广州上软下硬复合地层中盾构隧道施工影响分析

周力军,张孟喜,王 维,吕 岩,韩佳尧,张 靖

(1.上海大学土木工程系,上海 200444； 2.中铁二十局集团有限公司,广州 511400)

随着城际铁路与地铁交通的快速发展，盾构法已普遍应用于各类隧道建设中。在有着地质博物馆的珠三角地区，广泛存在着软硬不均的复合地层，对盾构顺利推进造成了一定的阻碍。在不同软硬岩复合高度比地层中盾构施工进度缓慢，盾构参数设置不合理会造成地面沉降过大和隧道管片上浮等情况，从而危及地面构筑物与隧道自身安全[1-5]。

国内外学者对复合地层中盾构法施工进行了一定的研究，文献[6-9]利用现场实测与理论计算的方法，对复合地层中盾构施工对地表沉降的影响进行了一定分析。文献[10-12]对上软下硬复合地层中盾构施工给出了一定的施工建议。文献[13-14]对复合地层中盾构掘进的施工力学特性进行了研究。但是以上研究对象是针对笼统含义上的复合地层，未对复合地层进行细分。依托广州佛莞城际铁路长隆站—番禹大道站区间盾构隧道工程，对复合地层采用不同软硬岩复合高度比的概念进行划分，从现场实测数据与有限元计算结果出发，研究了不同软硬岩复合地层中盾构法施工对地表沉降与隧道上浮的影响规律，结合实际精细化施工需要，给出了一定的施工建议。

1 工程背景

1.1 工程概况

佛莞城际铁路长隆站—番禹大道站区间盾构隧道分为左、右两线，两线间距22～24 m。区间隧道约3970 m长，隧底高程平均按-6 m计。隧道掘进选用2台φ8.8 m土压平衡式盾构机，配以泡沫系统、同步注浆系统，最大掘进速度60 mm/min。隧道采用拼装式混凝土衬砌管片，管片1.6 m/环，厚400 mm，外径8.5 m，内径7.7 m。为减小左右线盾构施工相互影响，采用双线分离式施工，右线先行施工约84环，盾构顶部覆土15～25 m。

1.2 工程地质条件

区间场地类型属典型的三角洲冲积平原地貌，地表主要分布为山地及荒地。沿线地层大致分成填土、可塑粉质黏土、全风化二长花岗岩、强风化二长花岗岩四层。盾构隧道断面需穿越不同软硬岩复合高度比的复合地层(图1)，工程地质条件较差，隧道右线地质剖面如图2所示。

区间场地地表水主要发育于宽缓谷地的低洼地段，零星分布，距离隧道较远，主要分布于地表素填土与可塑粉质黏土中，地表水对工程基本无影响。地下水主要为基岩裂隙水，存在于中、微风化带，且地下水量贫乏，距盾构隧道较远，故可不考虑地下水与土体的耦合作用。

1.3 工程难点

(1)地层多样性：隧道断面地层地质多样，既存在全软岩(全风化花岗岩)地层，又存在全硬岩(强风化花岗岩)地层，还存在不同软硬岩复合比例的上软下硬地层，地层多样性导致掘进参数控制较复杂。

(2)盾构姿态控制：在上软下硬复合地层中盾构机有“欺软怕硬”的特性，即盾构机掘进中会向较软地层一侧出现上偏的特性，导致隧道上浮。所以在不同软硬岩复合比地层中，盾构姿态控制极其重要。

(3)土仓压力及出土量合理控制：在不同软硬岩复合比地层中，土仓压力与出土量的合理调整极其重要。例如在全断面硬岩地层中开挖面自身较稳定(图3)，刀具破岩出渣过程中磨损较严重。如土仓压力设置偏大，会加剧刀具磨损，土仓压力设置较小地表沉降会增大。通过出土量与掘进速度准确校核，能有效预防超挖。

图3 硬岩地层开挖面刀具与破岩出渣

2 ABAQUS三维有限元数值模拟

2.1 地层复合高度比的概念

在上软下硬地层中，刀盘开挖面会遇到不同高度比例的软、硬复合地层(图4)，为了对不同比例软硬复合地层进行分析，从而定义软硬岩复合高度比B与软硬岩复合面积比B′的概念[15]。

图4 佛莞城际铁路盾构区间复合地层示意

地层软硬岩复合高度比B是指隧道断面软弱地层高度h与隧道断面土层总高度H的比值，计算见公式(1)。软硬岩复合面积比B′是指隧道开挖断面软弱地层面积S′与隧道开挖断面面积S的比值(也可由B换算得到)。

(1)

式中，B为地层软硬岩复合高度比；h为软岩高度；H为隧道断面土层总高度。

2.2 选取盾构隧道典型断面

由于隧道右线先行施工，且左右线盾构开挖面相距约134 m，影响较小。本文主要研究不同软硬岩复合高度比地层中盾构掘进对隧道上浮及地表沉降的规律，为提高分析效率，所以可仅考虑右线隧道施工。

在盾构穿越不同地层情况中，选取5个埋深约20 m的典型断面，其分别位于右线1 272环、1 322环、1 346环、1 371环和1 395环。其中1 272环位于全断面风化岩地层中(软岩)，1 322环、1 346环、1 371环位于不同软硬岩复合高度比的复合地层中，1 395环位于全断面硬岩地层中。相应断面对应的B值分别为1、0.75、0.5、0.25、0(换算成软硬岩复合面积比B′的值相应为1、0.805、0.5、0.195、0)，如图2、图4所示。

2.3 有限元三维模型的建立与参数选取

依据选取的5个典型断面，结合工程地质勘查资料，采用ABAQUS有限元计算软件，分别构建5种不同复合比地层下三维有限元模型，进行模拟计算。模型几何尺寸为85 m(x)×60 m(y)×96 m(z)，新建隧道长96 m，直径8.5 m，环宽1.6 m，环厚400 mm。模型边界条件：所有侧面限制其法向位移，底面设置为全约束，上表面为地表，以保证模型竖向变形不受边界条件影响，建立的模型如图5所示。

图5 三维有限元计算模型(单位：m)

岩土体与混凝土衬砌管片采用实体单元C3D8R，模型共计21 000个单元。岩土本构模型采用Mohr-Coulomb模型，物理力学参数见表1。岩土体与衬砌管片之间的接触面采用绑定接触，衬砌管片(C50混凝土)根据规范弹性模量取为30 GPa，泊松比取为0.2。利用等代层[16]模拟盾构注浆过程，考虑盾尾空隙与土层性质，取等代层厚度为0.1 m。

表1 岩土物理力学参数

2.4 盾构施工模拟

盾构施工模拟：①第1步“杀死”隧道前方岩土，施加土仓压力稳定开挖面，模拟盾构开挖过程；②第2步考虑盾构机身因素，等代层材料设置为盾壳参数。③第3步激活衬砌单元，模拟盾尾管片拼装过程；④第4步激活弹性模量为0.58 MPa的浆液等代层单元，并在洞身单元面上均布径向注浆压力，模拟盾尾注浆；⑤第5步浆液初步硬化，弹性模量增至6.8 MPa；⑥第6步中浆液充分硬化，浆液弹性模量增至23 MPa，模拟盾尾脱离过程；⑦依次推进重复开挖下一环。其简化流程如图6所示。

图6 盾构施工模拟简化流程

3 数值模拟结果与监测数据分析

3.1 地表沉降规律

隧道1 272环、1 322环、1 346环、1 371环及1 395环处分别是隧道断面软弱地层高度占隧道断面总高度的比值为1、0.75、0.5、0.25、0时的5个典型断面。

由图7(a)可知，1 277环处B=1(全断面软岩地层)时，地表沉降槽口最大，影响范围约3.5D(D为隧道直径)。地表最大沉降值为13.5 mm，其值在5个典型断面中最大。

在上软下硬复合地层中，当B分别为0.75、0.5、0.25时，由图7(a)可知，随着地层软硬岩复合高度比B值的减小，地表沉降槽宽度也随之变小，地表影响范围在3D～3.5D。地表沉降最大值分别为11.8、9.7、9.3 mm，可以看出当地层软硬岩复合高度比B值减小时，地表沉降值将随之减小。

B=0(全断面硬岩地层)时，1 395环处地表沉降槽口宽度最小，地表沉降槽宽度影响范围约为3D。地表沉降最大值为8.2 mm，其值在5种不同软硬岩复合高度比地层中最小。

取1 272环、1 322环、1 346环、1 395环4个典型实测断面(对应的软硬岩复合高度比B值分别为1、0.75、0.5、0)，将地表沉降实测值与数值模拟值进行对比验证。如图7(b)～图7(e)所示，4个典型断面工程实测值与模拟值吻合程度较高，且符合随着软硬岩复合高度比B值的增大，地表最大沉降值随之增大的规律，验证了该有限元模型数值计算的正确性与适用性。

图7 地表沉降曲线分析与工程实测结果验证

3.2 隧道上浮变形规律

图8表示的是盾构掘进至96 m时，新建隧道隧底上浮曲线。可以看出，在0～70 m区间内，由于注浆及浆液硬化作用已完成，隧道上浮量已趋于稳定，基本呈直线状。而70～96 m区间内，因为浆液硬化作用具有一定的时效性，所以隧道上浮仍未稳定，呈曲线状。

图8 不同软硬岩复合高度比地层中隧底上浮曲线

当B=1(全断面软岩地层)时，隧道上浮变形值较大，稳定后为9.5 mm。主要是因为，软岩地层中隧道围岩强度底，为了保证围岩稳定，必须控制好注浆压力与注浆量，软岩地层相对注浆量较大，硬化作用时间长，盾尾空隙依靠同步浆液填充达不到立刻稳定隧道的要求，所以其隧道上浮量相应比较大。

在上软下硬复合地层中，当B分别为0.75、0.5、0.25时，隧道上浮变形值分别为7.6、6.3、3.9 mm，介于B=0与B=1之间。由图8可知，当软硬岩复合高度比B值减小时，隧道上浮量也随之减小。

当B=0(全断面硬岩地层)时，隧道上浮变形较小，稳定后仅为2 mm。主要是因为，硬岩地层隧道围岩强度高，注浆量相对减少，浆液硬化作用时间减少，隧道上浮量相应会偏小。

由于隧道整体呈上浮趋势，施工中根据不同软硬岩复合比地层中隧道上浮趋势的不同，对盾构姿态进行相应调整。将盾构高程姿态控制在设计轴线以下2～9 mm进行了相应的调低，避免隧道稳定后上浮量过大。长隆站—番禹大道站区间隧道工程中施工，采取措施后隧道上浮量均保持在5 mm内。

4 复合地层中盾构施工措施

针对佛莞城际铁路长隆站—番禹大道站区间盾构隧道工程难点，根据前文的分析，提出了相应的施工技术措施，主要包括以下4方面内容。

4.1 软岩地层施工措施

由3.1节与3.2节分析可知，在全断面软岩地层中(B=1时)，隧道上浮量与地表沉降曲线数值均较大，所以施工中主要控制重点是采取措施控制隧道上浮与地表沉降。

(1)启动保压模式掘进，确保盾构开挖稳定，并减小地面沉降量。

(2)结合数值计算及现场监测情况，将盾构高程姿态控制在设计轴线以下约9 mm，控制隧道上浮。

(3)合理控制注浆压力，确保同步注浆质量，并及时采取二次补充注浆，确保盾尾空隙填充丰满，减小地表沉降值及隧道上浮值。

4.2 硬岩地层施工措施

由3.1分析可知，在全断面硬岩地层中(B=0时)，因为盾构施工中开挖面较稳定，且隧道上浮量与地表沉降均较小，所以工程中主要控制重点是采取如下措施保护刀具，减小磨损量，延长刀具使用寿命。

(1)对刀具形式进行优化设计。

(2)采用欠压模式掘进，可以减小刀盘扭矩、提高掘进速度，减小刀具磨损量，从而保护刀具。

(3)采用泡沫剂进行渣土改良，提高土粒压缩性能，提高掘进速度，以达到减小刀具磨损量的目的。

4.3 不同软硬岩复合比地层施工措施

(1)根据盾构隧道在不同复合地层中相应上浮趋势特征，将盾构高程姿态控制在设计轴线以下3～6 mm，并结合现场实测对盾构姿态实时调整，确保隧道上浮值在控制要求内。

(2)采用保压模式掘进，保证开挖面稳定。根据实测结果实时调整土压力，确保上部软岩地层的稳定与盾构施工安全。

(3)向土舱内注入泡沫剂或膨润土改良渣土，增加土体流动性，防止出现“泥饼”现象。

4.4 工程实际效果

实际工程中针对不同地层采取不同施工措施后，盾构每次换刀掘进距离可达130环以上，每月掘进约200 m。最终隧道上浮量控制在5 mm以内，地面沉降值普遍小于10 mm，软岩地层中沉降最大值也保证在15 mm内。

5 结论

针对佛莞城际铁路长隆站—番禹大道站区间盾构隧道工程难点，结合有限元计算及工程实测结果进行分析，得出如下结论。

(1)在上软下硬复合地层中，盾构施工对地表沉降影响具有较大的差异，B值越大，地表沉降值也越大。B=1与B=0时相比，地表沉降最大差值为5.3 mm。

(2)在上软下硬复合地层中，盾构施工对隧道上浮量也具有明显差异，B值越大，隧道上浮值也越大。复合比B=1与B=0时相比，隧道上浮值相差7.5 mm。依据不同软硬岩复合高度比地层中隧道上浮趋势的差异，工程中对盾构姿态进行相应的调低，有效地控制了隧道上浮量。

(3)根据不同B值地层中盾构施工影响分析，给出了相应的施工措施。B=0(全断面硬岩地层)时，以控制刀盘磨损为主，采用欠压模式等施工方式。B=1(全断面软岩地层)时，以控制隧道上浮、地表沉降及开挖面稳定为主，采用了保压推进、合理注浆、调整盾构姿态等施工措施。