盾構(gòu)施工軟巖變形地段綜合處置技術(shù)研究

楊俊哲（神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西榆林719315）

盾構(gòu)施工軟巖變形地段綜合處置技術(shù)研究

楊俊哲（神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西榆林719315）

盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)與圍巖之間的間隙非常有限導(dǎo)致盾構(gòu)對圍巖變形的適應(yīng)性較差。盾構(gòu)開挖后軟巖變形會直接影響盾構(gòu)掘進速度，嚴重時影響襯砌管片質(zhì)量安全，因此，開展盾構(gòu)施工軟巖變形地段綜合處置技術(shù)研究非常必要。本文采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，主要從以下三個方面著手進行研究：①利用巖體卸荷理論，結(jié)合神東補連塔煤礦斜井工程地質(zhì)資料，建立大坡度斜井掘進力學(xué)模型；②構(gòu)建三維反演分析模型，研究斜向條件下的盾構(gòu)開挖及推進引起的卸荷效應(yīng)；③根據(jù)理論分析及現(xiàn)場施工設(shè)備配置，提出軟巖變形地段盾構(gòu)施工綜合處置技術(shù)。

盾構(gòu)；軟巖；變形；綜合處置

1 引言

隨著國民經(jīng)濟較高的發(fā)展速度，人們對地下深層資源的開發(fā)力度不斷加大。盾構(gòu)因其具有較高的掘進速度、較好的環(huán)保效益以及較高的綜合經(jīng)濟效益等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于水利、隧道、水電等領(lǐng)域。但由盾構(gòu)與圍巖間隙較小導(dǎo)致盾構(gòu)對軟巖變形地層適應(yīng)性較差的問題一直沒有得到有效解決。

2 軟巖變形規(guī)律分析

2.1 斜井盾構(gòu)掘進力學(xué)模型

利用非連續(xù)的剛度遷移法模擬實際盾構(gòu)在類似砂質(zhì)地層中的推進過程，從而探討盾構(gòu)和圍巖間的時空效應(yīng)和傳遞規(guī)律。

盾構(gòu)主體結(jié)構(gòu)按照真實尺寸選取，為消除邊界效應(yīng)的影響，將盾構(gòu)四個方向按照3～5倍洞跨選取，三維模型尺寸為100m×100m×50m，共計39400個單元，42566個節(jié)點。盾構(gòu)隧道開挖過程采用在開挖邊界上釋放節(jié)點荷載的方式進行模擬。計算中模擬隧道開挖時，根據(jù)采用有限元程序提供的“生”與“死”及材料參數(shù)變換功能進行處理，通過分次殺死單元和分次激活單元和變換不同位置的材料參數(shù)來模擬盾構(gòu)隧道的掘進、管片拼裝的過程[1]，其有限元計算模型如圖1～2所示。

圖1 斜井整體計算模型

圖2 注漿體和管片支護計算模型

2.2 斜井盾構(gòu)掘進圍巖變形塑性和卸荷區(qū)域分布

根據(jù)神華神東補連塔地質(zhì)條件，繪制圍巖的塑性和卸荷區(qū)分布圖，如圖3所示。

從圖3及相關(guān)分析可知：

（1）監(jiān)測斷面的拱頂和拱底處最大主應(yīng)力（壓應(yīng)力）在開挖面到達前約0.5D時開始被釋放，當(dāng)被開挖時應(yīng)力值急劇降低，在被支護后壓應(yīng)力降低緩慢，并最終趨于穩(wěn)定[2]。支護的及時封閉不僅有效控制圍巖變形持續(xù)發(fā)展，對圍巖的應(yīng)力重分布調(diào)整起到促進作用，加快圍巖-支護系統(tǒng)的平衡。

圖3 斜井在不同掘進時間下圍巖的塑性和卸荷區(qū)域分布

（2）監(jiān)測斷面拱腰處的最大主應(yīng)力值是先增加再減小最后緩慢增加，即：在開挖面到達前約0.5D后增加，并在開挖時達到最大值，但隨著管片的支護，壓應(yīng)力值又開始降低，降低速率逐漸變緩，最后受滲流的影響，拱腰處壓應(yīng)力值緩慢增加。

（3）洞室圍巖塑性區(qū)域主要分布在洞室拱腰附近，呈X型分布。在斜井盾構(gòu)掘進中，隨著洞室開挖深入，在洞室的拱頂、拱底及開挖面附近都出現(xiàn)了卸荷，卸荷率主要為40～60%，卸荷區(qū)域的體積呈直線增長。

（4）變形常規(guī)措施優(yōu)化研究表明，斜井盾構(gòu)掘進速率控制在3～5m/h之間為宜，及時施作管片和壁后注漿，形成封閉受力體系，能較好的控制圍巖因擾動引起的變形。

2.3 斜井盾構(gòu)掘進過程圍巖擾動強弱關(guān)系

盾構(gòu)掘進開挖過程中巖體擾動的效果同時反映在時間和空間上[3]。從時間效果上看，這種擾動并不是瞬時的，巖體受擾動后恢復(fù)需要經(jīng)歷一定的時間，某一特定圍巖斷面伴隨盾構(gòu)掘進進程的位移變化，這是累積效應(yīng)在時間上的反映；從空間效果上看，這種擾動存在一定的有效范圍，擾動的能量聚集在有效范圍內(nèi)，因此應(yīng)同時選取不同斷面的圍巖變化規(guī)律綜合分析，這是累積效應(yīng)在空間上的反映。巖體擾動的這種時間和空間效應(yīng)，使得其效果可以累積，即巖體的最終狀態(tài)是由多次擾動累積而成的。目前對于圍巖變形規(guī)律，大多只關(guān)心開挖面通過后直至自然固結(jié)完成后的這一階段，對開挖面前方地層的擾動規(guī)律少有涉及，而預(yù)測盾構(gòu)前方巖體擾動規(guī)律，對于施工進程控制具有積極的意義。

以上部圍巖為例，在開挖面前方較近距離處隆起的巖體會造成開挖面較遠距離的巖體損失或產(chǎn)生滑動破裂面，進而產(chǎn)生沉降，沉降值隨著掘進過程而累積增大，距離開挖面越遠的巖體，經(jīng)過越長的時間擾動積累，因此累積效應(yīng)越明顯，但存在影響范圍的極限值。而隆起部分的巖體距離開挖面很近，所以累積效應(yīng)不明顯，因此可以認為若沒有這種累積效果，那么單純由巖體擠壓造成的圍巖隆起值是一定的，等到開挖面臨近時，隆起極值需扣除先前經(jīng)過擾動累積的沉降值。

因此，在斜井上方巖體中，只要觀察開挖面前方巖體變形的最大值的變化規(guī)律，找出曲線趨于平緩的拐點，即可確定出累計效應(yīng)的影響范圍。類似于圍巖上部巖體的分析方法，也可以確定出前方其他部位巖體的累計效應(yīng)。但由于刀盤壓力對前方巖體的擠壓作用是向四周和前方擴散的，因此圍巖下部巖體需要觀察其巖體沉降的最大值，左側(cè)土體需要觀察其左偏的最大值，右側(cè)土體則是右偏的最大值。目前在數(shù)值模擬計算中，確定開挖面前方土體影響范圍的方法局限于對位移云圖的觀察，由于在很大程度上受觀察者的主觀因素影響，云圖所顯示的變化層次有限，所以觀察結(jié)果偏小。這里提出利用累積效應(yīng)變化曲線來進行對比，為確定影響范圍提供了一種相對可靠的途徑。

3 軟巖變形地段斜井巷道設(shè)計

在盾構(gòu)施工過程中，當(dāng)由于各種原因需降低掘進速度或停機時，圍巖的快速擠壓變形可能會超過護盾與圍巖之間的預(yù)留變形量，甚至可能使護盾受到強烈擠壓，導(dǎo)致卡機事故的發(fā)生。圍巖變形還可能導(dǎo)致管片支護上的荷載持續(xù)增大，最終使管片破損[4]。試驗斜井主要穿越砂巖地層，但局部地段砂質(zhì)泥巖分布，設(shè)計時需考慮軟巖大變形段的處理措施。

當(dāng)盾構(gòu)在軟巖地層中掘進時，為了防止盾構(gòu)被卡等事故的發(fā)生，一般采取以下防治措施：①大多數(shù)盾構(gòu)主機的刀盤都采用偏心設(shè)計使其能形成橢圓形的開挖斷面，同時刀盤邊緣一般都安裝有擴挖刀，因而都可通過適當(dāng)超挖使盾殼與洞周開挖面的間隙盡量加大[5]，給圍巖變形預(yù)留足夠空間，保證管片安裝完成以前盾構(gòu)能順利掘進；②還可以適當(dāng)提高推進液壓缸壓力（由通常的9～12MPa提高到18～20MPa），使盾構(gòu)快速通過軟巖地層；當(dāng)一般的措施無法保證盾構(gòu)安全通過擠壓地層時，則應(yīng)采用超前注漿加固等措施提高圍巖的的整體性、承載能力和穩(wěn)定性[6]。

應(yīng)對軟巖變形的處置方法主要包括以下幾個方面：

（1）增大開挖斷面

工程實踐表明，在擠壓地層中適當(dāng)增加盾構(gòu)的擴挖量是首選的施工措施[8]。適當(dāng)增加盾構(gòu)的超挖量，增大護盾與圍巖間的空隙，一方面可使主機順利掘進，另一方面也給后期的管片安裝和圍巖加固等提供了條件，較大的空隙將更有利于豆礫石的吹填和灌漿。但過大的擴挖值會帶來較大的充填量，增大成本。因此需根據(jù)預(yù)估地層變形量，合理確定擴挖值。

（2）預(yù)留剛隙層

采用具有一定的空隙率、流動性和可壓縮性豆礫石對管片背后進行充填，當(dāng)圍巖變形量增大時，豆礫石受圍巖和管片挾制發(fā)生流動壓實，在這個過程中軟巖的變形能得到了一定的釋放，但傳遞到管片上的荷載較少；而當(dāng)變形量達到一定程度時，豆礫石很難被進一步壓實，此時圍巖的變形荷載便向管片上大量傳遞，管片則開始起到阻止圍巖進一步變形的作用，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整管片安裝的程序同樣能夠達到“預(yù)留剛隙層”支護技術(shù)的效果。

（3）徑向錨固

在常規(guī)拼裝管片后，主要采取設(shè)置系統(tǒng)中空注漿錨索、加固圍巖，限制圍巖變形過大，威脅管片襯砌結(jié)構(gòu)安全。設(shè)計應(yīng)針對不同級別圍巖軟巖變形段采取不同支護加強參數(shù)。

4 軟巖變形地段盾構(gòu)設(shè)備方案

4.1 軟巖變形地段盾構(gòu)的針對性設(shè)計

合理化布置盾體設(shè)備，縮短盾殼長度，易于設(shè)備快速通過軟巖變形地段；盾體設(shè)計為前大后小的階梯遞減形，減小盾體因軟巖變形卡機風(fēng)險，如圖4所示。刀盤開挖中心向上偏離盾體中心，保證掘進過程中盾構(gòu)有向上“抬頭”的趨勢。根據(jù)盾體結(jié)構(gòu)強度、主軸承承載和刀盤刀具布置，適當(dāng)增加推進系統(tǒng)推力，提高快速通過軟巖變形地段的能力。根據(jù)刀具布置和地層條件，適當(dāng)增加主驅(qū)動脫困扭矩，增在強軟巖變形地段坍塌卡刀盤的脫困能力。前盾底部設(shè)置千斤頂，中盾頂部設(shè)置穩(wěn)定器，強迫主機“抬頭”。設(shè)備配置特點如下：

（1）盾構(gòu)采用前大后小階梯遞減的設(shè)計，本工程中盾體由前盾、中盾、盾尾三部分組成，三者直徑相差15mm，有利于防止卡盾[7]；

（2）設(shè)計有盾構(gòu)掘進擴挖系統(tǒng)，通過刀具墊塊厚度的改變可以實現(xiàn)斜井巷道的擴挖，最大擴挖量為50mm；加上超挖值160mm，盾殼外圍巖間隙最大可達210mm[8]；

（3）盾構(gòu)配有適應(yīng)快速掘進及強制脫困的強大推進系統(tǒng)，推進油缸規(guī)格：230/200-2300，油缸數(shù)量15對+4根，頂部A組2對+4根油缸，兩側(cè)B、C組各4對油缸，底部D組5對油缸，額定總推力42378kN，最大總推力49442kN。

圖4 前盾穩(wěn)定器布置

4.2 盾構(gòu)超挖刀具的選型配置

目前，刀盤的超挖裝置主要有兩種形式——伸縮式超挖和邊滾刀加裝墊片超挖。伸縮式超挖裝置需要一個液壓系統(tǒng)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大，且刀具安裝方式為前裝式，若超挖刀具磨損后，前裝式安裝不易更換；加裝墊片超挖方式是通過在邊滾刀刀座上增加特制高度的墊片，從而改變邊滾刀的刀高，達到超挖目的，這種方式使用的刀具就是原有掘進滾刀，磨損后即可背部更換，使用方便。對比這兩種方式，由于盾構(gòu)刀盤開挖距離長，因此優(yōu)先采用邊滾刀加裝墊片形式實現(xiàn)超挖。

5 結(jié)論

以神華神東補連塔煤礦斜井工程為例，通過建立斜井盾構(gòu)掘進力學(xué)模型、斜井盾構(gòu)掘進圍巖變形塑性和卸荷區(qū)域分析、斜井盾構(gòu)掘進過程圍巖擾動強弱關(guān)系對軟巖變形規(guī)律進行研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過增大開挖面、預(yù)留剛隙層、徑向錨固等對斜井巷道進行有針對性的設(shè)計的方式作為應(yīng)對盾構(gòu)軟巖變形的處置方法；

（2）通過對盾構(gòu)前大后小的階梯遞減設(shè)計、設(shè)置掘進擴挖系統(tǒng)、強大的推進系統(tǒng)以及設(shè)置盾構(gòu)超挖刀具等盾構(gòu)設(shè)備選型的方案作為應(yīng)對盾構(gòu)軟巖變形的處置方法。

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U455.49

A

2095-2066（2016）35-0208-02

2016-11-2

楊俊哲（1964-），男，博士，教授級高工。