雙模盾構(gòu)穿越大埋深軟巖施工卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析及研究

孫峰梅

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 101300)

1 引言

在我國(guó)大規(guī)模工程建設(shè)過(guò)程中，地下工程蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了一系列深埋超長(zhǎng)隧道。而機(jī)械化程度高的盾構(gòu)/TBM法因其施工速度快、安全性高等因素而成為深埋長(zhǎng)大隧道施工的重要方法。當(dāng)盾構(gòu)/TBM在深埋隧道穿越軟弱地層時(shí)，將面臨圍巖大變形和盾構(gòu)機(jī)卡機(jī)的施工風(fēng)險(xiǎn)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍巖擠壓大變形及其導(dǎo)致的TBM卡機(jī)災(zāi)害占TBM重大事故的37%，是占比最大的地質(zhì)災(zāi)害[2-3]。

對(duì)于盾構(gòu)/TBM深埋隧道施工中的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，有許多學(xué)者和工程師進(jìn)行了相關(guān)研究。在對(duì)盾構(gòu)/TBM隧道卡機(jī)機(jī)理分析方面，劉泉聲等論述了深部復(fù)合地層圍巖與TBM隧道的相互作用機(jī)理和施工安全控制及評(píng)價(jià)決策問(wèn)題，分析了超千米深井巷道建設(shè)中TBM隧道卡機(jī)機(jī)理，即當(dāng)TBM的推力無(wú)法克服圍巖對(duì)護(hù)盾產(chǎn)生的摩擦阻力時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致TBM護(hù)盾被卡。同時(shí)，提出了一種監(jiān)測(cè)護(hù)盾變形的方案及護(hù)盾受力的計(jì)算方法，針對(duì)TBM的卡機(jī)狀態(tài)定義了四個(gè)等級(jí)并提出對(duì)應(yīng)的處理措施[4-6]。黃興等分析了TBM開挖卸荷后的圍巖擠壓大變形力學(xué)特性，定義了深埋隧道圍巖擠壓大變形概念及其臨界值，根據(jù)圍巖擠壓變形與開挖半徑間的比值和擠壓變形與擴(kuò)挖間隙的比值這兩個(gè)指標(biāo)將擠壓大變形劃分為五個(gè)等級(jí)。同時(shí)，基于圍巖流變本構(gòu)模型和TBM卡機(jī)事故預(yù)測(cè)分析理論，提出了擠壓大變形和卡機(jī)數(shù)值計(jì)算方法，并分析了TBM不同時(shí)長(zhǎng)停機(jī)狀態(tài)下的卡機(jī)行為[7]。溫森等考慮圍巖流變效應(yīng)，建立了停機(jī)和連續(xù)掘進(jìn)兩種狀態(tài)下TBM卡機(jī)狀態(tài)判斷模型，提出了預(yù)留變形和超前支護(hù)相結(jié)合時(shí)臨界超前支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算模型，進(jìn)行了TBM卡機(jī)控制措施的研究[8]。吳迪基于三維蠕變地層-盾殼-結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，模擬盾構(gòu)/TBM停機(jī)狀態(tài)下因圍巖流變而導(dǎo)致的卡機(jī)事故[9]。在盾構(gòu)/TBM卡機(jī)問(wèn)題處理方面，薛永慶介紹了引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞嶺北工程TBM穿越斷層破碎帶時(shí)刀盤和護(hù)盾發(fā)生卡機(jī)后的脫困技術(shù)[10]。王江分析了雙護(hù)盾TBM施工中三種常見(jiàn)卡機(jī)形式的原因，總結(jié)了五種卡機(jī)脫困的技術(shù)，提出雙護(hù)盾TBM卡機(jī)預(yù)防措施[11]。尚彥軍分析了昆明北部上公山隧道數(shù)次TBM卡機(jī)事故和護(hù)盾擠壓變形的典型實(shí)例，介紹了工程中采用的人工擴(kuò)挖旁洞、鋼拱架支撐和超前導(dǎo)洞等處理措施。景琦通過(guò)對(duì)敞開式TBM撐靴支撐力分析，提出了盾構(gòu)在軟弱圍巖中掘進(jìn)反力保障措施[12]。

如上調(diào)研可知，對(duì)于深埋軟巖地質(zhì)條件下的盾構(gòu)/TBM，卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)是重要的施工問(wèn)題。目前對(duì)TBM卡機(jī)問(wèn)題的研究較多，而對(duì)于深埋盾構(gòu)隧道施工卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的研究尚不多，且不同工程的軟巖地質(zhì)條件有很大差異。因此，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，針對(duì)隧道穿越炭質(zhì)板巖和砂巖軟弱地層條件，開展大埋深雙模式盾構(gòu)隧道施工卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析，并提出相應(yīng)的控制措施。

2 工程概況

廣佛環(huán)線廣州南站至白云機(jī)場(chǎng)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(zhǎng)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，主要采用盾構(gòu)法施工，建筑長(zhǎng)度6 804 m，盾構(gòu)隧道總長(zhǎng)6 144 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)，并預(yù)留內(nèi)襯施作空間。隧道外直徑8.8 m，襯砌管片厚400 mm，環(huán)寬1.8 m，采用“6＋1”分塊模式，管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。

隧址區(qū)多為丘陵與丘間谷地，屬丘陵地貌，地勢(shì)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(guò)130 m。且盾構(gòu)隧道長(zhǎng)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。工程采用單護(hù)盾TBM、土壓雙模盾構(gòu)掘進(jìn)施工，掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)換示意如圖1。圖中所標(biāo)1、2分別為雙模轉(zhuǎn)換口，是目前國(guó)內(nèi)首次采用單護(hù)盾TBM＋土壓平衡雙模大直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越大埋深巖層，設(shè)計(jì)與施工難度極大。

圖1 TBM與土壓平衡雙模盾構(gòu)機(jī)

3 盾構(gòu)卡機(jī)數(shù)值計(jì)算分析

為了預(yù)測(cè)不同埋深下東環(huán)隧道雙模式盾構(gòu)機(jī)在施工中的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，本文利用有限差分軟件FALC3D對(duì)盾構(gòu)施工行為進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 數(shù)值分析模型

3.1.1 模型建立

結(jié)合隧道的工程地質(zhì)特點(diǎn)，針對(duì)隧道全斷面穿越大埋深炭質(zhì)板巖地層工況進(jìn)行分析。炭質(zhì)板巖是一種典型的軟巖，其結(jié)構(gòu)呈層、片狀，膠結(jié)差、強(qiáng)度低，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(jī)極易發(fā)生卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。本文中將巖體視為各向同性等效連續(xù)介質(zhì)，但考慮炭質(zhì)板巖在大埋深高地應(yīng)力條件下的流變特性，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2為本文建立的計(jì)算模型。考慮數(shù)值計(jì)算的邊界效應(yīng)，模型的范圍為(100×72×100 m)；計(jì)算時(shí)僅考慮地層的自重應(yīng)力場(chǎng)，在模型x、y、z方向分別施加對(duì)應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力；在模型上表面施加垂直力模擬上部覆蓋巖體重力作用，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向位移約束條件。

圖2 三維模型

計(jì)算時(shí)管片襯砌采用實(shí)體單元模擬，針對(duì)盾構(gòu)超挖及壁后注漿等因素的作用，對(duì)其用等代層的方法進(jìn)行考慮；同時(shí)，為了有效模擬盾殼與圍巖的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，模型中采用liner結(jié)構(gòu)單元模擬盾殼。模型中盾殼、壁后間隙、超挖部分的位置關(guān)系如圖3所示，盾殼模擬的相關(guān)設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 模型斷面示意

表2 TBM護(hù)盾物理力學(xué)參數(shù)

3.1.2 模擬方法

圖4為東環(huán)隧道卡機(jī)分析模擬計(jì)算方法示意。首先不考慮盾構(gòu)隧道的開挖過(guò)程，一次性開挖隧道至模型中部，然后模擬盾殼、超挖部位、管片襯砌、壁后間隙的施作，最后計(jì)算分析在地應(yīng)力場(chǎng)作用下圍巖與盾殼的相互作用關(guān)系。

圖4 模擬開挖示意圖

3.1.3 計(jì)算工況

針對(duì)盾構(gòu)隧道埋深的差異，本文設(shè)置了5種計(jì)算工況，分別為H＝80 m、100 m、120 m、150 m 及200 m。通過(guò)分析各工況下圍巖的變形特征和盾殼的受力變形行為，判斷各工況下圍巖與盾構(gòu)的接觸-擠壓-摩擦相互作用關(guān)系，研究不同埋深條件下軟巖盾構(gòu)施工卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 卡機(jī)結(jié)果分析

3.2.1 無(wú)支護(hù)條件下圍巖變形分析

不考慮盾殼、管片襯砌和壁后注漿層對(duì)圍巖的支護(hù)作用，以拱頂位置處圍巖為研究對(duì)象，得到盾構(gòu)隧道開挖后其豎向變形曲線如圖5示。

圖5 無(wú)支護(hù)條件下圍巖豎向變形縱向剖面(LDP)曲線

由圖5可知，在無(wú)支護(hù)條件下洞周豎向位移較大，且隧道埋深越大圍巖豎向位移越大。當(dāng)埋深為200 m時(shí)，洞周圍巖最大豎向位移為37.2 mm，遠(yuǎn)大于盾構(gòu)開挖時(shí)通過(guò)擴(kuò)挖預(yù)留的變形間隙20 mm。因此圍巖勢(shì)必會(huì)與盾殼接觸，對(duì)盾殼產(chǎn)生一定的擠壓力并引起盾構(gòu)卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

相較于礦山法隧道，盾構(gòu)開挖時(shí)支護(hù)及時(shí)，限制了開挖引起的圍巖應(yīng)力釋放，隧道支護(hù)體系承受了較大的圍巖壓力。因此，現(xiàn)以如圖4所示設(shè)置的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，得到不同應(yīng)力釋放率下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向變形規(guī)律如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移

如圖6，對(duì)于洞周圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C，在不同埋深條件下隨巖體應(yīng)力釋放系數(shù)的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移逐漸變大，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)B位置處(盾殼尾部處)圍巖的豎向變形最大。隧道洞周拱頂位置處的圍巖豎向位移隨應(yīng)力釋放系數(shù)的變化規(guī)律說(shuō)明盾構(gòu)支護(hù)越及時(shí)，對(duì)圍巖的擾動(dòng)就越小，圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)越小，變形越小。

而對(duì)于盾構(gòu)隧道，由于盾殼、壁后注漿層、管片襯砌等支護(hù)體系在隧道開挖過(guò)程中施作及時(shí)，限制了圍巖的應(yīng)力釋放和變形，圍巖與盾殼直接接觸將圍巖荷載作用在盾殼上，對(duì)盾殼產(chǎn)生較大的擠壓力。同時(shí)，圖6的結(jié)果也表明對(duì)于盾構(gòu)/TBM隧道，開挖時(shí)應(yīng)合理設(shè)置超挖量，從而達(dá)到釋放圍巖壓力和減小盾殼所受壓力的作用。

3.2.2 圍巖與護(hù)盾相互作用分析

在實(shí)際盾構(gòu)開挖過(guò)程中，由于刀盤半徑大于盾殼半徑會(huì)產(chǎn)生超挖的現(xiàn)象，當(dāng)圍巖的徑向變形大于超挖間隙就會(huì)與盾殼接觸，圍巖變形荷載全部由盾殼承擔(dān)。本文僅模擬盾構(gòu)隧道一步開挖過(guò)程，圍巖荷載由盾殼、管片襯砌、壁后注漿層共同承擔(dān)。其中管片襯砌和壁后注漿層限制了圍巖變形，而在盾殼范圍內(nèi)由于超挖的存在，允許圍巖發(fā)生一定變形。如圖7所示為隧道開挖后盾殼范圍內(nèi)拱頂位置處圍巖豎向變形曲線。

圖7 有支護(hù)條件下圍巖豎向變形縱向剖面(LDP)曲線

對(duì)比圖5、圖7知，在有支護(hù)條件下圍巖與護(hù)盾的相互作用，拱頂位置豎向位移遠(yuǎn)小于無(wú)支護(hù)狀態(tài)下的值，說(shuō)明盾殼承擔(dān)一定比例的圍巖變形荷載。

不同埋深條件下圍巖與盾殼的變形情況見(jiàn)圖8。盾殼用liner單元模擬，其位移為正值時(shí)表示發(fā)生沉降變形，反之為負(fù)值時(shí)表明為隆起變形。由盾殼的豎向位移分布規(guī)律可知，由于受開挖面的空間效應(yīng)作用，豎向位移從盾殼前端到盾殼末端依次增大；而盾構(gòu)隧道開挖后洞周圍巖拱頂位置發(fā)生一定的沉降，拱底位置發(fā)生隆起，且在管片襯砌已支護(hù)位置處沿隧道縱向洞周圍巖的豎向位移差異性不大。

盾殼的變形越大，說(shuō)明其所受到的擠壓力作用越大。因此針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越深埋軟弱地層施工，應(yīng)注意因圍巖荷載引起的盾殼變形過(guò)大和擠壓作 用明顯而產(chǎn)生的卡機(jī)問(wèn)題。

圖8 不同埋深下圍巖與盾殼豎向位移

3.2.3 盾構(gòu)卡機(jī)判斷

在盾構(gòu)施工中，圍巖荷載作用在盾殼上而對(duì)其產(chǎn)生摩阻力作用，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)自身所能提供的最大推力不足無(wú)法克服圍巖對(duì)護(hù)盾產(chǎn)生的摩擦阻力時(shí)，將產(chǎn)生盾殼卡機(jī)問(wèn)題。參考已有的研究，現(xiàn)利用式(1)對(duì)盾構(gòu)卡機(jī)行為判斷。

上式中:Fr為克服盾殼所受摩阻力需要的推力，根據(jù)力平衡關(guān)系可知其在數(shù)值上等于盾殼所受到的摩阻力；Fb為機(jī)器正常連續(xù)掘進(jìn)開挖所需推力；F1為TBM推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的額定推力。利用FLAC3D軟件中的FISH語(yǔ)言得到Fr，相應(yīng)的計(jì)算方法如式(2)所示。

護(hù)盾所受摩檫力主要是由圍巖擠壓變形對(duì)盾殼產(chǎn)生的摩擦力Rfs和由于TBM自重產(chǎn)生的摩阻力fW。式中:R為盾殼直徑；Ps(y)為圍巖對(duì)盾殼的擠壓力，可從數(shù)值模擬結(jié)果盾殼結(jié)構(gòu)單元中獲取；f為圍巖與護(hù)盾間的摩擦系數(shù)；W為盾構(gòu)機(jī)的自重。

利用公式(1)和(2)對(duì)不同埋深條件下盾殼的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷，結(jié)果如圖9所示，其中為臨界護(hù)盾阻力閾值。

由圖9可知，隨著埋深的增大盾殼所受摩阻力也隨之增大，當(dāng)埋深超過(guò)100 m時(shí)盾殼受到的摩阻力將大于臨界阻力閾值，根據(jù)公式(1)可知在這種工況下會(huì)出現(xiàn)卡機(jī)情況。

4 盾構(gòu)卡機(jī)事故控制與處理

上述計(jì)算表明盾構(gòu)/TBM在深埋軟巖地質(zhì)條件開挖時(shí)，圍巖的變形超過(guò)了護(hù)盾與圍巖之間預(yù)留的超挖量，當(dāng)圍巖變形過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致卡機(jī)事故的發(fā)生，嚴(yán)重影響工期。對(duì)此，針對(duì)如何控制和處理卡機(jī)事故的發(fā)生，提出以下三點(diǎn)建議:

(1)超前支護(hù)

當(dāng)盾構(gòu)穿越深埋軟弱巖層時(shí)，對(duì)隧道前方圍巖進(jìn)行超前支護(hù)，提高圍巖強(qiáng)度，減小盾構(gòu)開挖時(shí)的圍巖變形，從而避免盾構(gòu)卡機(jī)行為的發(fā)生。常采用的超前支護(hù)措施有超前錨固、超前灌漿和凍結(jié)法等。其中在已破壞了的硬巖以及軟巖中多采用超前錨桿支護(hù)方法；在裂隙和松散破碎的巖層中多采用超前灌漿法；在滲透性強(qiáng)、可灌性差的沖積地層中可選擇人工凍結(jié)法。

(2)選擇合適的盾構(gòu)機(jī)型

盾構(gòu)開挖時(shí)由于超挖量的存在而形成圍巖的預(yù)留變形空間，使圍巖得到一定程度的應(yīng)力釋放而發(fā)生變形。當(dāng)圍巖的徑向變形大于超挖間隙時(shí)會(huì)對(duì)盾殼產(chǎn)生擠壓作用，而施加在盾殼上的荷載與超挖間隙有關(guān)。超挖間隙越大，盾殼荷載越小，盾構(gòu)機(jī)需要克服的摩擦力也大為減小，卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)越小。而對(duì)于盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)機(jī)型決定了超挖間隙的大小。因此針對(duì)盾構(gòu)穿越大埋深軟弱地層掘進(jìn)施工，應(yīng)選擇合適的盾構(gòu)機(jī)型，預(yù)留圍巖變形空間，減小施工卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

(3)圍巖擴(kuò)挖

當(dāng)施工中出現(xiàn)盾構(gòu)卡機(jī)的問(wèn)題而無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)圍巖擴(kuò)挖的方法迅速釋放盾殼上的圍巖壓力，使盾構(gòu)盡快運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，以防圍巖再次產(chǎn)生大的變形。圍巖擴(kuò)挖方法及原理如圖10所示。

圖10 圍巖擴(kuò)挖原理示意

對(duì)圍巖進(jìn)行擴(kuò)挖時(shí)，首先通過(guò)化學(xué)注漿對(duì)圍巖進(jìn)行加固，待注漿凝固后盡快在盾殼兩側(cè)開挖以釋放圍巖壓力，使盾構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)以盡快地通過(guò)。而如果圍巖條件很差，作用在盾殼上的擠壓力很大，則需要采用先開導(dǎo)洞再擴(kuò)挖的方案對(duì)卡機(jī)問(wèn)題進(jìn)行處理，即先進(jìn)行注漿加固，再拆除一定數(shù)量的管片作為輔助導(dǎo)洞進(jìn)口，然后開挖一條通道至盾構(gòu)掌子面，逐步在盾殼外側(cè)位置處進(jìn)行人工擴(kuò)挖，以達(dá)到釋放圍巖壓力的作用。

5 結(jié)論

本文針對(duì)廣佛環(huán)線東環(huán)隧道工程項(xiàng)目，對(duì)不同埋深下雙模式盾構(gòu)機(jī)在施工中的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并探討了深埋雙模式盾構(gòu)隧道施工卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的控制與處理措施，得到結(jié)論如下:

(1)隨著埋深的增加盾構(gòu)機(jī)開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)也隨之增大，作用在盾殼上的法向應(yīng)力也越大，導(dǎo)致摩擦力越大，卡機(jī)事故發(fā)生的概率增加。

(2)對(duì)于盾構(gòu)隧道的開挖，土體主要是一個(gè)卸荷過(guò)程。本文通過(guò)監(jiān)測(cè)三個(gè)點(diǎn)位在不同應(yīng)力釋放系數(shù)下的豎向位移得出支護(hù)越及時(shí)圍巖對(duì)盾殼的擠壓作用就越大，就越容易出現(xiàn)卡機(jī)的情況。

(3)針對(duì)大埋深雙模式盾構(gòu)施工的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，可以從超前支護(hù)、選擇合適盾構(gòu)機(jī)型、圍巖擴(kuò)挖三個(gè)方面進(jìn)行控制和處理。