斷層破碎帶中泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)優(yōu)化研究

姜克寒，劉邦，秦坤元，周濤

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

泥水倉泥漿壓力、盾構(gòu)掘進注漿壓力及掘進速度等是保證隧道安全、高效施工的關(guān)鍵。為確保泥水盾構(gòu)的使用性能，研究泥水盾構(gòu)參數(shù)對地層變形十分必要。施工參數(shù)的選取會對土層的損失產(chǎn)生很大的影響，因此，需對施工參數(shù)進行嚴格控制和合理選取。目前，針對盾構(gòu)掘進參數(shù)優(yōu)化控制的研究主要集中在2 個方面：①在不同地質(zhì)條件下，不同掘進參數(shù)對圍巖變形的影響；②在掘進參數(shù)的優(yōu)化措施及方法研究。張健[1]等人研究了盾構(gòu)隧道施工時，地層深度和注漿壓力等對地層變形的影響。魏綱[2]等人基于Mindlin 解對盾構(gòu)造成的地表沉降進行了計算。唐曉武[3]在此基礎(chǔ)上，補充了刀盤摩擦造成地表沉降的計算公式。張潤峰[4?5]等人通過工程實踐，得到了不同盾構(gòu)隧道的實測掘進參數(shù)，并對其影響因素和工程措施進行了分析。余志剛[6]等人研究了泥質(zhì)粉砂巖地層條件下，泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)的變化規(guī)律，并進行了關(guān)聯(lián)性分析。李超[7]等人采用BP(Back Propagation，簡稱為BP)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了復(fù)合地層條件下，盾構(gòu)掘進參數(shù)的預(yù)測模型。鄭剛[8]等人在分析盾構(gòu)掘進參數(shù)和對周圍地層影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)參數(shù)對地層變形的影響程度進行排序，并且針對參數(shù)提出相應(yīng)的控制措施。凌同華[9]等人研究不同循環(huán)進尺對斷層段盾構(gòu)隧道施工的影響，并進行驗證和優(yōu)化。朱合華[10]等人通過數(shù)值模擬等方法，研究了不同推進速度及不同螺旋機轉(zhuǎn)速等情況下，施工參數(shù)對地層變形的影響。張恒[11?13]等人針對泥水倉泥漿壓力和盾尾注漿2 個參數(shù)，將盾構(gòu)施工對地層變形的影響進行了詳細的分析。周文波[14]等人采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了盾構(gòu)掘進參數(shù)的變形預(yù)測數(shù)學(xué)模型。杜鵑[15]等人基于層次聚類，提出了地下隧道施工中地表沉降致險因素的聚類機制。部分研究成果對盾構(gòu)隧道施工的掘進參數(shù)進行了優(yōu)化研究，但是對優(yōu)化施工主要參數(shù)的研究鮮見。因此，本研究依托長沙地鐵 6 號線六溝垅-文昌閣(六文)區(qū)間左、右線下穿湘江泥水盾構(gòu)隧道，穿越F085 主斷層破碎帶地層的盾構(gòu)隧道施工。擬通過Midas/GTS NX 軟件對其開挖進行模擬，對施工參數(shù)進行優(yōu)化數(shù)值計算，得到地表豎向變形圖和沉降槽分布曲線，分析不同參數(shù)對地層變形沉降的影響，獲得最適宜的掘進參數(shù)，以期為類似工程施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

長沙地鐵6 號線六文區(qū)間左、右線下穿湘江斷層破碎帶地層隧道工程。本區(qū)間隧道YDK29+184～YCK29+556 穿越F085 主斷裂(372 m)，YDK28+920～YDK29+184(264 m)和YDK29+556～YDK29+660(104 m)穿越F085 分支斷裂及斷裂影響帶，穿越斷裂及斷裂影響帶范圍為740 m。斷裂帶巖性為構(gòu)造角礫巖和碎裂巖等，母巖為板巖和泥質(zhì)板巖等。具有重新膠結(jié)現(xiàn)象，膠結(jié)極差，巖石強度極低。巖芯呈半巖半土狀。巖體呈角礫結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)及碎裂結(jié)構(gòu)等，完整性極差，穩(wěn)定性差。根據(jù)鴨子鋪隧道鉆孔ZK1-358 的資料，碎裂巖為灰色，巖芯呈碎屑狀。巖石質(zhì)量指標RQD=0，巖石質(zhì)量極差。巖體完整性指數(shù)為0.09～0.13 m，巖體極破碎，基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。巖石天然單軸抗壓強度平均為1.6 MPa。

湘江段F085 斷裂帶，與隧道軸線大角度相交，寬度約300 m，傾向東，傾角約80°，附近存在不明次生斷裂、軟弱夾層及裂隙，與湘江水體貫通，股狀地下水會產(chǎn)生涌出或突涌的可能，故該地段掘進是本工程的難點。區(qū)間盾構(gòu)隧道地層條件、尺寸及隧道位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 地層條件剖面Fig. 1 Section profile of the formation coudition

2 掘進參數(shù)優(yōu)化模型

根據(jù)現(xiàn)場盾構(gòu)施工的工藝流程，通過Midas/GTS NX 軟件對其開挖進行模擬。為確保充分考慮盾構(gòu)開挖的影響范圍，且消除模型邊界效應(yīng)。根據(jù)實際工程現(xiàn)場條件，確定模型邊界范圍，以隧道開挖為中心點，取3～5 倍開挖洞徑，X,Y,Z方向分別取80,80,60 m。取湘江水位深度為9.8 m 位置，從上往下分別為：卵石和斷層破碎帶地層。土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用修正摩爾-庫倫準則。3D 有限元數(shù)值模型如圖2～5 所示。

圖2 有限元模型整體Fig. 2 Overall diagram of the finite element model

圖3 長沙地鐵6 號線主線位置關(guān)系Fig. 3 Structure mutual position relation of Changsha MetroLine 6

圖4 泥水倉壓力示意Fig. 4 The mud silo pressure schematic

圖5 注漿壓力示意Fig. 5 The schematic of grouting pressure

模型中采用的所有參數(shù)，均根據(jù)地質(zhì)勘探報告及相關(guān)設(shè)計資料獲取，本模型采用的地層及主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。為使各施工參數(shù)對地層的影響更為突出，模擬施工過程中，不考慮右線的變形，僅比較 6 號線左線施工的模擬結(jié)果。模擬工況參數(shù)見表2。

2.1 盾構(gòu)掘進泥水倉壓力

在泥水加壓式盾構(gòu)工法中，通過在刀盤后方泥水倉內(nèi)，注入泥漿，在泥水倉內(nèi)形成一定大小的泥漿壓力，作用在隧道開挖掌子面上，與掌子面處的水土壓力保持平衡，保障隧道掌子面土體的穩(wěn)定性。選取泥水倉泥漿壓力分別為 150,200,250,300 kPa4 種施工工況，進行該區(qū)間施工的模擬。

表1 模型地層參數(shù)Table 1 Formation parameters of the model

表2 模擬工況參數(shù)Table 2 Simulated operating parameters

不同泥水倉泥漿壓力作用下，隧道左線施工過程中，對應(yīng)隧道軸線位置的地表豎向變形如圖6 所示。

從圖6 中可以看出，在盾構(gòu)隧道左線施工過程中，引起對應(yīng)隧道軸線位置的地表豎向變形較大。由于泥水倉泥漿壓力較大時，隧道掌子面前方土體的沉降值要小于低泥水倉泥漿壓力時的。表明：泥水倉泥漿壓力可以控制掌子面前方土體沉降變形，但盾構(gòu)機繼續(xù)向前推進，泥水倉泥漿壓力較大時，會對開挖地層產(chǎn)生較大的擾動，最大沉降值隨著泥漿壓力的增大而增加。當泥水倉泥漿壓力分別為150,200,250,300 kPa 時，對應(yīng)左線隧道軸線位置的地表最大沉降變形值依次為：11.46,11.69,11.77,11.93 mm。因此，結(jié)合有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果，該區(qū)間泥水倉泥漿壓力設(shè)置為250 kPa 較為合適。

圖6 不同泥水倉壓力下的地表豎向變形Fig. 6 Vertical deformation of surface at different mud silo pressure

2.2 盾構(gòu)掘進注漿壓力

選取注漿壓力分別為150,200,250,300 kPa 4 種施工工況，對該區(qū)間盾構(gòu)施工注漿壓力參數(shù)的取值進行優(yōu)化。不同注漿壓力作用下，隧道左線施工完成后，地表豎向變形如圖7 所示。

從圖7 可以看出，當選取盾構(gòu)掘進注漿壓力分別為150,200,250,300 kPa 4 種施工工況，進行了模擬，最大地表豎向變形值依次為：12.89,12.86,12.83,12.80 mm。表明：地表最大變形值隨注漿壓力的增大而減小，但變化幅度較小。結(jié)合現(xiàn)場的地層條件，參考類似長沙區(qū)域盾構(gòu)經(jīng)驗，將該區(qū)間內(nèi)的注漿壓力設(shè)置為250 kPa 較為合適。

2.3 盾構(gòu)掘進速度

選取盾構(gòu)掘進速度分別為10,20,30,40 mm/min 4 種施工工況，對該區(qū)間斷層破碎帶地層盾構(gòu)施工掘進速度參數(shù)的取值進行優(yōu)化分析。在不同的盾構(gòu)掘進速度下，隧道左線施工完成后，垂直隧道軸線方向的地表沉降槽分布曲線如圖8 所示。

圖7 各注漿壓力下的地表豎向變形Fig. 7 Vertical deformation of the surface at different of grouting pressure

圖8 各掘進速度下的地表沉降槽沉降變形Fig. 8 Surface sink distribution curve at different driving speed

從圖8 中可以看出，當盾構(gòu)掘進速度分別為10,20,30,40 mm/min 時，地表沉降槽最大沉降變形值依次為：11.51,11.92,12.39,12.95 mm。因此，盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)掘進速度越大，地層所受擾動程度和地表最大沉降值越大。該區(qū)間盾構(gòu)穿越斷層破碎帶，巖體破碎，滲透性強，掘進速度的影響較大。需選擇合適的盾構(gòu)掘進速度，使得泥水平衡盾構(gòu)掘進過程中，刀盤開挖系統(tǒng)、泥水倉泥漿環(huán)流系統(tǒng)、盾構(gòu)機千斤頂推力系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、渣土輸送系統(tǒng)及渣土改良系統(tǒng)等完美結(jié)合，共同保持動態(tài)平衡，實現(xiàn)盾構(gòu)隧道安全經(jīng)濟高效的施工。所以，根據(jù)本模型的計算結(jié)果和現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察報告及類似盾構(gòu)施工工程的資料分析，將該區(qū)間的掘進速度設(shè)定為20 mm/min 為宜。

3 結(jié)論

依托長沙地鐵 6 號線六文區(qū)間左、右線下穿湘江泥水盾構(gòu)隧道，穿越斷層破碎帶的施工工程。通過Midas/GTS NX 軟件，對其開挖進行模擬,得到的結(jié)論為：

1) 泥水倉泥漿壓力較大時，隧道掌子面前方土體的沉降值要小于低泥水倉泥漿壓力時的。表明：泥水倉泥漿壓力可以控制掌子面前方土體沉降變形。但隨著盾構(gòu)機繼續(xù)向前推進，過大泥水倉壓力會對開挖地層產(chǎn)生較大的擾動，從而導(dǎo)致沉降變形增大。

2) 增大注漿壓力，地表豎向變形會有所減小，但對地層的最終變形值影響不大。

3) 盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)掘進速度越大，地層所受擾動程度和地表最大沉降值也越大。所以需控制盾構(gòu)掘進速度為最優(yōu)掘進速度，以實現(xiàn)盾構(gòu)隧道安全經(jīng)濟高效的施工。

4) 該工程泥水倉壓力取250 kPa，注漿壓力取250 kPa，掘進速度取20 mm/min?？蔀轭愃乒こ檀┰綌鄬悠扑閹У囟味軜?gòu)工程提供指導(dǎo)。