大埋深岩层双模盾构施工力学响应分析

王永文

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 北京 101300)

1 引言

在我国大规模地下工程建设过程中，盾构工法凭借其施工安全、掘进速度快、复杂地层适应性强、对周围环境影响小等优点，成为了城市地铁和大型水下铁路、公路隧道的主要施工方法[1-2]。

盾构隧道不可避免会对围岩产生扰动，而管片衬砌作为盾构隧道的主要承载体会承担一定的围岩压力。针对盾构隧道施工中的力学影响，一系列学者和工程人员开展了相关的研究。针对双线盾构隧道与联络通道之间的复杂空间结构问题，吴文涛、刘军、王士民等对不同施工工况下的盾构隧道联络通道施工中管片的力学行为进行了相关研究[3-5]；张恒等通过现场测试的手段分析了盾构近接桩基施工时的管片衬砌力学特性[6]；黄珂利用数值模拟方法分析了某地铁盾构隧道穿越岩溶填充区的受力情况[7]；焦齐柱等采用有限元分析方法，分析了盾构隧道管片结构在常见的K块挤入、壁后注浆缺陷、环面不平整、盾构纠偏或曲线推进等不利工况下的受力特征[8]；郭俊研究了泥炭质土地层条件下盾构隧道管片衬砌的内力分布规律，分析了在泥炭质土不同扰动程度下的隧道管片衬砌结构力学行为[9]；吴应明等通过建立考虑管片环间接头非线性特征的三维计算模型分析了盾构隧道近接下穿施工对既有隧道的影响，并基于弹性铰接圆环模型和隧道结构力学理论计算方法对数值模拟结果进行比较[10]；李宇杰等建立了盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型，分析了盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况[11]。

而随着地下空间工程的发展，盾构法在深部岩体隧道施工中的应用逐渐增多，大埋深条件伴随高地应力场空间，在此作用下的盾构隧道施工阶段力学行为值得进一步探讨。因此，本文以广佛环线东环隧道为研究对象，建立盾构施工精细化分析模型，对大埋深条件下双模盾构施工围岩扰动特征和管片衬砌力学行为进行分析。

2 工程概况

广佛环线广州南站至白云机场段是珠三角城际轨道交通的重要组成部分，线路起于广州南站，接入穗莞深城际铁路竹料站，全长约46.7 km。东环隧道是该线路的重要工程，其中大源站-太和站区间隧道工程位于广州市白云区太和镇，为双线铁路隧道。隧道主要采用盾构法施工，建筑长度6 804 m，区间盾构隧道总长5 987 m。盾构隧道主体结构采用单层装配式通用管片环，管片衬砌横断面设计如图1所示。其中管片衬砌外直径8.8 m，厚度0.4 m，幅宽1.6 m，采用“6＋1”分块模式，管片混凝土强度等级为C50。

东环隧道大源站-太和站区间工程隧址区多为丘陵与丘间谷地，属丘陵地貌，地势起伏较大，地面高程21～135 m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超过130 m。且隧道长距离下穿不同风化程度的片麻岩、炭质板岩、粉砂岩，围岩风化程度高、强度差异较大、渗透性差异显著，工程中采用单护盾TBM＋土压双模混合盾构掘进施工。东环隧道是目前国内首次采用单护盾TBM＋土压平衡双模大直径盾构长距离穿越大埋深岩层的隧道工程，设计与施工难度极大。其隧道地质纵断面如图2(左线)。

图1 管片衬砌横断面

图2 隧道地质纵断面

3 数值分析模型

结合该工程实际情况，采用FLAC3D数值模拟分析大埋深双模式盾构隧道施工力学特征。

3.1 数值模型

针对东环隧道的工程地质特点，本文选取了大埋深隧道全断面穿越炭质板岩地层的工况进行分析。采用的岩体物理力学参数如表1所示。

表1 岩体物理力学参数

图3 三维模型

图3为本文建立的计算模型。其中考虑到力学边界条件，计算模型在隧道左右取约5倍洞径长度，隧道上下侧皆取约5倍半径，基本可消除模型边界效应对研究区域的影响，建立模型范围为100 m×72 m×100 m。计算时仅考虑地层的自重应力场，并在模型x、y、z方向分别施加了对应的构造应力。同时，在模型顶面施加垂直应力模拟上部覆盖岩体的重力作用，模拟大埋深下的初始应力状态；模型四周和底部分别施加法向位移约束。

采用实体单元模拟管片衬砌，考虑盾构超挖及壁后注浆等因素，根据张云[12]等研究，将盾尾间隙施作等代层模拟；为了有效模拟盾壳与围岩的相对运动，模型中采用liner结构单元模拟盾壳。模型中各部分位置关系如图4所示，盾壳模拟的相关设置参数如表2所示。

图4 模型断面示意图

表2 TBM护盾物理力学参数

3.2 模拟方法

三维有限元模拟盾构施工的计算流程如图5所示。

图5 模拟盾构施工计算流程

(1)按照应力和位移边界条件计算地层初始应力。

(2)开挖15 m，将盾构机通过liner单元施加入模型内，并进行求解计算。

(3)进行盾构隧道的循环开挖模拟。其中每步首先模拟开挖一环管片长度，然后模拟盾壳、超挖间隙、管片衬砌、壁后间隙的施工，求解当前步，并判断隧道是否开挖完成。

(4)重复第3步直到隧道模拟开挖完成。

4 计算结果分析

为了得到上述开挖过程中隧道围岩-管片衬砌的应力、位移等分布特征，在计算模型中沿隧道轴线分别在y＝30 m、50 m和70 m处设定三个监测断面，以分析围岩的扰动情况。

4.1 围岩扰动行为分析

在隧道模拟开挖过程中，设定的三个监测断面拱顶和拱底位置处围岩竖向位移的变化规律如图6和图7所示。

图6 拱底围岩位移时程图

图7 拱顶围岩位移时程图

由图可知，隧道开挖过程中三个监测断面处拱顶和拱底位置岩体的竖向位移时程变化规律基本相同。变形主要发生在隧道开挖至监测断面前后的一定范围内，即当隧道开挖至距监测断面约7.2 m位置时围岩开始发生一定的变形，当隧道开挖至监测断面时围岩位移发生突变，随着隧道开挖面远离监测断面，围岩位移变化量逐渐趋于稳定。并且各监测断面拱顶和拱底的位移随开挖面的远离都趋于相近的数值，其中拱底趋于9.1 mm、拱顶趋于-10.3 mm。

图8为隧道模拟开挖至不同监测断面时围岩应力分布云图。从图中可以看出，隧道开挖引起的围岩应力变化明显，在隧道中心轴的顶部和底部出现了局部的应力集中现象，特别是在掌子面的顶部和底部应力达到很高的值，这是由于在盾构开挖过程中，对盾构机施加向前的推进力比较大造成的，但这一应力集中情况会随着盾构的开挖而逐渐变缓。

图8 围岩主应力云图

4.2 管片变形分析

图9为隧道模拟开挖完成后管片衬砌的变形云图。可知在围岩压力作用下管片变形以环向压缩为主，即隧道拱顶发生沉降变形、拱底发生隆起变形、拱腰发生收敛变形。三个监测断面处管片衬砌拱顶位置沉降值分别为0.622 mm、0.487 mm、0.421 mm；拱底位置隆起值分别为0.253 mm、0.341 mm、0.269 mm；拱腰收敛值分别为0.345 mm、0.347 mm、0.311 mm，即沿隧道轴线方向管片衬砌的变形有一定的差异。因此在深埋盾构隧道施工中，应注意防止管片错台问题的发生。而从管片衬砌的位移变化量值上来看，在该工程中隧道管片衬砌的整体变形较小。

图9 监测断面处管片竖向和水平位移云图

同时，以y＝45 m处的管片衬砌拱顶、拱底位置为研究对象，得到管片衬砌竖向变形在隧道开挖过程中的变化规律如图10所示。由图10可知，管片在拼装完成后的一段距离内径向位移增加明显，但其变化量从开挖到开挖完成逐渐减小，其原因是围岩变形稳定，对管片的挤压作用逐渐减小。

图10 y＝45 m处管片沿纵向位移变化规律

4.3 管片受力分析

图11为隧道模拟开挖完成后各监测断面管片衬砌的主应力云图。由图可知，管片衬砌的最大主应力发生在拱顶位置处，即拱顶处于较大的受压状态且危险性较大；管片衬砌的最小主应力最大值发生在其拱脚位置处，即在拱脚位置处发生了明显的压应力集中现象，在此处危险性较大。比较围岩的应力分布和管片衬砌的变形分布规律，可知围岩的应力集中与管片位移的分布规律相符合。

图11 监测断面处管片主应力云图

5 结论

本文针对广佛环线东环隧道工程项目，利用数值模拟方法对大埋深条件下盾构隧道的施工力学行为进行了数值模拟分析，得到的结论如下:

(1)盾构隧道开挖施工对围岩的扰动集中在隧道开挖至监测断面前后的一定范围内，沿隧道轴线不同位置处岩体受扰动程度相近。

(2)在围岩压力作用下，深埋盾构隧道管片衬砌拱顶部分受力相对较大，而拱腰部分受力较小。因此在施工以及运营过程应着重关注隧道拱顶部分受力，适当加强拱顶管片的强度。

(3)管片衬砌的位移随着围岩变形的稳定而逐渐收敛，沿隧道轴线方向管片衬砌的变形有一定的差异。因此在深埋盾构隧道施工中，应注意防止管片错台问题的发生。