胡威東， 周子揚， 封 坤， *， 鄧朝輝， 劉議文

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063； 2. 水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心， 湖北 武漢 430063； 3. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

0 引言

近年來，盾構(gòu)法在水下隧道與城市軌道交通建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。當盾構(gòu)在水下復(fù)雜地層施工時，刀盤刀具因被磨損而常需檢修或更換，停機進艙作業(yè)在所難免。

當前，盾構(gòu)施工換刀的方式往往根據(jù)地層條件選擇： 1)在自穩(wěn)能力較強的圍巖環(huán)境中換刀時，一般采用常壓直接開艙的方式。2)當處于軟巖或富水地層時，一般會考慮3種方案： ①地層經(jīng)過排水加固后在常壓條件下敞開換刀；②從開挖面前方打豎井到刀盤前換刀；③利用壓入空氣穩(wěn)定開挖面，工人在帶壓環(huán)境中進艙換刀[1-2]。帶壓進艙換刀由于適用范圍較廣，已在隧道工程中有了較多的應(yīng)用。如： 程明亮等[3]通過北京地鐵帶壓換刀施工實踐，在最大工作氣壓0.28 MPa下成功帶壓動火焊接換刀；武漢長江隧道施工中首次在0.45 MPa高壓下帶壓作業(yè)；南京揚子江隧道應(yīng)用飽和氣體帶壓換刀，在0.63 MPa氣壓條件下共進行240次換刀作業(yè)，更換刀具300余把[4-5]；南京地鐵3號線穿越玄武湖區(qū)間隧道，成功采用水泥砂漿護壁技術(shù)在上軟下硬地層保壓換刀[6]；王住剛等[7]解決了西安地鐵土壓平衡盾構(gòu)在富水密實性砂層中帶壓換刀的問題；段浩等[8]針對成都地鐵1號線擬換刀位置進行分析，確定以富水砂卵石地層為主的換刀位置以及對應(yīng)的換刀方案。

過高的氣壓環(huán)境會導(dǎo)致施工人員的有效工作時間降低，甚至損害工人健康，而過低的壓力則會導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。所以，因地制宜地選擇帶壓換刀位置，并設(shè)置合理的氣壓是整個帶壓換刀施工的關(guān)鍵。針對開挖面穩(wěn)定性判斷，蘇文德等[2]針對廈門軌道交通2號線跨海隧道，分別采用經(jīng)驗公式與改進楔形體模型的數(shù)值計算法計算最小帶壓進艙壓力值，并對比實際測試氣壓大小，選取優(yōu)化的計算方法；Taylor[9]在提出有限元強度折減法和超載法原理后，鄭穎人等[10-11]、李欣[12]結(jié)合相關(guān)理論，采用數(shù)值計算方法解決了大量巖土工程問題，推動了極限平衡法在巖土工程等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用；王林等[13]采用數(shù)值模擬與理論相結(jié)合的方法，揭示了隧道開挖面擠出破壞的局部失穩(wěn)模式，并基于極限分析方法提出了一種考慮局部失穩(wěn)模式的隧道開挖面擠出破壞新機制；宋洋等[14]通過模型試驗與理論分析，建立了適用于砂-礫復(fù)合地層的盾構(gòu)隧道開挖面極限支護力計算模型；張亞洲等[15]采用現(xiàn)場實測資料和數(shù)值模擬結(jié)果分析相結(jié)合的方法，探明揚州瘦西湖隧道泥水盾構(gòu)在膨脹性黏土地層停機時開挖面失穩(wěn)和地面塌陷的特性；呂璽琳等[16]基于村山氏極限平衡法和極限分析上限法，研究了盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性，并推導(dǎo)出維持開挖面穩(wěn)定的最小極限支護壓力計算公式。

總的來看，現(xiàn)階段對于盾構(gòu)開艙換刀一般根據(jù)經(jīng)驗確定施工中的相關(guān)參數(shù)，并沒有形成普適性的計算理論。對于地質(zhì)復(fù)雜或破碎的地層無法準確判斷氣壓平衡大小，導(dǎo)致開艙失敗以至于不得不重新尋找合適的換刀位置，嚴重影響了施工進度；而對于合理換刀位置的判斷，相關(guān)研究較少，無法在施工前預(yù)判適合帶壓換刀的區(qū)段。鑒于此，本文依托佛莞城際鐵路獅子洋隧道工程，對水下不同地層條件進行開挖面穩(wěn)定性計算分析，提出選取適合盾構(gòu)帶壓換刀作業(yè)斷面的判別方法，并針對依托工程給出合理換刀位置選擇的建議。

1 開挖面穩(wěn)定性計算分析

1.1 依托工程概況

佛莞城際鐵路獅子洋隧道穿越地段地形為珠江兩岸的平坦開闊地帶，隧道全長6 150 m，盾構(gòu)段長4 900 m。隧道上覆第四系土層，其中岸邊段第四系土層以淤泥層和砂層為主，水下段以淤泥層、砂層及細圓礫土為主，下伏基巖以泥質(zhì)砂巖、砂巖和泥巖為主。隧道穿越的地層主要為淤泥地層、砂層和圓礫土、W2中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以及W3強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。獅子洋隧道穿越地層縱斷面圖見圖1。

圖1 獅子洋隧道穿越地層縱斷面圖

場區(qū)地表水主要為珠江獅子洋及兩岸小河涌，工程所處區(qū)域雨量充沛，河網(wǎng)發(fā)育，為地下水的滲入補給提供了充足的水源，地下水位在1～5 m。

獅子洋隧道采用單洞雙線布置，隧道內(nèi)徑12 m、外徑13.1 m，標準環(huán)寬2.0 m，分塊方式采用6+2+1，封頂塊楔形量為30 mm。盾構(gòu)采用“匠心號”泥水平衡盾構(gòu)，盾殼0.14 m，襯砌結(jié)構(gòu)采用C50高性能耐腐蝕混凝土，混凝土抗?jié)B等級P12。襯砌結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。襯砌與盾殼計算參數(shù)見表1。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)示意圖

表1 襯砌與盾殼計算參數(shù)

1.2 數(shù)值模型建立

采用FLAC3D有限元軟件進行建模，模型采用實體六面體單元，服從Mohr-Coulomb準則，對初始模型底面、左右邊界及前后邊界施加法向位移約束。

初始計算模型如圖3所示。初始覆土高度為5 m，大致為盾構(gòu)端頭處的覆土高度，設(shè)置初始水壓力，水位高度與模型上頂面齊平。圍巖根據(jù)獅子洋隧道所穿越的W2中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、W3強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、圓礫土及淤泥4種不同地層環(huán)境分別設(shè)置。

設(shè)置初始計算模型后，開始設(shè)置隧道開挖步驟，保留8 m襯砌完成拼裝模型，同時模型前端6 m保留盾殼結(jié)構(gòu)，后端原盾殼部分用圍巖材料回填填充(本計算不考慮注漿回填的影響)，此時停止隧道開挖，模擬盾構(gòu)停機時的狀態(tài)，如圖4所示。

在停機模型的基礎(chǔ)上，于模型上界面以面力的方式施加均布荷載，以模擬隧道埋深增大后上覆土層帶來的影響，同時，在開挖面施加抵抗位移變形的面力。盾構(gòu)帶壓工作環(huán)境為高壓環(huán)境，超過一定界限將對人體機能產(chǎn)生不良影響，根據(jù)CJJ 217—2014《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》[17]以及國外相關(guān)規(guī)范，帶壓進艙的氣壓大小一般不超過0.36 MPa[18]。在停機平衡計算時，設(shè)置0.36 MPa垂直開挖面向圍巖內(nèi)的表面荷載，模擬帶壓進艙最大氣壓條件?？紤]到盾構(gòu)刀盤的骨架支撐作用，盾構(gòu)開口率設(shè)置為39%。據(jù)此，計算時在開挖面施加61%的縱向不平衡力反力。

圖3 初始計算模型(單位: m)

圖4 停機模型

1.3 數(shù)值計算流程

結(jié)合有限元數(shù)值計算軟件特征以及Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的特點，計算以模型不收斂或者位移增量突變時即判斷開挖面失穩(wěn)。計算流程如下：

1)設(shè)置模型圍巖材料，施加開挖面荷載以及上表面荷載(初始為0)。

2)分別提取開挖面中間點(x=0，y=0)、上側(cè)監(jiān)測點(x=0，y=5)、右側(cè)監(jiān)測點(x=5，y=0)及下側(cè)監(jiān)測點(x=0，y=-5)處位移，計算每次位移變化斜率Ki。測點位置示意圖如圖5(a)所示。

3)肖明清[19]提出的數(shù)值計算中可作為極限狀態(tài)的判斷條件如下： ①有限元計算迭代求解不收斂[20];②有限元計算位移出現(xiàn)突變[20];③超過極限剪應(yīng)變的圍巖深度達到一定范圍;④受拉破壞區(qū)深度超過一定范圍。本文將計算出現(xiàn)不收斂情況以及開挖面位移突變視為達到極限平衡(當4個監(jiān)測點中斜率增長λi=Ki+1/Ki大于2時,認為此時位移增長迅速，視為位移突變[14]，見圖5(b))。

(a) 測點位置示意圖

Δx為上覆荷載增量; Δyi為第i區(qū)間內(nèi)位移增量; Δyi+1為第i+1區(qū)間內(nèi)位移增量; Ki為第i位置斜率; Ki+1為第i+1位置斜率。

4)根據(jù)位移變化斜率及計算收斂情況判斷開挖面是否失穩(wěn)。若開挖面處于平衡狀態(tài)，增大上覆荷載重復(fù)第2)步驟計算；若開挖面失穩(wěn)，則此時上覆荷載大小即為失穩(wěn)臨界荷載。

5)對隧道區(qū)段采用全土柱理論計算隧道上部大致上覆荷載，對比對應(yīng)地層臨界荷載大小，判斷是否適合帶壓換刀。

數(shù)值計算流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)值計算流程圖

按照上述計算方法，為探究不同地層圍巖環(huán)境對帶壓開艙施工的影響，選取獅子洋隧道施工過程中洞身穿越的4種典型圍巖進行試算，計算時按照如表2所示的土體性質(zhì)參數(shù)取值，得到不同圍巖環(huán)境下逐級增大上覆荷載時開挖面位移變化情況。

表2 獅子洋隧道土體性質(zhì)參數(shù)

1.4 數(shù)值計算結(jié)果分析

1.4.1 圓礫土地層

圓礫土地層開挖面位移與上覆荷載關(guān)系如圖7所示。在圍巖環(huán)境為圓礫土地層時，當上覆荷載較小，開挖面上部位移有向內(nèi)擠壓的趨勢，開挖面下部向外擠出。當上覆荷載持續(xù)增大至0.3 MPa時，λi的值為5.60，可以判斷此時開挖面發(fā)生失穩(wěn)。在上覆荷載作用下，開挖面位移較大，下部監(jiān)測點最大位移接近45 mm。當上覆荷載持續(xù)增大至0.45 MPa后，計算已無法正常收斂，后續(xù)計算失效。

1.4.2 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層

中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層開挖面位移與上覆荷載關(guān)系如圖8所示。中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層巖性較好，上覆荷載較小時開挖面位移穩(wěn)定，在開挖面荷載推動下，開挖面向內(nèi)輕微變形；當上覆荷載超過0.3 MPa時，開挖面有向外擠出變形的趨勢，且隨著上覆荷載的持續(xù)增大，當上覆荷載增大到0.9 MPa時，最大擠出位移達到1.48 mm，λi的值為2.28，可以判斷在此荷載作用下開挖面發(fā)生失穩(wěn)。

1.4.3 強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層

強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層開挖面位移與上覆荷載關(guān)系如圖9所示。當上覆荷載較小時，開挖面產(chǎn)生較大的向內(nèi)擠壓變形，在實際施工中可采取減小艙壓或者采用常壓換刀的方式，避免淺埋時帶壓換刀風(fēng)險。當壓力增加到0.56 MPa時，λi的值為2.804，此時發(fā)生位移突變，開挖面失穩(wěn)。

圖7 圓礫土地層開挖面位移與上覆荷載關(guān)系

圖8 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層開挖面位移與上覆荷載關(guān)系

圖9 強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層開挖面位移與上覆荷載關(guān)系

1.4.4 淤泥地層

對于淤泥地層，在不施加上覆荷載的條件下，開挖面位移隨著計算步的增加而持續(xù)增大，數(shù)值計算無法收斂。開挖面上端受垂直開挖面荷載的影響向內(nèi)側(cè)位移，下部向外擠出，開挖面位移示意圖如圖10所示。由此可見，對于淤泥地層而言，由于地層支撐能力較差，開艙作業(yè)極易發(fā)生地層流動，導(dǎo)致地面塌陷等問題，故不適合帶壓進艙作業(yè)。

圖10 淤泥地層開挖面位移示意圖(單位: m)

1.5 合理換刀區(qū)間判斷

根據(jù)上述數(shù)值計算結(jié)果，基于全土柱理論計算隧道全線大致上覆荷載大小，結(jié)合隧道穿越地層圍巖環(huán)境，將上覆荷載大小與數(shù)值計算得到的最大荷載進行對比，初步判斷隧道區(qū)段是否適合帶壓進艙作業(yè)。

最大覆土厚度計算方法如下：

1)地下區(qū)段： ①對于淤泥地層，根據(jù)前文所述，隧道穿越此地層不適合帶壓進艙作業(yè)。②對于圓礫土地層，上覆地層主要為素填土、淤泥和圓礫土層，考慮最不利工況，采用礫砂天然重度(上覆地層中最大天然重度)計算上覆荷載。③對于強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層與中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層，按上覆地層中重度最大地層進行考慮。④對于復(fù)合地層，出于對安全性的考慮，將開挖斷面視為更弱的地層。

2)水下區(qū)段： ⑤地層重度采用浮重度，計算方法與地下區(qū)段相同。⑥同時考慮水壓力。水壓力

σw=αγwhw。

(1)

式中：α為土的滲透系數(shù)確定的經(jīng)驗數(shù)值；γw為水的容重；hw為水位距刀盤頂部距離。

安全性考慮計算時α的值取為1，海水按照水的重度10 kN/m3計算。即隧道上部覆土高度

(2)

式中hi為上覆各地層厚度(計算時加上初始覆土高度5 m)。

⑦求解最大上覆土厚度

(3)

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，圓礫土地層最大上覆荷載為0.3 MPa，強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層最大上覆荷載為0.56 MPa，中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層最大上覆荷載為0.9 MPa，可計算出地下區(qū)段最大上覆厚度對應(yīng)為20.46、29.89、40.86 m，水下區(qū)段最大上覆厚度對應(yīng)為10.50、21.10、32.04 m。

結(jié)合獅子洋隧道實際地層情況，將隧道劃分為穿越淤泥層區(qū)、圓礫土地層區(qū)、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖區(qū)以及中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖區(qū)。對不同區(qū)段按照準許最大上覆土厚度為界限劃分，當隧道埋深小于此界限時視為安全，即適合帶壓進艙換刀作業(yè)。將隧道全線大致劃分出可以進行帶壓換刀操作的區(qū)間，如圖11所示的紅色區(qū)域。實際施工時可按初步確定的適合帶壓進艙作業(yè)的斷面區(qū)間為參考，規(guī)劃帶壓進艙作業(yè)位置。

圖11 隧道全線適合帶壓進艙作業(yè)斷面示意圖

2 實際工程帶壓換刀分析

獅子洋隧道施工過程中在掘進至第375環(huán)時進行了為期7 d的帶壓進艙換刀作業(yè)。第375環(huán)斷面地質(zhì)剖面圖如圖12所示，此處隧道埋深32.09 m，隧道主體穿越中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層，地下水位在4.56 m。上部覆土以淤泥及砂性土層為主，滲透性強。地表由上至下的地層分別為： 1.5 m素填土層、4.92 m淤泥層、3.18 m中砂層、1.04 m淤泥層、0.99 m礫砂層、7.34 m淤泥層、3.36 m圓礫層、3.38 m強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以及隧道上部2.38 m的中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

圖12 第375環(huán)斷面地質(zhì)剖面圖(單位： m)

2.1 施工中換刀方案

實際施工時采用基于極限平衡法的楔形體模型計算帶壓進艙的最小支護壓力，指導(dǎo)換刀時的氣壓設(shè)置。根據(jù)改進后的楔形滑塊[2,21]進行力學(xué)分析，實際工程中根據(jù)模型計算結(jié)果，并考慮施工余量，最終確定開挖面的最小支護壓力為0.3 MPa。帶壓進艙施工時的具體情況見表3。

當艙壓設(shè)置為0.3 MPa時，隧道刀盤切口位置無滲漏現(xiàn)象發(fā)生，此時開挖面位移較小，無明顯變化，可以基本判斷此時開挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)，且0.3 MPa氣壓不是最小支護壓力。開艙作業(yè)第3天開始，逐天減小切口壓力，從0.28 MPa降至0.24 MPa，開挖面變形隨著氣壓減小逐漸明顯，且此時開挖面開始發(fā)生滲漏現(xiàn)象，換刀位置積水，當氣壓降至0.24 MPa時滲漏現(xiàn)象更明顯。調(diào)整壓力為0.25 MPa時，在進艙過程中液位有所上升，配合排水措施可完成進艙任務(wù)，故判斷0.25 MPa為第375環(huán)斷面位置施工最小氣壓。

2.2 數(shù)值方法判斷最小氣壓

根據(jù)獅子洋隧道第375環(huán)實際地層條件，采用全土柱理論計算此斷面下的上覆荷載大小，全土柱理論計算公式為

(4)

式中：γi為各地層重度；i為對應(yīng)的地層編號；n為上覆地層數(shù)。

表3 獅子洋隧道第375環(huán)帶壓進艙施工情況

結(jié)合如表2所示的地層參數(shù)計算得到上覆荷載為506.7 kPa。隧道穿越中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層采用第2節(jié)描述的數(shù)值模型，設(shè)置上覆荷載為506.7 kPa，開挖面荷載從0.36 MPa逐級減小，監(jiān)測模型開挖面位移變化。開挖面位移與開挖面荷載間的關(guān)系如圖13(a)所示。

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果可知，當開挖面設(shè)置荷載減小至0.22 MPa時，λi的值為3.48，開挖面荷載低于0.22 MPa后位移增長速度過快，此時開挖面可視為失穩(wěn)。如圖13(b)所示，開挖面下部發(fā)生失穩(wěn)，此時最大位移可達10 mm左右。相對于改進后的楔形體滑塊模型計算得到的最小支護力0.3 MPa，以及實際施工采用的最小支護力0.25 MPa，數(shù)值計算所求的最小支護力偏小。當然，現(xiàn)場施工時出于對安全性的考慮，此時的氣壓艙艙壓并不是開挖面處于極限狀態(tài)下的最小壓力。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文依托獅子洋隧道工程，采用數(shù)值計算與實際施工對比分析的方法，對隧道帶壓進艙可行性進行研究，得出以下結(jié)論：

1)結(jié)合實際施工實例證明，本文提出采用數(shù)值模擬的方法求解最大上覆荷載后，對比斷面上覆荷載大小，選取適合帶壓進艙作業(yè)斷面的方法是可行的。

2)根據(jù)獅子洋隧道施工中穿越的圓礫土、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以及中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖3種地層，計算出地下區(qū)段最大上覆厚度對應(yīng)為20.46、29.89、40.86 m，水下區(qū)段最大上覆厚度對應(yīng)為10.50、21.10、32.04 m，淤泥地層不適合進艙作業(yè)。最后，根據(jù)計算結(jié)果給出適合帶壓進艙作業(yè)的參考區(qū)間。

3)以實際施工時隧道第375環(huán)位置帶壓進艙換刀為實例，理論計算方法所得最小支護壓力偏大，數(shù)值計算方法所得最小支護壓力偏小，但更接近實際極限情況。

3.2 建議

1)對隧道全區(qū)段合理帶壓進艙作業(yè)斷面的判別傾向于安全，可作為施工階段規(guī)劃停機位置的參考。

2)施工時如需在判別為不適合帶壓進艙的作業(yè)區(qū)段停機進艙，可根據(jù)實際斷面狀況進行試算，并針對數(shù)值計算結(jié)果適當提高氣壓艙艙壓，以達到進艙的目的。