李樹光，滕 森，李鎖在，孔德森，孫 博

(1.中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司,北京 102300; 2.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,山東 青島 266590)

近年來(lái)我國(guó)市政工程建設(shè)迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程在不斷加快，城市地下空間的開發(fā)利用成為了解決城市化過(guò)程中的發(fā)展問(wèn)題和提升城市競(jìng)爭(zhēng)力重要途徑，其中地鐵的建設(shè)將極大緩解交通壓力并推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展。城市地鐵的線路規(guī)劃往往取決于交通功能的需要，因此地鐵建設(shè)過(guò)程中將不可避免的穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)體[1]。

萬(wàn)飛等[2]依托關(guān)角隧道F2-1斷層破碎帶，采用監(jiān)控量測(cè)的方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖進(jìn)行分析，提出了一系列施工支護(hù)方案，并取得了良好的效果；尚彥軍等[3]依托昆明上公山引水隧道，針對(duì)破碎帶導(dǎo)致的卡機(jī)問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了圍巖蠕變發(fā)生條件及護(hù)盾變形破壞機(jī)理；鐘威等[4]采用層次分析法建立破碎帶施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，并應(yīng)用于大坪山隧道，取得了良好的效果;陳劍等[5]針對(duì)青島市某地鐵隧道區(qū)間，分析了富水破碎帶突水涌砂的原因，提出以地表注漿為主、洞內(nèi)堵水為輔的綜合治理措施；楊青瑩等[6]以永蓮隧道為工程背景，通過(guò)有限元軟件研究了破碎帶厚度、傾角對(duì)圍巖變形影響；黃鋒等[7]利用離散元軟件分析研究了破碎帶與隧道斷面相對(duì)位置的變化對(duì)隧道開挖力學(xué)響應(yīng)的影響；臺(tái)啟民等[8]通過(guò)有限元數(shù)值軟件模擬，對(duì)破碎帶超前支護(hù)參數(shù)的敏感性和加固有效性進(jìn)行了分析；徐前衛(wèi)等[9]結(jié)合數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的方法，研究了施工過(guò)程中圍巖的漸近性破壞過(guò)程及受力變形特性；張慶松等[10]研制出大型三維地質(zhì)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了斷層破碎帶中圍巖滲流壓力、位移及應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律；王德明等[11]采用模型試驗(yàn)的方法研究了破碎帶開挖擾動(dòng)作用下洞周位移規(guī)律；黃鋒等[12]利用室內(nèi)相似模型試驗(yàn)對(duì)無(wú)支護(hù)條件下軟弱夾層圍巖松動(dòng)區(qū)、破壞區(qū)的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)受到軟弱夾層的影響，圍巖由下盤局部破壞開始擴(kuò)展至上盤形成拱形為止；王飛等[13]采用模型試驗(yàn)的方法研究了不均勻沉降條件下襯砌結(jié)構(gòu)變形特征，提出襯砌軸向變形過(guò)程可分為5個(gè)階段；何川等[14]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)對(duì)跨斷層破碎帶隧道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，分析了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和地層變形規(guī)律。

在破碎帶支護(hù)加固及圍巖變形規(guī)律方面的研究已比較完善和成熟，但基本都集中在山嶺、公路等深埋隧道中。以青島地鐵二號(hào)線西延段工程為特定背景對(duì)城市中TBM穿越淺埋微風(fēng)化硬巖破碎帶建立三維數(shù)值計(jì)算模型，分析注漿加固前后微風(fēng)化硬巖破碎帶對(duì)隧道圍巖變形規(guī)律影響，希望通過(guò)研究為TBM穿越破碎帶施工提供參考。

1 工程概況

青島地鐵二號(hào)線西延段工程連接市南區(qū)與市北區(qū)，線路起于輪渡站，終止于泰山路站，線路全長(zhǎng)3.87 km，均為地下線。其中各區(qū)間均采用TBM法施工，單線掘進(jìn)總長(zhǎng)度2.8 km。輪渡站—小港站區(qū)間線路起始于金茂灣小區(qū)，經(jīng)日喀則路進(jìn)入輪渡，向北沿莘縣路、冠縣路及新冠高架西側(cè)敷設(shè)，區(qū)間線路起訖里程AK21+390～AK23+030，全長(zhǎng)1 640 m，區(qū)間埋深29.5 m～48.4 m，最大坡度28‰，最小曲線半徑400 m，兩臺(tái)TBM分別從輪渡站始發(fā)井左右線始發(fā)，右線晚于左線1個(gè)月且縱向間距大于250 m后開始掘進(jìn)，區(qū)間管片襯砌強(qiáng)度C50，抗?jié)B等級(jí)P10，內(nèi)徑為5 400 mm，管片外徑為6 000 mm，環(huán)寬1 500 mm。

輪渡站—小港站巖土工程勘察報(bào)告表明，區(qū)間場(chǎng)地自上而下分布有厚2.7 m～9.3 m的①素填土、厚1.2 m～5.8 m的②粗礫砂、厚0.6 m～6.2 m的粉質(zhì)黏土，厚2.5 m～15.0 m的強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r，厚0.1 m～17.5 m的中風(fēng)化粗?；◢弾r，厚0.8 m～39.5 m的微風(fēng)化粗?；◢弾r。場(chǎng)區(qū)沿線斷裂帶為滄口斷裂及大沽河-潮連島斷裂的伴生或次生斷裂，在場(chǎng)地區(qū)間范圍內(nèi)，局部地段相鄰鉆孔所揭露的巖體風(fēng)化程度及節(jié)理發(fā)育程度差別較大，判斷為構(gòu)造破碎帶。經(jīng)統(tǒng)計(jì)在區(qū)間內(nèi)共存在5條構(gòu)造破碎帶如圖1所示，TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度1 640 m，破碎帶長(zhǎng)度為455 m，占TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度的27.7%。區(qū)間隧道于AK22+044開始通過(guò)F3破碎帶，走向北東，傾角為70.8°，破碎帶影響帶寬約115 m，破碎帶表現(xiàn)特征為巖體節(jié)理裂隙發(fā)育密集，巖體節(jié)理面充填大量黏土礦物，巖體間黏結(jié)強(qiáng)度低，巖體呈碎塊化碎裂狀結(jié)構(gòu)，作為隧道結(jié)構(gòu)的拱頂及側(cè)墻巖層時(shí)自穩(wěn)性差，易出現(xiàn)坍塌、掉塊風(fēng)險(xiǎn)。

2 數(shù)值計(jì)算過(guò)程

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

以輪渡站—小港站區(qū)間隧道為研究對(duì)象，根據(jù)工程實(shí)際情況利用有限元軟件ABAQUS建立TBM穿越F3破碎帶三維數(shù)值計(jì)算模型，圖2為有限元計(jì)算模型，隧道開挖洞徑尺寸為6.3 m，破碎帶縱向計(jì)算長(zhǎng)度為30 m，左右線兩平行隧洞間距為15 m，上覆巖土層至隧道底板的埋深為40.6 m，各巖土層厚度取均值。為消除邊界效應(yīng)，模型左右邊界及下邊界選取隧道開挖洞徑3倍～5倍寬度，綜合考慮數(shù)值計(jì)算模型的寬度為81 m(X軸方向)，高度為70.6 m(Y軸方向)，沿隧道軸向方向的計(jì)算長(zhǎng)度為75 m(Z軸方向)。

模型上表面為地表自由面，不設(shè)約束，側(cè)表面受水平方向位移約束，下表面約束三個(gè)方向位移。模型網(wǎng)格采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元，共計(jì)劃分220 208個(gè)單元，239 546個(gè)節(jié)點(diǎn)。為深入分析微風(fēng)化硬巖破碎帶注漿加固前后隧道圍巖變形規(guī)律和穩(wěn)定性提升作用，對(duì)TBM穿越未加固破碎帶和地表注漿加固破碎帶兩種施工工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析。

2.2 破碎帶注漿加固方案確定

為保證TBM穿越破碎帶時(shí)的施工安全，達(dá)到提高破碎帶圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性的目的，根據(jù)設(shè)計(jì)，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，對(duì)破碎帶區(qū)域欲開挖隧道及周圍進(jìn)行地表預(yù)注漿加固。注漿范圍為開挖輪廓線外3 m，深度為隧道拱頂以上3 m至隧道拱底，加固方案如圖3所示，地鐵隧道左右線均按此方案進(jìn)行加固。

2.3 TBM施工過(guò)程模擬

數(shù)值計(jì)算模型建立于TBM穿越破碎帶的施工過(guò)程，可以把該過(guò)程近似看作是非連續(xù)過(guò)程進(jìn)行研究，利用ABAQUS中的生死單元功能對(duì)TBM開挖過(guò)程進(jìn)行模擬，每個(gè)開挖步開挖長(zhǎng)度為3 m，TBM盾殼長(zhǎng)度為12 m，隧道左線先行開挖，左線開挖并支護(hù)完成后右線再行開挖；襯砌管片的拼裝通過(guò)激活管片部件來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用等代層模擬TBM盾尾空隙注漿；考慮到開挖卸荷作用，在每一開挖步之前，將開挖區(qū)域單元的模量降低，依次來(lái)模擬巖體應(yīng)力釋放效應(yīng)。

參考實(shí)際工程施工步序，模擬過(guò)程如圖4所示：1)第N步移除隧道前方巖體，激活TBM殼體單元；2)第N-1步、第N-2步和第N-3步考慮TBM機(jī)身長(zhǎng)度因素，仍設(shè)置為TBM殼體單元；3)第N-4步：取消激活TBM殼體單元；4)第N-5步：激活TBM管片單元和等代層單元；5)依次推進(jìn)至隧道開挖完成。

為研究TBM穿越F3斷層破碎帶對(duì)隧道圍巖變形的影響，在隧道的拱頂、左拱肩和右拱肩處布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在隧道軸線上，拱肩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于與隧道軸線夾角45°位置處。隧道監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

2.4 數(shù)值計(jì)算參數(shù)確定

數(shù)值計(jì)算模型中盾殼、襯砌和等代層采用線彈性本構(gòu)模型，巖土層的本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

計(jì)資料，巖土層參數(shù)選取來(lái)自該地鐵區(qū)間的地質(zhì)勘探資料，一些沒(méi)有給出的參數(shù)根據(jù)規(guī)范及參考其他相似隧道工程給出。模型中破碎帶的模擬采用參數(shù)弱化法，即將破碎帶與普通圍巖賦予不同的參數(shù)來(lái)近似模擬破碎帶，這是一種應(yīng)用連續(xù)理論的數(shù)值模擬軟件模擬破碎帶的有效方法。地表注漿加固通過(guò)提高注漿加固區(qū)域圍巖參數(shù)材料參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。模型中各材料參數(shù)取值列于表1。

表1 材料參數(shù)表

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 破碎帶注漿加固前隧道圍巖變形分析

隧道開挖完成后，左右線拱頂及拱肩的累計(jì)沉降如圖6，圖7所示。受破碎帶影響，隧道拱頂及拱肩沉降值在21 m～54 m區(qū)間發(fā)生突變，破碎帶處沉降曲線呈“V”型。左右線拱頂最大沉降值分別為13.4 mm和14.2 mm，可見(jiàn)左右線隧道沉降呈現(xiàn)為非對(duì)稱性，后開挖的右線隧道無(wú)論是拱頂還是拱肩，沉降值大于左線隧道。受破碎帶角度影響，可以發(fā)現(xiàn)，隧道圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大值均不在破碎帶中點(diǎn)處，而是出現(xiàn)在隧道開挖方向Z=27 m處。

隧道圍巖累計(jì)沉降沿開挖方向上存在以下5個(gè)變化階段：1)在0 m～9 m段隧道與破碎帶距離較遠(yuǎn)，隧道拱頂和拱肩的沉降幾乎沒(méi)有變化，破碎帶對(duì)沉降幾乎沒(méi)有影響。2)在9 m～21 m段，隨著隧道與破碎帶距離的減小，拱頂與拱肩的沉降逐漸增大，破碎帶對(duì)沉降的影響也逐漸增大。3)在21 m～54 m段，此時(shí)隧道已經(jīng)揭露或與破碎帶距離十分接近，拱頂及拱肩的累計(jì)沉降值發(fā)生了突變，該部分圍巖沉降值首先突然增大至峰值，而后逐漸減小。4)在54 m～66 m段，隧道穿過(guò)破碎帶且距離與破碎帶逐漸增大，拱頂與拱肩的沉降值逐漸減小。5)過(guò)了66 m后直至75 m段，拱頂與拱肩沉降值趨于穩(wěn)定，不再受破碎帶的影響。這說(shuō)明了當(dāng)TBM施工揭露破碎帶時(shí)，隧道的圍巖沉降具有突變性，此時(shí)若仍維持原有的推力、扭矩、轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)將極易引發(fā)塌方事故而導(dǎo)致隧道掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)，因此在施工過(guò)程中應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前對(duì)破碎帶區(qū)域進(jìn)行預(yù)加固處理，采用低轉(zhuǎn)速、小推力、大扭矩快速通過(guò)。

4級(jí)：有些硬脊膜的破損因破損位置的原因，術(shù)中無(wú)法進(jìn)行缺損縫補(bǔ)，如果出現(xiàn)這種情況，引流管放置時(shí)間需要較長(zhǎng)，一般需要放置3～4周，并可以加以經(jīng)皮蛛網(wǎng)膜下腔引流。隨著時(shí)間的推移以及引流量的減少，逐漸向外拔除引流管，直至引流量少于40 ml/d，拔除術(shù)區(qū)引流管并連同深筋膜嚴(yán)密縫合引流口。

為了進(jìn)一步研究破碎帶圍巖在隧道開挖過(guò)程中變形的規(guī)律，提取開挖方向Z=27 m，Z=36 m，Z=45 m，即破碎帶區(qū)域的前、中、后的3個(gè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析圍巖沉降時(shí)態(tài)曲線特征，破碎帶中不同監(jiān)測(cè)斷面沉降時(shí)態(tài)曲線圖如圖8所示。

由圖8可看出隧道左線的開挖擾動(dòng)使右線產(chǎn)生先行沉降，沉降值為1 mm左右，而右線隧道開挖將會(huì)引起左線隧道圍巖進(jìn)一步變形；相同監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)，右線隧道的圍巖變形大于左線，這是由于先行隧道開挖使圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布，后行隧道施工對(duì)圍巖產(chǎn)生二次擾動(dòng)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響更大，即出現(xiàn)后行隧道開挖變形大于先行隧道；同一監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)左線隧道的左右拱肩在隧道右線開挖至相同位置時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一定的差異沉降。

隨著掌子面向破碎帶推進(jìn)，監(jiān)測(cè)斷面圍巖豎向位移可以劃分為5個(gè)階段：1)掌子面與破碎帶監(jiān)測(cè)斷面的距離大于9 m時(shí)，破碎帶圍巖不受影響，幾乎不產(chǎn)生沉降；2)隧道開挖至距離監(jiān)測(cè)斷面9 m內(nèi)時(shí)，破碎帶圍巖受到開挖擾動(dòng)的影響將會(huì)產(chǎn)生先行位移，其值為2 mm～3 mm；3)隧道開挖揭露至監(jiān)測(cè)斷面，圍巖沉降突增，但是受TBM盾殼支撐的影響，沉降值沒(méi)有立刻達(dá)到峰值；4)TBM盾殼離開后，圍巖將產(chǎn)生二次沉降且沉降值較剛開挖時(shí)更大，并達(dá)到峰值，此時(shí)拱頂圍巖極易產(chǎn)生坍塌；5)隨著掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)，監(jiān)測(cè)斷面襯砌管片拼裝和豆礫石回填注漿完成后，圍巖變形受到限制并趨于穩(wěn)定。

為研究巖土層變形受TBM開挖的影響規(guī)律，繪制不同截面地表至隧道拱頂縱向的沉降曲線，由于曲線規(guī)律相似，僅給出27 m監(jiān)測(cè)斷面處沉降曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，從地表到埋深22 m處，巖土層累計(jì)沉降5 mm，在埋深22 m～34.5 m處，上覆巖土層沉降值增加了9 mm，可見(jiàn)，距離隧道拱頂越近，圍巖變形速率越大。由此可知在破碎帶中距離隧道軸線越近的地層，隧道開挖造成的擾動(dòng)沉降越明顯，隨著距離的增大，這種巖土層的擾動(dòng)沉降逐漸降低。

3.2 破碎帶注漿加固后隧道圍巖變形分析

通過(guò)對(duì)未注漿加固隧道圍巖變形規(guī)律分析可知，破碎帶內(nèi)圍巖穩(wěn)定性差，開挖后豎向沉降較大，極易造成圍巖坍塌。因此，有必要對(duì)地表注漿加固下破碎帶隧道圍巖變形和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。由于曲線規(guī)律類似，故僅給出隧道加固前后左線監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降及監(jiān)測(cè)斷面Z=27 m處的沉降時(shí)態(tài)曲線及上覆地層沉降曲線。

隧道加固前后左線監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線如圖10所示。地表預(yù)注漿加固后，破碎帶區(qū)域圍巖的沉降明顯降低，加固后拱頂最大沉降值由13.37 mm變?yōu)?.02 mm，沉降量降低了47.5%。這表明超前地層加固，可以有效控制破碎帶區(qū)段內(nèi)圍巖變形，提高圍巖穩(wěn)定性，大大降低了拱頂沉降過(guò)大導(dǎo)致坍塌的可能性，確保TBM安全、快速通過(guò)。

圖12為地表預(yù)注漿加固前后隧道拱頂上覆地層沉降曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加固后破碎帶圍巖性質(zhì)改變，承載能力增加，上覆巖土層沉降變形明顯降低。對(duì)于注漿加固的31.5 m～34.5 m范圍內(nèi)的圍巖，其變形速率遠(yuǎn)小于加固之前。因此，地表預(yù)注漿加固不僅可以降低TBM開挖引起的拱頂變形，也減小了開挖對(duì)上覆巖土層的擾動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

依托青島地鐵二號(hào)線西延段地鐵隧道工程，采用有限元數(shù)值模擬方法，研究了“上軟下硬”復(fù)合地層中TBM開挖穿越微風(fēng)化硬巖破碎帶圍巖變形規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

1)微風(fēng)化硬巖中破碎帶的存在將對(duì)TBM開挖后的隧道圍巖變形產(chǎn)生很大影響，隧道的拱頂沉降將在破碎帶范圍內(nèi)產(chǎn)生突變，沉降值遠(yuǎn)大于普通圍巖，沉降曲線呈“V型”，隧道圍巖沉降沿開挖方向上存在5個(gè)變化階段。

2)微風(fēng)化硬巖破碎帶中，隨著掌子面的向前推進(jìn)，隧道圍巖變形逐漸增大最終趨于穩(wěn)定，這一過(guò)程可分為5個(gè)階段。

3)微風(fēng)化硬巖破碎帶中，距離隧道拱頂越近的地層，隧道開挖造成的擾動(dòng)越明顯，沉降越大，隨著距離的增大，這種巖土層的擾動(dòng)逐漸削弱。

4)地表注漿加固后，破碎帶區(qū)域圍巖穩(wěn)定性提高，可有效控制圍巖變形，大大降低了因拱頂沉降過(guò)大導(dǎo)致坍塌的可能性，確保TBM安全、快速通過(guò)。