大埋深巖層雙模盾構(gòu)施工力學(xué)響應(yīng)分析

王永文

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 北京 101300)

1 引言

在我國大規(guī)模地下工程建設(shè)過程中，盾構(gòu)工法憑借其施工安全、掘進(jìn)速度快、復(fù)雜地層適應(yīng)性強(qiáng)、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，成為了城市地鐵和大型水下鐵路、公路隧道的主要施工方法[1-2]。

盾構(gòu)隧道不可避免會對圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，而管片襯砌作為盾構(gòu)隧道的主要承載體會承擔(dān)一定的圍巖壓力。針對盾構(gòu)隧道施工中的力學(xué)影響，一系列學(xué)者和工程人員開展了相關(guān)的研究。針對雙線盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道之間的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)問題，吳文濤、劉軍、王士民等對不同施工工況下的盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中管片的力學(xué)行為進(jìn)行了相關(guān)研究[3-5]；張恒等通過現(xiàn)場測試的手段分析了盾構(gòu)近接樁基施工時(shí)的管片襯砌力學(xué)特性[6]；黃珂利用數(shù)值模擬方法分析了某地鐵盾構(gòu)隧道穿越巖溶填充區(qū)的受力情況[7]；焦齊柱等采用有限元分析方法，分析了盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)在常見的K塊擠入、壁后注漿缺陷、環(huán)面不平整、盾構(gòu)糾偏或曲線推進(jìn)等不利工況下的受力特征[8]；郭俊研究了泥炭質(zhì)土地層條件下盾構(gòu)隧道管片襯砌的內(nèi)力分布規(guī)律，分析了在泥炭質(zhì)土不同擾動(dòng)程度下的隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)行為[9]；吳應(yīng)明等通過建立考慮管片環(huán)間接頭非線性特征的三維計(jì)算模型分析了盾構(gòu)隧道近接下穿施工對既有隧道的影響，并基于彈性鉸接圓環(huán)模型和隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)理論計(jì)算方法對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較[10]；李宇杰等建立了盾構(gòu)管片及彎曲螺栓的三維非連續(xù)介質(zhì)模型，分析了盾構(gòu)管片在實(shí)際荷載作用下的受力與變形情況[11]。

而隨著地下空間工程的發(fā)展，盾構(gòu)法在深部巖體隧道施工中的應(yīng)用逐漸增多，大埋深條件伴隨高地應(yīng)力場空間，在此作用下的盾構(gòu)隧道施工階段力學(xué)行為值得進(jìn)一步探討。因此，本文以廣佛環(huán)線東環(huán)隧道為研究對象，建立盾構(gòu)施工精細(xì)化分析模型，對大埋深條件下雙模盾構(gòu)施工圍巖擾動(dòng)特征和管片襯砌力學(xué)行為進(jìn)行分析。

2 工程概況

廣佛環(huán)線廣州南站至白云機(jī)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46.7 km。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6 804 m，區(qū)間盾構(gòu)隧道總長5 987 m。盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)采用單層裝配式通用管片環(huán)，管片襯砌橫斷面設(shè)計(jì)如圖1所示。其中管片襯砌外直徑8.8 m，厚度0.4 m，幅寬1.6 m，采用“6＋1”分塊模式，管片混凝土強(qiáng)度等級為C50。

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21～135 m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超過130 m。且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，圍巖風(fēng)化程度高、強(qiáng)度差異較大、滲透性差異顯著，工程中采用單護(hù)盾TBM＋土壓雙?；旌隙軜?gòu)掘進(jìn)施工。東環(huán)隧道是目前國內(nèi)首次采用單護(hù)盾TBM＋土壓平衡雙模大直徑盾構(gòu)長距離穿越大埋深巖層的隧道工程，設(shè)計(jì)與施工難度極大。其隧道地質(zhì)縱斷面如圖2(左線)。

圖1 管片襯砌橫斷面

圖2 隧道地質(zhì)縱斷面

3 數(shù)值分析模型

結(jié)合該工程實(shí)際情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析大埋深雙模式盾構(gòu)隧道施工力學(xué)特征。

3.1 數(shù)值模型

針對東環(huán)隧道的工程地質(zhì)特點(diǎn)，本文選取了大埋深隧道全斷面穿越炭質(zhì)板巖地層的工況進(jìn)行分析。采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖3 三維模型

圖3為本文建立的計(jì)算模型。其中考慮到力學(xué)邊界條件，計(jì)算模型在隧道左右取約5倍洞徑長度，隧道上下側(cè)皆取約5倍半徑，基本可消除模型邊界效應(yīng)對研究區(qū)域的影響，建立模型范圍為100 m×72 m×100 m。計(jì)算時(shí)僅考慮地層的自重應(yīng)力場，并在模型x、y、z方向分別施加了對應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力。同時(shí)，在模型頂面施加垂直應(yīng)力模擬上部覆蓋巖體的重力作用，模擬大埋深下的初始應(yīng)力狀態(tài)；模型四周和底部分別施加法向位移約束。

采用實(shí)體單元模擬管片襯砌，考慮盾構(gòu)超挖及壁后注漿等因素，根據(jù)張?jiān)芠12]等研究，將盾尾間隙施作等代層模擬；為了有效模擬盾殼與圍巖的相對運(yùn)動(dòng)，模型中采用liner結(jié)構(gòu)單元模擬盾殼。模型中各部分位置關(guān)系如圖4所示，盾殼模擬的相關(guān)設(shè)置參數(shù)如表2所示。

圖4 模型斷面示意圖

表2 TBM護(hù)盾物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬方法

三維有限元模擬盾構(gòu)施工的計(jì)算流程如圖5所示。

圖5 模擬盾構(gòu)施工計(jì)算流程

(1)按照應(yīng)力和位移邊界條件計(jì)算地層初始應(yīng)力。

(2)開挖15 m，將盾構(gòu)機(jī)通過liner單元施加入模型內(nèi)，并進(jìn)行求解計(jì)算。

(3)進(jìn)行盾構(gòu)隧道的循環(huán)開挖模擬。其中每步首先模擬開挖一環(huán)管片長度，然后模擬盾殼、超挖間隙、管片襯砌、壁后間隙的施工，求解當(dāng)前步，并判斷隧道是否開挖完成。

(4)重復(fù)第3步直到隧道模擬開挖完成。

4 計(jì)算結(jié)果分析

為了得到上述開挖過程中隧道圍巖-管片襯砌的應(yīng)力、位移等分布特征，在計(jì)算模型中沿隧道軸線分別在y＝30 m、50 m和70 m處設(shè)定三個(gè)監(jiān)測斷面，以分析圍巖的擾動(dòng)情況。

4.1 圍巖擾動(dòng)行為分析

在隧道模擬開挖過程中，設(shè)定的三個(gè)監(jiān)測斷面拱頂和拱底位置處圍巖豎向位移的變化規(guī)律如圖6和圖7所示。

圖6 拱底圍巖位移時(shí)程圖

圖7 拱頂圍巖位移時(shí)程圖

由圖可知，隧道開挖過程中三個(gè)監(jiān)測斷面處拱頂和拱底位置巖體的豎向位移時(shí)程變化規(guī)律基本相同。變形主要發(fā)生在隧道開挖至監(jiān)測斷面前后的一定范圍內(nèi)，即當(dāng)隧道開挖至距監(jiān)測斷面約7.2 m位置時(shí)圍巖開始發(fā)生一定的變形，當(dāng)隧道開挖至監(jiān)測斷面時(shí)圍巖位移發(fā)生突變，隨著隧道開挖面遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面，圍巖位移變化量逐漸趨于穩(wěn)定。并且各監(jiān)測斷面拱頂和拱底的位移隨開挖面的遠(yuǎn)離都趨于相近的數(shù)值，其中拱底趨于9.1 mm、拱頂趨于-10.3 mm。

圖8為隧道模擬開挖至不同監(jiān)測斷面時(shí)圍巖應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出，隧道開挖引起的圍巖應(yīng)力變化明顯，在隧道中心軸的頂部和底部出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是在掌子面的頂部和底部應(yīng)力達(dá)到很高的值，這是由于在盾構(gòu)開挖過程中，對盾構(gòu)機(jī)施加向前的推進(jìn)力比較大造成的，但這一應(yīng)力集中情況會隨著盾構(gòu)的開挖而逐漸變緩。

圖8 圍巖主應(yīng)力云圖

4.2 管片變形分析

圖9為隧道模擬開挖完成后管片襯砌的變形云圖?？芍趪鷰r壓力作用下管片變形以環(huán)向壓縮為主，即隧道拱頂發(fā)生沉降變形、拱底發(fā)生隆起變形、拱腰發(fā)生收斂變形。三個(gè)監(jiān)測斷面處管片襯砌拱頂位置沉降值分別為0.622 mm、0.487 mm、0.421 mm；拱底位置隆起值分別為0.253 mm、0.341 mm、0.269 mm；拱腰收斂值分別為0.345 mm、0.347 mm、0.311 mm，即沿隧道軸線方向管片襯砌的變形有一定的差異。因此在深埋盾構(gòu)隧道施工中，應(yīng)注意防止管片錯(cuò)臺問題的發(fā)生。而從管片襯砌的位移變化量值上來看，在該工程中隧道管片襯砌的整體變形較小。

圖9 監(jiān)測斷面處管片豎向和水平位移云圖

同時(shí)，以y＝45 m處的管片襯砌拱頂、拱底位置為研究對象，得到管片襯砌豎向變形在隧道開挖過程中的變化規(guī)律如圖10所示。由圖10可知，管片在拼裝完成后的一段距離內(nèi)徑向位移增加明顯，但其變化量從開挖到開挖完成逐漸減小，其原因是圍巖變形穩(wěn)定，對管片的擠壓作用逐漸減小。

圖10 y＝45 m處管片沿縱向位移變化規(guī)律

4.3 管片受力分析

圖11為隧道模擬開挖完成后各監(jiān)測斷面管片襯砌的主應(yīng)力云圖。由圖可知，管片襯砌的最大主應(yīng)力發(fā)生在拱頂位置處，即拱頂處于較大的受壓狀態(tài)且危險(xiǎn)性較大；管片襯砌的最小主應(yīng)力最大值發(fā)生在其拱腳位置處，即在拱腳位置處發(fā)生了明顯的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此處危險(xiǎn)性較大。比較圍巖的應(yīng)力分布和管片襯砌的變形分布規(guī)律，可知圍巖的應(yīng)力集中與管片位移的分布規(guī)律相符合。

圖11 監(jiān)測斷面處管片主應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

本文針對廣佛環(huán)線東環(huán)隧道工程項(xiàng)目，利用數(shù)值模擬方法對大埋深條件下盾構(gòu)隧道的施工力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到的結(jié)論如下:

(1)盾構(gòu)隧道開挖施工對圍巖的擾動(dòng)集中在隧道開挖至監(jiān)測斷面前后的一定范圍內(nèi)，沿隧道軸線不同位置處巖體受擾動(dòng)程度相近。

(2)在圍巖壓力作用下，深埋盾構(gòu)隧道管片襯砌拱頂部分受力相對較大，而拱腰部分受力較小。因此在施工以及運(yùn)營過程應(yīng)著重關(guān)注隧道拱頂部分受力，適當(dāng)加強(qiáng)拱頂管片的強(qiáng)度。

(3)管片襯砌的位移隨著圍巖變形的穩(wěn)定而逐漸收斂，沿隧道軸線方向管片襯砌的變形有一定的差異。因此在深埋盾構(gòu)隧道施工中，應(yīng)注意防止管片錯(cuò)臺問題的發(fā)生。