孫瑋佳

中鐵二十局集團海外事業(yè)部工程部，陜西西安，710016

0 引言

近年來，國內(nèi)外地下工程發(fā)展蓬勃，隧道向著更深、更長及更大斷面的趨勢發(fā)展。我國在建或擬建的大型隧道項目中，深埋長大隧道亦是關(guān)鍵控制性工程。針對以上工程，傳統(tǒng)的礦山法具有明顯的局限性，有鑒于TBM在造價、工期、適用條件及技術(shù)等方面具有明顯的優(yōu)勢[1]，TBM工法在大埋深隧道工程的應(yīng)用已成為趨勢。然而，眾多工程實踐表明：高地應(yīng)力狀態(tài)下的圍巖在開挖之后往往會呈現(xiàn)蠕變特性，易發(fā)生大變形，盾構(gòu)機在長時間停機狀態(tài)下會導(dǎo)致卡機災(zāi)害。

針對大埋深盾構(gòu)/TBM隧道停機狀態(tài)下的卡機災(zāi)害問題，有許多學(xué)者和工程師進行了相關(guān)研究。Hasanpour等[2]研究了雙護盾TBM與圍巖的相互作用機理。黃興等[3]依托引大濟湟工程基于擠壓大變形本構(gòu)模型，通過數(shù)值軟件模擬盾構(gòu)機穿越斷層，對短期內(nèi)的卡機風(fēng)險進行了分析。在程建龍等[4]的研究中，分析了雙護盾TBM在不同復(fù)合地層掘進過程中護盾錐度、擴挖間隙、側(cè)壓系數(shù)、護盾長度等。

對圍巖與雙護盾TBM相互作用的影響。溫森等[5]研究了側(cè)壓系數(shù)及回填材料參數(shù)對雙護盾TBM卡機控制影響。在劉泉聲等[6]的研究中，利用FLAC3D分析了擠壓性地層卡機機理并提出卡機判據(jù)。薛永慶[7]針對引漢濟渭秦嶺輸水隧洞嶺北工程，介紹了TBM穿越斷層破碎帶時刀盤和護盾發(fā)生卡機脫困技術(shù)。

針對TBM卡機問題的研究成果斐然，但在分析卡機機理時未充分考慮圍巖的蠕變效應(yīng)，就工程實際而言，圍巖蠕變是盾構(gòu)長時間停機以致卡機的突出原因，針對這類工程事故，本文結(jié)合廣佛環(huán)線東環(huán)隧道大源站~太和站區(qū)間工程，選取隧道全斷面穿越泥巖為分析對象，開展了在不同埋深下的雙模式盾構(gòu)因停機導(dǎo)致的卡機風(fēng)險分析，可為大埋深盾構(gòu)/TBM隧道的設(shè)計施工工作提供參考。

1 工程概況

廣佛環(huán)線廣州南站至白云機場段是珠三角城際軌道交通的重要組成部分，線路起于廣州南站，接入穗莞深城際鐵路竹料站，全長約46.7km。東環(huán)隧道是該線路的重要工程，其中大源站~太和站區(qū)間隧道工程位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)，為雙線鐵路隧道，隧道主要采用盾構(gòu)法施工，建筑長度6816m，區(qū)間盾構(gòu)隧道總長6144m。盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)采用單層裝配式通用管片環(huán)，并預(yù)留內(nèi)襯施作空間。隧道外直徑8.8m，管片厚400mm，幅寬1.8m，采用“6+1”分塊模式，管片混凝土強度等級為C50、C60。

東環(huán)隧道大源站~太和站區(qū)間工程隧址區(qū)多為丘陵與丘間谷地，屬丘陵地貌，地勢起伏較大，地面高程21~135m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超過130m。且盾構(gòu)隧道長距離下穿不同風(fēng)化程度的片麻巖、炭質(zhì)板巖、粉砂巖、泥巖等，圍巖風(fēng)化程度高、強度差異較大、滲透性差異顯著，工程中采用單護盾TBM、土壓雙?；旌隙軜?gòu)掘進施工，這是目前國內(nèi)首次采用單護盾TBM+土壓平衡雙模大直徑盾構(gòu)長距離穿越大埋深巖層，設(shè)計與施工難度極大[8]。

2 數(shù)值模擬

為預(yù)測不同埋深下東環(huán)隧道雙模式盾構(gòu)機在停機過程中的卡機風(fēng)險，本文利用有限差分軟件FALC3D對盾構(gòu)停機時段進行數(shù)值模擬，分析TBM在此過程中圍巖與護盾的相互作用，進而判斷TBM的卡機情況。

2.1 圍巖蠕變參數(shù)

結(jié)合東環(huán)隧道的工程地質(zhì)特點，本文針對隧道全斷面穿越大埋深泥巖地層工況進行分析。泥巖是具有代表性的軟巖，具有強度低、遇水軟化、流變屬性明顯，且流變下限應(yīng)力值較低，在大埋深高地應(yīng)力條件下，盾構(gòu)隧道開挖形成的低圍壓、高應(yīng)力差環(huán)境使得盾構(gòu)機極易發(fā)生卡機的風(fēng)險[9]。限于本文依托工程尚未開展巖石室內(nèi)蠕變實驗，現(xiàn)以類似工程項目的巖石室內(nèi)單軸壓縮蠕變實驗為依據(jù)，選取合理的蠕變參數(shù)，采用的巖體物理力學(xué)如表1及表2[10]所示。

表1 巖體塑性力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模型

本文的數(shù)值模型在建模過程中，為消除模型的邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，計算模型尺寸定為：100m×72m×90m（X*Y*Z）。

在建模過程中以符合Mohr-coulomb的正六面體實體單元模擬前期未考慮蠕變效應(yīng)的土體，在進行蠕變計算時，土體則采用可以模擬巖土粘彈、粘性、粘塑性行為的Cvisc模型。為行之有效地模擬護盾與圍巖的滑移及分離過程，護盾采用liner單元施作長度為15m，并將其與超挖層的粘聚力和抗拉強度都設(shè)置為0。在實際掘進過程中，由于刀盤的直徑始終大于管片的外徑，在建模過程設(shè)置剛度極小的超挖層（活化退化）模擬這一工程實際，對于壁后填充層，將其概化為均質(zhì)、等厚、彈性的等代層，對于拼裝式管片襯砌，將其視為均值圓環(huán)結(jié)構(gòu)，并考慮管片接頭存在降低了管片剛度故引入剛度系數(shù)η=0.75進行折減。由于隧道埋深較大，初始地應(yīng)力采用在模型x、y、z向施加構(gòu)造應(yīng)力的方法進行模擬，并考慮模型自重，不考慮地下水的影響，模型中只建立部分上部覆蓋巖體，在模型上表面施加不同的垂直力模擬不同埋深下的初始應(yīng)力狀態(tài)，并在模型四周及底面采用法相位移約束條件。模型中護盾、壁后間隙、超挖部分的位置關(guān)系如圖1所示，對于盾構(gòu)機護盾結(jié)構(gòu)，考慮其內(nèi)部機械設(shè)施的重量，將盾構(gòu)機的自重?fù)Q算成為盾殼材料的等效重度。模型中盾構(gòu)隧道護盾、管片襯砌、壁后注漿填充層均被視為具有線彈性變形特征的材料，服從Elasticaity變形特征，護盾模擬的相關(guān)設(shè)置參數(shù)如表3所示。

表3 TBM護盾物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬方法

如圖2所示為此次數(shù)值模擬的開挖示意圖。首先不考慮盾構(gòu)機的開挖過程，一次性開挖36m，然后模擬管片襯砌、護盾、壁后間隙、超挖部分的施作以進行力學(xué)計算，最后進行蠕變計算分析在時間效應(yīng)下護盾與圍巖的相互作用、護盾的位移及卡機情況。

計算中針對盾構(gòu)隧道的不同埋深H設(shè)置了5種計算工況，分別為：H=80m、H=100m、H=120m、H=150m及H=200m。通過分析圍巖的位移與護盾的法向位移，對不同埋深條件下的軟巖盾構(gòu)停機卡機風(fēng)險進行了研究。

3 卡機結(jié)果分析

3.1 護盾與圍巖的相互作用

數(shù)值計算之后通過FLAC3D內(nèi)置的Fish語言提取圖2中3個監(jiān)測點在不同停機時間下的圍巖位移，其中監(jiān)測點A位于與護盾頂部接觸的圍巖上，監(jiān)測點B位于與護盾腰部接觸的圍巖上，監(jiān)測點C則是位于與護盾底部相接觸的圍巖上，得到結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)：在相同停機時間t下，監(jiān)測點A與監(jiān)測點C的豎向位移都隨埋深的增加而增加，且增加幅度也隨之增大，監(jiān)測點B的水平位移由正值變?yōu)樨?fù)值，即圍巖由初始的相外擴張變?yōu)橄騼?nèi)收斂。初期開挖之后，隧道頂部圍巖發(fā)生向下的位移，底部產(chǎn)生向上的位移，而隨著t的增加，頂部及底部圍巖都產(chǎn)生向下的位移且越來越大。監(jiān)測點A在停機0d時的豎向位移最小值為H=80m，其值為3.16mm，而超挖間隙為17mm，故圍巖未與護盾接觸，H=200m工況下監(jiān)測點A在相同時間的豎向位移為8.34mm，也未超過超挖間隙，而隨著停機時間t的增加，護盾最先與圍巖接觸為H=200m、t=3d，最晚的是H=80m、t=5d，對護盾產(chǎn)生擠壓力，隨t的增加，擠壓力增加。由監(jiān)測點B得到的數(shù)據(jù)可知圍巖的水平位移最大為4.07mm，故水平方向上圍巖未與護盾接觸。

3.2 護盾變形分析

TBM開挖之后，當(dāng)圍巖的某處位移超過超挖間隙，則圍巖將與護盾接觸，與此相對應(yīng)護盾會受到來自圍巖的擠壓力產(chǎn)生變形，通過提取盾尾的位移變量計算結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)上述的計算結(jié)果可知：對同一埋深盾構(gòu)隧道，一次性開挖之后護盾的頂部和底部受壓產(chǎn)生向內(nèi)的位移，兩幫因頂部和底部受壓發(fā)生向外的擠壓變形，隨著停機時間的增加，護盾頂部法向形變程度不斷增大，底部豎向形變和兩側(cè)拱腰水平變形變化不明顯，這與圍巖的位移變化規(guī)律一致，并且可以看到護盾整體產(chǎn)生接近剛性的下沉。對不同埋深的盾構(gòu)隧道，隨著埋深的增加盾構(gòu)整體沉降也隨之增加，最大值發(fā)生在埋深200m停機60d的護盾頂部數(shù)值為11.36cm，而相對于0d的豎向位移增加了10.48cm，水平位移也隨著埋深的增加而增加，最大值發(fā)生埋深200m停機60d之后的拱腰位置，其值為0.42cm，這與圖3中圍巖的位移變化規(guī)律相對應(yīng)。由此可以看出因圍巖蠕變效應(yīng)護盾發(fā)生擠壓位移遠大于初期開挖之后產(chǎn)生的位移，且豎向形變增加程度遠大于水平形變。

3.3 護盾卡機判據(jù)

在盾構(gòu)施工過程中，護盾上摩擦阻力主要是由圍巖施加在其上的荷載以及自身的重力與底部圍巖擠壓產(chǎn)生的，當(dāng)TBM自身所能提供的最大推力不足以克服護盾受的摩擦阻力時，將發(fā)生護盾卡機事故。參考已有的研究，現(xiàn)利用卡機狀態(tài)判別公式，見式（1），判斷盾構(gòu)的卡機行為[6]。

式中：Fr為克服護盾所受摩阻力所需要的推力；Fb為機器正常連續(xù)掘進開挖所需的推力；F1為TBM推進系統(tǒng)所能提供的額定推力。其中利用FLAC3D軟件中的Fish語言可得到Fr，相應(yīng)的計算方法如式（2）所示。

如上式，Rfs為圍巖擠壓變形對護盾產(chǎn)生的摩擦力；fW為TBM自重產(chǎn)生的摩阻力；R為護盾直徑；Ps（y）為護盾所受的圍巖擠壓力，其值可從數(shù)值模擬結(jié)果liner結(jié)構(gòu)單元中提取；f為護盾與圍巖間的摩擦系數(shù)；W為盾構(gòu)機的自重。

利用式（1）和（2）對不同埋深條件下護盾的卡機風(fēng)險進行判斷，結(jié)果如圖5所示，其中Rf*為護盾臨界阻力閾值，其值為81.9MN。

由圖可知，各種埋深工況下，TBM停機40天左右時，圍巖與護盾的相互作用趨于穩(wěn)定，此后，圍巖作用在盾構(gòu)上的荷載基本不變，因此護盾所受的摩擦阻力也基本不變了。在同一停機時間下，盾構(gòu)隧道埋深越大護盾所受摩阻力也越大，且增加幅度也隨之增大。當(dāng)埋深小于120m時，即使考慮圍巖蠕變效應(yīng)下的護盾也不會出現(xiàn)卡機事故，當(dāng)隧道埋深超過100m后將會出現(xiàn)護盾受到的摩阻力大于臨界阻力閾值的情形，埋深越大護盾所受摩擦力達到護盾臨界阻力閾值所需要的時間越短，H=120m的TBM護盾所受摩擦阻力在停機44d時將大于護盾臨界阻力閾值，H=200m的僅停機5d就會發(fā)生上述情況，且隨著TBM停機時間的增長，護盾所受摩擦阻力越大，TBM卡塞越來越嚴(yán)重，脫困也越來越困難，將造成巨大的經(jīng)濟損失。

4 結(jié)語

本文對不同埋深下東環(huán)隧道雙模式盾構(gòu)機在停機狀態(tài)下的卡機風(fēng)險進行了數(shù)值模擬，得到的結(jié)論如下：

（1）TBM開挖初期，隧道頂部圍巖沉降，底部發(fā)生隆起，隨著停機時間的增加，圍巖整體產(chǎn)生沉降，且沉降程度越來越大，但增加幅度卻隨埋深增加而減小。

（2）停機時間一定時，隨著埋深的增加TBM開挖對圍巖的擾動也隨之增大，圍巖作用在護盾上的擠壓力也越大，護盾所受的摩擦阻力越大，發(fā)生卡機事故的概率也隨之增加。

（3）停機時間小于5d時，由于圍巖的變形量小于超挖間隙，未與護盾接觸，故文章所設(shè)工況皆未出現(xiàn)卡機情況，但隨著卡機時間的增長，護盾所受摩擦阻力越來越大，埋深200m的盾構(gòu)隧道在停機5d時，摩擦阻力大于護盾臨界阻力閾值，埋深120m則在停機44天時會出現(xiàn)上述情況。

針對上述卡機情況，應(yīng)結(jié)合盾構(gòu)機施工參數(shù)及地層信息對停機安全時間進行評估，將停機時間嚴(yán)格控制在此范圍內(nèi)以防卡機事故的發(fā)生。

本章建立考慮盾構(gòu)隧道施工全過程的數(shù)值分析模型，分析了圍巖蠕變作用下的大埋深盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)受荷特性，并從軟巖隧道賦存應(yīng)力場環(huán)境方面研究了圍巖蠕變作用下隧道埋深對管片結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力和接觸壓力的影響。主要研究結(jié)論如下：

（1）開挖初期，隧道頂部圍巖沉降，底部發(fā)生隆起，隧道埋深越大，管片襯砌整體變形越發(fā)顯著，在考慮圍巖的蠕變效應(yīng)后，管片襯砌整體發(fā)生沿豎直向下的變形。圍巖衰減蠕變階段的拱頂豎向位移變化率遠大于穩(wěn)定蠕變階段。

（2）隨隧道埋深的增大，彎矩與軸力、接觸壓力均逐漸增大。在巖體未發(fā)生加速蠕變的情況下，圍巖蠕變過程中管片襯砌的內(nèi)力和接觸壓力的變化規(guī)律基本相同，有衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變兩個階段。隧道埋深越大，圍巖蠕變過程中管片襯砌受荷特征受巖體蠕變的影響越大。