鄭 雯，邱 瓊，段 燦，薛子斌，李 冉，于廣明

（1. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033；2. 山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東青島 266033；3. 中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401320）

縱觀各隧道工程建設(shè)，多以盾構(gòu)法、全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）掘進(jìn)法、鉆爆法為主。城市軌道交通的線路選擇往往受制于城市規(guī)劃、地層條件以及建（構(gòu)）筑物等周邊環(huán)境的影響，其線路設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)大縱坡線路。本文結(jié)合重慶市軌道交通9號(hào)線劉家臺(tái)—鯉魚池區(qū)間雙線隧道工程施工，基于理論分析以及數(shù)值模擬針對(duì)不同坡度工況下所對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，著重討論大縱坡條件下TBM施工對(duì)隧道圍巖應(yīng)力、圍巖變形以及地表沉降的影響，可為大縱坡TBM施工安全維護(hù)提供研究依據(jù)。

1 大縱坡TBM掘進(jìn)隧道工程概況

重慶市軌道交通9號(hào)線1期工程劉家臺(tái)—鯉魚池區(qū)間，隧道總長(zhǎng)為919.509 m，其中CK14+986.420～CK15+261.113為渡線隧道，采用鉆爆法施工，其他路段為TBM施工。TBM施工區(qū)間為雙線雙洞，采用復(fù)合式TBM施工，隧道橫斷面為單心圓斷面，選用鋼筋混凝土管片襯砌，混凝土等級(jí)為C50，每環(huán)管片外徑為6.6 m，內(nèi)徑為5.9 m，厚度為0.35 m，長(zhǎng)度為1.5 m，軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高為193.594 ～214.86 m，設(shè)計(jì)縱坡坡度為20‰～46‰。因劉家臺(tái)車站受交通疏解及用地協(xié)調(diào)影響，無(wú)法滿足始發(fā)條件，需在區(qū)間中間設(shè)置TBM始發(fā)井，始發(fā)井至劉家臺(tái)車站左右線調(diào)整為鉆爆區(qū)間，左線約為511 m、右線為200 m，由TBM掘進(jìn)法調(diào)整為鉆爆法，故選取TBM施工段左線為ZK14+722.22～ZK14+321.047區(qū)間，長(zhǎng)度為401.174 m，右線為YK14+722.22～YK14+321.047區(qū)間，長(zhǎng)度為388.656 m。隧道結(jié)構(gòu)基本位于中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖處，拱部地層主要為素填土、砂巖、砂質(zhì)泥巖。本文選取的地質(zhì)剖面圖和隧道橫斷面如圖1所示，隧道圍巖情況如表1所示。

表1 隧道圍巖情況

圖1 地質(zhì)剖面圖和隧道橫斷面

2 TBM 迎坡掘進(jìn)對(duì)圍巖及地表的力學(xué)影響分析

TBM在平坡掘進(jìn)過程中，刀盤首先進(jìn)入巖體內(nèi)將其粉碎。在刀盤進(jìn)入巖土體過程中會(huì)形成應(yīng)力場(chǎng)，出現(xiàn)壓碎區(qū)，巖土體則受到擠壓、摩擦和剪切等不同程度的多種擾動(dòng)，打破了地層自身的平衡穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)?shù)貙釉俅位謴?fù)到平衡狀態(tài)時(shí)巖土體發(fā)生變形。而TBM在進(jìn)行迎坡掘進(jìn)時(shí)，巖土體會(huì)受到同平坡掘進(jìn)時(shí)相同的擾動(dòng)，但由于坡度的影響，巖土體與平坡掘進(jìn)時(shí)受到的擾動(dòng)程度不同，本文將從隧道圍巖應(yīng)力、圍巖變形以及地表沉降3方面進(jìn)行分析。

2.1 圍巖應(yīng)力特征分析

TBM在迎坡掘進(jìn)過程中，隨著坡度的增大，無(wú)論是其前部護(hù)盾還是后部已安裝完畢的管片都會(huì)與圍巖產(chǎn)生摩擦力，即圖2中與其接觸的圍巖塊體所受到的力F2；在摩擦剪切的作用下，隧道周圍圍巖會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)區(qū)，從而出現(xiàn)易發(fā)生破壞的剪切滑動(dòng)面。如圖2所示的圍巖塊體受到摩擦力F2以及自身重力F1的作用，由于護(hù)盾上方存在超挖區(qū)，且隧道開挖對(duì)土體有卸荷作用，故不考慮掘進(jìn)機(jī)對(duì)圍巖的支撐力，則2個(gè)力共同作用下合力F合的方向如圖中所示，使圍巖產(chǎn)生與合力方向相同的剪切滑動(dòng)面。當(dāng)迎坡掘進(jìn)坡度增大時(shí)，摩擦力F2則相應(yīng)增大，合力值也隨之增大，故圍巖產(chǎn)生更嚴(yán)重的剪切變形，從而出現(xiàn)圍巖應(yīng)力的重新分布。

圖2 TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)圍巖受力分析

2.2 圍巖變形分析

將迎坡開挖下與平坡開挖下巖土體的受力模型（圖3）進(jìn)行對(duì)比可知：ABCO、A'B'C'O'為隧道開挖面，MNKL、M'N'P'L' 為地表，GHIJ、H'I'J'K' 為地下水位面，OCEFMNKL、O'C'G'F' -M'N'P'L' 為下滑巖土體所帶動(dòng)的上部巖土體；迎坡掘進(jìn)時(shí)隧道開挖面失穩(wěn)下滑巖土體為楔形體ABCOEF，而平坡掘進(jìn)時(shí)隧道開挖面失穩(wěn)巖土體為較為穩(wěn)定的矩形體A'B'O'C'D'E'F'G' 。對(duì)楔形體和矩形體進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖3 TBM掘進(jìn)的受力模型

圖4 TBM掘進(jìn)時(shí)下滑體受力分析

楔形體水平受力：

楔形體豎向受力：

式（1）～式（2）中，P為TBM掘進(jìn)力；N為下方巖土體的支持力；θ為坡度角；ω為巖土體破裂角，與坡度角有關(guān)；V為上方巖土體對(duì)滑動(dòng)塊的壓力；G為楔形體自身重力；T1為滑動(dòng)面ABEF的剪力；T2為滑動(dòng)面BOF和ACE上的剪力。

矩形體水平受力：

矩形體豎向受力：

式（3）～（4）中，P' 為TBM掘進(jìn)力；V' 為上方巖土體對(duì)滑動(dòng)塊的壓力；G' 為矩形體自身重力；N' 為下方巖土體的支持力；T1' 為滑動(dòng)面A'B'D'E' 和O'C'G'F' 上的剪力；T2' 為滑動(dòng)面B'O'F'E' 和A'C'G'D' 上的剪力。

TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)由于坡度的影響，當(dāng)掘進(jìn)力P一定時(shí)，斜向掘進(jìn)力可按水平、豎直方向分解為2個(gè)分力P1、P2，而平坡開挖時(shí)，沒有坡度的影響，開挖面處只受到水平方向的掘進(jìn)力P' 。因此迎坡掘進(jìn)時(shí)，在豎向分力P2作用下楔形體豎向的受力增大；又由于TBM存在向下滑動(dòng)離開開挖面的趨勢(shì)，楔形體有傾向開挖面的趨勢(shì)，則滑動(dòng)面的剪力T1、T2也會(huì)增加。聯(lián)合式（1）與式（2）可知，在TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)，坡度增大會(huì)造成楔形體受到水平、豎直方向的力增大，通過力的傳遞作用，下滑楔形體所帶動(dòng)的上部巖土體受到水平、豎直方向的力也同時(shí)增大，故而會(huì)破壞原有地層的平衡狀態(tài)，使圍巖產(chǎn)生水平和豎向的位移。

2.3 地表沉降分析

地表沉降是由于隧道掘進(jìn)時(shí)圍巖發(fā)生變形，變形向上傳遞至地表形成的。當(dāng)TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)，綜合上述對(duì)圍巖的穩(wěn)定性分析可知：①由于坡度的增大，TBM存在向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致隧道周圍圍巖產(chǎn)生位移；②由于掘進(jìn)力豎向分力的增加，會(huì)對(duì)上覆巖土體有向上推動(dòng)的作用。綜合上述2種分析可知：由于坡度不同導(dǎo)致的圍巖變形不同，故地表沉降的大小也將受到隧道掘進(jìn)坡度的影響。

3 三維模型的建立

3.1 模型尺寸及基本假定

本文采用Midas GTS NX有限元軟件模擬TBM迎坡掘進(jìn)對(duì)圍巖及地表的影響，根據(jù)圖1中的地質(zhì)剖面圖構(gòu)建模型，選取圖1中3-3～4-4區(qū)間內(nèi)30 m長(zhǎng)隧道，由于所選取的隧道大部分位于中風(fēng)化砂巖內(nèi)，巖土層只選取素填土層以及中風(fēng)化砂巖層，故將模型的尺寸選為X×Y×Z= 90 m×30 m×60 m。

為方便三維模型的建立，設(shè)3種基本假定：

（1）將地層視為半無(wú)限空間體；

（2）不考慮施工過程中的特殊土體，認(rèn)為巖土體均勻分布；

（3）只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮地下水的滲流作用。

3.2 具體模型構(gòu)建

（1）定義模型屬性，將巖土層定義為三維實(shí)體單元，其材料屬性定義為各向同性的莫爾庫(kù)倫；管片定義為二維板單元，其材料屬性定義為各向同性中的線彈性材料。

（2）將坐標(biāo)系Y軸正方向視為隧道迎坡掘進(jìn)方向，隧道迎坡掘進(jìn)坡度初次設(shè)定為10‰，隧道拱頂埋深設(shè)為26～27 m，隧道斷面設(shè)為內(nèi)徑5.9 m的圓形斷面，迎坡隧道空間位置如圖5a所示。

（3）根據(jù)管片寬度，選取隧道掘進(jìn)進(jìn)尺為1.5 m。

（4）對(duì)第一層素填土、第二層中風(fēng)化砂巖及隧道內(nèi)開挖土進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)2D管片進(jìn)行析取單元，模型的網(wǎng)格劃分如圖5b所示，隧道的迎坡方向如圖5c所示。

圖5 迎坡隧道三維模擬

（5）設(shè)置施工階段，一次開挖2環(huán)，首先進(jìn)行左線隧道的開挖，鈍化左線隧道內(nèi)開挖土體，同時(shí)激活管片；重復(fù)上述步驟，進(jìn)行右線隧道的開挖，最后進(jìn)行計(jì)算分析。

3.3 模型計(jì)算參數(shù)的選取

TBM迎坡掘進(jìn)隧道所在的地層基本為中風(fēng)化砂巖以及砂質(zhì)泥巖，上層土層為素填土。巖土層及管片的主要物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖土層及管片的主要物理力學(xué)參數(shù)

3.4 邊界條件及工況界定

由于隧道在開挖過程中其上方巖土體相對(duì)于下方巖土體有向下的運(yùn)動(dòng)，下方巖土體較為穩(wěn)定，故需要在模型的左右表面（方向同X軸正向）和前后表面（方向同Y軸正向）加約束，以及模型頂部即地表面設(shè)為自由面不限制其位移。考慮到巖土體自重應(yīng)力的作用，重力荷載系數(shù)取9.807 m/s2。

由于9號(hào)線1期工程劉家臺(tái)—鯉魚池區(qū)間隧道縱坡坡度為20‰～46‰，為全面分析坡度對(duì)TBM隧道圍巖及地表的影響，本文選取隧道縱坡坡度分別為10‰、30‰和50‰建立模型，并對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析。

4 三維模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.1 圍巖應(yīng)力分析

TBM迎坡掘進(jìn)會(huì)對(duì)隧道圍巖造成擾動(dòng)，導(dǎo)致隧道周圍不同位置及不同埋深處的圍巖應(yīng)力不盡相同。選取左右線隧道全部開挖完成后，隧道Y= 30 m的截面位置處的圍巖應(yīng)力云圖，如圖6所示，并將隧道截面處關(guān)鍵位置點(diǎn)的圍巖應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如表3、表4所示。

由圖6及表3、表4可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

表3 左側(cè)隧道（先開挖）圍巖各關(guān)鍵位置點(diǎn)圍巖應(yīng)力值 kN/m2

表4 右側(cè)隧道（后開挖）圍巖各關(guān)鍵位置點(diǎn)圍巖應(yīng)力值 kN/m2

圖6 圍巖應(yīng)力云圖（單位：kN/m2）

（1）3種不同坡度下，TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)圍巖應(yīng)力云圖大致相同，隧道附近的圍巖應(yīng)力受坡度影響其變化趨勢(shì)不盡相同，各地層應(yīng)力近似呈層狀分布，且埋深越大應(yīng)力越大。

（2）雙線隧道施工過程中，隧道圍巖的應(yīng)力沿兩隧道距離的中線呈對(duì)稱分布，由于隧道的開挖對(duì)上部土體有卸荷作用，故圍巖應(yīng)力在雙線隧道的拱頂處均發(fā)生急劇變化，且拱頂位置處圍巖所受應(yīng)力較同一埋深處圍巖的應(yīng)力小。

（3）兩隧道中間位置處圍巖的應(yīng)力較兩側(cè)圍巖的大，且隧道坡度對(duì)拱頂位置處圍巖的應(yīng)力影響也大。隨著坡度的增大，拱頂位置處圍巖的應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)，拱底位置處圍巖的應(yīng)力呈遞增趨勢(shì)。

4.2 圍巖變形分析

4.2.1 隧道坡度對(duì)圍巖豎向變形影響

根據(jù)前文分析可知，圍巖應(yīng)力變化較明顯的位置為隧道的拱腰、拱頂以及拱底，而圍巖應(yīng)力會(huì)引起圍巖變形，因此選取左右線隧道全部開挖后，隧道Y= 30 m的截面位置處圍巖豎向（即Z向）變形云圖（圍巖主要產(chǎn)生豎向位移），如圖7所示。由于云圖中豎向位移在隧道拱頂、拱底變化明顯，故將兩隧道截面處拱頂、拱底圍巖豎向位移值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如表5所示。

由圖7及表5可知：

圖7 圍巖豎向位移云圖（單位：mm）

表5 兩隧道圍巖各關(guān)鍵位置點(diǎn)圍巖豎向位移 mm

（1）3種不同坡度下，TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)，兩隧道截面位置處圍巖的豎向變形主要表現(xiàn)為拱頂處圍巖出現(xiàn)下沉，拱底出現(xiàn)隆起，豎向位移云圖出現(xiàn)“雙峰”，隧道拱頂處為豎向位移值的峰值；

（2）隧道圍巖在3種坡度下的豎向位移沿兩隧道距離的中線呈對(duì)稱分布，且由于隧道上部巖土體開挖卸荷作用明顯，拱頂處的圍巖應(yīng)力發(fā)生急劇變化，故兩隧道拱頂位置處的圍巖豎向位移值較同一埋深處的豎向位移值大；

（3）兩隧道拱底由于圍巖應(yīng)力的重新分布，拱底豎向位移值同樣較同一埋深處的豎向位移值大；

（4）TBM迎坡掘進(jìn)的坡度越大，隧道拱頂圍巖的豎向位移值越小。

根據(jù)定性分析的規(guī)律可知，隧道坡度的增大使TBM掘進(jìn)力的豎向分力增大，故巖土體受到較大的豎向分力作用，對(duì)巖土體起到了隆起作用，從而降低了圍巖的豎向位移值，且拱頂位置處最為明顯。該計(jì)算結(jié)果得出的規(guī)律與圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律一致，圍巖應(yīng)力及圍巖豎向變形均在拱頂與拱底處出現(xiàn)變化，也驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

4.2.2 隧道坡度對(duì)圍巖橫向位移的影響

選取左右線隧道全部開挖后，隧道Y= 30 m的截面位置處圍巖橫向（即X向）變形云圖（圍巖主要產(chǎn)生橫向位移），如圖8所示。由于云圖中橫向位移在隧道拱腰變化明顯，故將兩隧道截面處拱腰圍巖橫向位移值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表6所示。

由圖8及表6可知：

表6 兩隧道圍巖各關(guān)鍵位置點(diǎn)圍巖橫向位移 mm

圖8 圍巖橫向位移云圖（單位：mm）

（1）3種不同坡度下，TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)兩隧道截面位置處圍巖的橫向位移最大值出現(xiàn)在拱腰處，左側(cè)隧道左拱腰圍巖沿X軸負(fù)向收斂變形明顯，右側(cè)隧道右拱腰圍巖沿X軸正向收斂變形明顯；

（2）隧道圍巖在3種坡度中的橫向位移沿兩隧道距離的中軸線呈中心對(duì)稱分布，兩隧道距離中心點(diǎn)處的橫向位移基本為零；

（3）由于TBM掘進(jìn)坡度的不同，隧道拱腰圍巖位置處的橫向位移值不同。

從對(duì)圍巖應(yīng)力的分析可知，迎坡隧道開挖時(shí)，圍巖應(yīng)力由于轉(zhuǎn)移集中在拱腰位置處，且圍巖橫向位移變化規(guī)律與圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律基本一致，同樣也驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

綜合分析圍巖豎向及橫向變形可知，圍巖豎向和橫向位移的最大值分別為5.14 mm、3.359 mm，故隧道坡度的大小對(duì)圍巖的橫向及豎向變形都存在一定的影響，且變形主要集中在隧道拱頂、拱底共2處關(guān)鍵位置點(diǎn)，并與圍巖應(yīng)力變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)。

4.3 TBM 迎坡掘進(jìn)引起的地表變形分析

TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)會(huì)對(duì)地表造成擾動(dòng)，地表豎向位移是隧道穩(wěn)定性分析的一項(xiàng)重要指標(biāo)，若沉降（即豎向位移負(fù)值）過大會(huì)對(duì)隧道上部建筑物造成損壞，因此在上述3種不同縱坡坡度下選取左右線隧道全部開挖后，隧道Y= 30 m的截面位置處地表豎向位移云圖，如圖 9所示。根據(jù)云圖將地表豎向位移值利用Origin軟件繪成折線圖如圖10所示，并進(jìn)行深入分析。

由圖9和圖10可知：

圖9 地表豎向位移云圖（單位：mm）

圖10 不同坡度下地表豎向位移折線圖

（1）3種不同坡度下，TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)地表出現(xiàn)明顯的沉降槽，沉降槽形式為“單峰”形式，且沉降曲線形狀近似高斯曲線；

（2）地表沉降曲線呈軸對(duì)稱分布，在兩隧道距離中軸線處地表沉降值達(dá)到最大值，遠(yuǎn)離兩隧道距離中軸線的位置處沉降值逐漸減??；

（3）TBM掘進(jìn)坡度越大，地表沉降值越小，尤其是地表沉降峰值變化最為明顯；

（4）根據(jù)地表沉降折線圖分析，坡度對(duì)地表沉降表現(xiàn)為坡度每增加20‰，地表沉降最大遞減量為0.05 mm。

根據(jù)上述分析可知，TBM掘進(jìn)時(shí)坡度的大小會(huì)對(duì)地表沉降存在一定的影響，且坡度越大，地表沉降值越小。另外，由定性分析可知，坡度的增大會(huì)使TBM掘進(jìn)力的豎向分力增大，對(duì)隧道上部巖土體有頂起作用，又因巖土體均勻分布，豎向分力繼而傳至地表，故坡度對(duì)地表沉降的影響規(guī)律與對(duì)圍巖豎向變形的影響規(guī)律一致。

5 結(jié)論

本文依托重慶市軌道交通9號(hào)線1期工程劉家臺(tái)—鯉魚池區(qū)間的工程背景，采用Midas GTS NX以及Origin軟件對(duì)不同隧道坡度引起的隧道周圍地層穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)于TBM迎坡掘進(jìn)的隧道而言，圍巖應(yīng)力最大值主要集中出現(xiàn)在兩隧道拱腰位置處，且兩隧道中間巖柱處圍巖應(yīng)力較隧道兩側(cè)的大；另外，由于隧道對(duì)上部巖土體的開挖卸荷作用，隧道拱頂位置處也出現(xiàn)圍巖應(yīng)力的急劇變化。上述規(guī)律即為形成迎坡隧道地表沉降曲線的力學(xué)機(jī)理。

（2）根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果可得，TBM迎坡掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的圍巖豎向位移及地表豎向位移均呈現(xiàn)隨著坡度的增大而減小的趨勢(shì)，且兩者均沿兩隧道距離中線呈軸對(duì)稱；而圍巖的橫向位移沿兩隧道距離中線呈中心對(duì)稱，且坡度對(duì)圍巖的橫向變形影響較小。

（3）由于迎坡隧道與平坡隧道開挖對(duì)地表豎向位移的影響不同，則隧道上方同一位置處建筑物也會(huì)出現(xiàn)不同的響應(yīng)，因此在應(yīng)對(duì)地表豎向位移對(duì)建筑物的損壞時(shí)采用的措施也存在差異性；另外，一定坡度的迎坡隧道開挖會(huì)使地表沉降值減小，但若迎坡坡度過大再加之隧道埋深較淺，導(dǎo)致地表隆起，同樣會(huì)造成周圍建筑物的損壞，故迎坡隧道的開挖要適當(dāng)控制坡度。