位置處的豎向自重應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力得到σ0值。

計(jì)算時(shí)針對(duì)不同的地層條件分析不同支護(hù)壓力比(系數(shù))下的盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性；根據(jù)施加盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程，各個(gè)斷面計(jì)算中采取的支護(hù)壓力比(系數(shù))分別為0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0.05共計(jì)10個(gè)計(jì)算工況，對(duì)每個(gè)計(jì)算工況下的目標(biāo)面的開挖穩(wěn)定性進(jìn)行研究比較分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

不同計(jì)算斷面中開挖面拱頂下沉量與最大縱向位移隨開挖面支護(hù)壓力比的變化曲線如圖5所示。由圖可知，在不同斷面地質(zhì)條件下，隨著開挖面支護(hù)壓力的減小，開挖面上的豎向位移和縱向(y向)位移逐漸增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)呈現(xiàn)出非線性；這是由于隨著支護(hù)力減小，開挖面出現(xiàn)塑性區(qū)，位移發(fā)展不段增大。從開挖面拱頂位移及最大縱向位移對(duì)比可以看出，開挖面在支護(hù)力減小時(shí)主要以向盾構(gòu)機(jī)方向凸出為主。

圖5 開挖面變形隨支護(hù)壓力變化曲線

同時(shí)由四種地層中開挖面變形對(duì)比結(jié)果可以看出：

(1)在不同斷面地質(zhì)條件下，隨著開挖面支護(hù)壓力的減小，開挖面上的豎向位移和縱向(y向)位移逐漸增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)呈現(xiàn)出非線性。在多個(gè)計(jì)算工況中，開挖面的最大豎向位移發(fā)生在拱頂位置處，開挖面的縱向最大位移發(fā)生在隧道開挖面的中心位置處。

(2)在不同斷面地質(zhì)條件下，隨著開挖面支護(hù)壓力的減小，開挖面的塑性區(qū)逐漸發(fā)展；其中在支護(hù)壓力較大的情況下，開挖面塑性區(qū)分布在隧道洞周，在支護(hù)壓力較小的情況下，開挖面塑性區(qū)范圍較大；針對(duì)不同的地層條件，隧道開挖過(guò)程中，開挖面的塑性區(qū)有一定的差異。

(3)在選取的四個(gè)地質(zhì)斷面條件中，斷面3位置中隧道穿越區(qū)地層多為中砂層，圍巖穩(wěn)定性差，在較小支護(hù)壓力小開挖面的變形較大，穩(wěn)定性極差。

4 結(jié)論

本文針對(duì)廈門軌道交通2號(hào)線跨海段穿越復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件，選取四種典型地層條件，對(duì)開倉(cāng)換刀時(shí)開挖面穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)對(duì)不同開挖面支護(hù)壓力下開挖面位移的分析，可以發(fā)現(xiàn)在中砂層中開挖面面臨失穩(wěn)問(wèn)題，過(guò)小的支護(hù)壓力導(dǎo)致開挖面位移急劇增大，從而導(dǎo)致失穩(wěn)，而在風(fēng)化巖層中開挖面具有一定的自穩(wěn)能力，即使在極小支護(hù)力的情況下，開挖面位移也較小，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題。據(jù)此給出以下建議：

(1) 針對(duì)砂層中進(jìn)行開倉(cāng)換刀時(shí)，首先應(yīng)在開挖面生成良好的泥膜，同時(shí)保證開倉(cāng)時(shí)開挖面受到足夠的氣壓支護(hù)，通過(guò)泥膜傳遞氣壓作用在開挖面上，保證開挖面的穩(wěn)定性。

(2)針對(duì)風(fēng)化巖層中進(jìn)行開倉(cāng)換刀，雖然地層具有良好的自穩(wěn)能力，但考慮到風(fēng)化巖層裂隙發(fā)育，同樣需要在開倉(cāng)前在開挖面形成泥膜，防止地下水透過(guò)開挖面，進(jìn)而引起開挖面的破壞。