盾構(gòu)穿越突變地質(zhì)文獻(xiàn)研究綜述

于 超 鄭東勝 田忠喜 張傳帥 邢 帥

Research 研究探討

盾構(gòu)穿越突變地質(zhì)文獻(xiàn)研究綜述

于 超1鄭東勝2田忠喜1張傳帥1邢 帥1

（1.聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000； 2.山東聊城第四建設(shè)有限公司，山東 聊城 252000）

為緩解城市發(fā)展帶來(lái)的交通堵塞問(wèn)題，城市的地鐵建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。盾構(gòu)作為地鐵修建技術(shù)中的一項(xiàng)重要的技術(shù)，在穿越突變地質(zhì)時(shí)具有很大優(yōu)勢(shì)，但在盾構(gòu)穿越突變地質(zhì)的過(guò)程中，可能會(huì)造成地面的沉降或隆起、開(kāi)挖面的失穩(wěn)破壞、基巖突起等工程問(wèn)題，給周?chē)扔薪ㄖ锘蚴姓芫€帶來(lái)不利影響，甚至?xí)斐蓢?yán)重的事故。本文從突變地層的穩(wěn)定性、開(kāi)挖面的失穩(wěn)機(jī)理、地表沉降規(guī)律及盾構(gòu)過(guò)程中所遇到的工程問(wèn)題等方面出發(fā)，總結(jié)了在突變地質(zhì)條件下進(jìn)行盾構(gòu)時(shí)所遇到的工程難題以及所運(yùn)用的方法和技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了綜合的分析和系統(tǒng)的論述。

隧道施工；盾構(gòu)法；突變地質(zhì)

0 引言

盾構(gòu)法是在隧道施工中以盾構(gòu)為核心的施工方法，有效地減少了機(jī)械施工過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)、避免了地層的大幅沉降和對(duì)周?chē)h(huán)境造成的污染等不利因素。但是在突變地質(zhì)環(huán)境下，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在盾構(gòu)過(guò)程中的推進(jìn)阻力會(huì)發(fā)生劇變，如果不能及時(shí)平衡開(kāi)挖面的支護(hù)壓力，可能會(huì)使盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生偏移，導(dǎo)致掌子面前方土壓失穩(wěn)，引起圍巖或地層的較大變形，甚至?xí)斐傻乇硖?，?yán)重影響著既有建筑物或管線的安全。

1 盾構(gòu)穿越突變地層穩(wěn)定性分析

在突變地層進(jìn)行盾構(gòu)施工的過(guò)程中，如何有效的控制地層的穩(wěn)定性是工程界一直關(guān)注的焦點(diǎn)。竺維彬[1]指出，突變地層發(fā)生劇烈變形主要是因?yàn)榇┰竭^(guò)程中掘進(jìn)參數(shù)和開(kāi)挖推力波動(dòng)較大，導(dǎo)致掘進(jìn)速度急劇下降，不得不通過(guò)出渣換取掘進(jìn)速度，最終造成開(kāi)挖面前方地層坍塌。為解決這個(gè)工程問(wèn)題，胡鷹志[2]探尋了一種新的加固方式，在突變地質(zhì)條件下可以安全、有效、快速的完成土體加固，有效地控制了地層的穩(wěn)定性，從而確保了盾構(gòu)機(jī)常壓開(kāi)倉(cāng)修復(fù)中心回轉(zhuǎn)體的安全性和可靠性。田瑞忠[3]分析了突變地質(zhì)環(huán)境下盾構(gòu)姿態(tài)超限的原因，并且提出了姿態(tài)控制方法以及糾偏方案。史海波[4]分析了盾構(gòu)穿越突變地層時(shí)的不良影響，并針對(duì)不良影響提出了上部砂性土加固，合理設(shè)置參數(shù)等技術(shù)措施。

上述研究成果對(duì)盾構(gòu)穿越突變地層的穩(wěn)定性有著重要的指導(dǎo)意義，但是大多從盾構(gòu)技術(shù)及隧道設(shè)計(jì)角度出發(fā)，并沒(méi)有進(jìn)行地質(zhì)界面破壞特征、界面失穩(wěn)機(jī)制以及參數(shù)敏感性等方面的研究。而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的不同地質(zhì)界面穩(wěn)定性的研究一般存在于礦山煤炭組合體之中，與突變地質(zhì)界面的破壞機(jī)制差異較大。

2 盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性分析

開(kāi)挖面失穩(wěn)是盾構(gòu)施工中最常見(jiàn)的問(wèn)題，也是危害最大的工程問(wèn)題之一。當(dāng)盾構(gòu)穿越突變地層時(shí)，由于土壓力的平衡很難建立，導(dǎo)致掌子面上的土壓力過(guò)低，致使出土量增大，地層過(guò)度損失，最終引起地表坍塌。

為了分析開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，潘建立[5]采用了有限差分?jǐn)?shù)值軟件進(jìn)行了開(kāi)挖過(guò)程中開(kāi)挖面應(yīng)力的釋放，并且分析了不同程度的應(yīng)力釋放對(duì)開(kāi)挖面的影響。李險(xiǎn)峰[6]運(yùn)用了有限拆分法對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，用得到的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，揭示了開(kāi)挖面的中心位移Y與地表變形累計(jì)值S之間的線性關(guān)系，為突變地層開(kāi)挖面穩(wěn)定性的監(jiān)控提供了新的方法和思路。王國(guó)富[7]在筒倉(cāng)理論的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)關(guān)于曲面開(kāi)挖面的極限平衡模型，并且推導(dǎo)了開(kāi)挖面極限支護(hù)力的計(jì)算公式，為曲線隧道施工中支護(hù)以及開(kāi)挖面的穩(wěn)定性提供了理論指導(dǎo)?？弟荹8]運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，研究了地層變形的原因，最終確定了穩(wěn)定開(kāi)挖的極限支護(hù)力。李?yuàn)W[9]等基于數(shù)值模擬的失穩(wěn)形態(tài)和開(kāi)挖面模型試驗(yàn)，建立了新的棱柱鍥形體模型，優(yōu)化了開(kāi)挖面穩(wěn)定性的分析方法。張孟喜[10]采用PFC2D模擬了盾構(gòu)隧道的正交下穿施工，分析了開(kāi)挖面塌陷失穩(wěn)的破壞模式，并探索了沿開(kāi)挖縱向開(kāi)挖塌陷失穩(wěn)的規(guī)律。何小輝[11]等通過(guò)建立數(shù)值分析模型，研究了突變地層的隧道變形特征，得出了拱底變形主要與基巖的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

以上研究成果從數(shù)值模擬技術(shù)出發(fā)，為今后開(kāi)挖面穩(wěn)定性的分析提供了大量的計(jì)算模型，而對(duì)土體穩(wěn)定性參數(shù)分析缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)研究。程紅戰(zhàn)[12]考慮到了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)具有空間變異性，并在理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用了協(xié)方差矩陣分解法建立了一個(gè)三維隨機(jī)場(chǎng)模型，最后運(yùn)用概率分析法進(jìn)行了極限支護(hù)力特征值的選取。邱龑[13]利用數(shù)值模擬建立了富水砂層隧道三維模型，提出了一種新的關(guān)于穩(wěn)定系數(shù)開(kāi)挖面失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的分析方法，可用來(lái)對(duì)富水砂層開(kāi)挖面失穩(wěn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。胡欣雨[14]針對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的問(wèn)題，采用了數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，并且考慮到了土體的力學(xué)性質(zhì)和地層變位，揭示了復(fù)合地層開(kāi)挖面失穩(wěn)的破壞機(jī)理。

上述研究成果多數(shù)存在于水平地層或單一地質(zhì)條件下，對(duì)于有界面傾角的突變地質(zhì)界面開(kāi)挖面穩(wěn)定性的研究鮮有涉及，特別是對(duì)滲流條件下不同地質(zhì)界面傾角的開(kāi)挖面破壞機(jī)理缺乏相應(yīng)的理論研究。

3 盾構(gòu)穿越基巖突起地層施工對(duì)策

在盾構(gòu)穿越突變地質(zhì)施工工藝和施工方法方面，張亞洲[15]從盾構(gòu)設(shè)計(jì)、隧道設(shè)計(jì)的角度，并結(jié)合工程實(shí)例，提出了特殊地層預(yù)處理、線性避讓等方法來(lái)處理突變地層中出現(xiàn)的問(wèn)題。陳開(kāi)端[16]利用了“微動(dòng)探測(cè)加地質(zhì)鉆機(jī)驗(yàn)證”的方法來(lái)尋找孤石，然后用阿特拉斯地質(zhì)鑿巖機(jī)進(jìn)行間距密打孔，該方法處理巖石的速度快、占地小、效果明顯。

上述研究成果在盾構(gòu)穿突變地層時(shí)有效地避免了基巖突起的問(wèn)題，保證了在孤石區(qū)間施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)的順利推進(jìn)。但是在一些無(wú)法避免的孤石地段施工時(shí)，只能采取爆破措施來(lái)降低孤石對(duì)盾構(gòu)施工進(jìn)度的影響。對(duì)此，繆明曉[17]針對(duì)基巖凸起及孤石的情況，對(duì)基巖突起部分采用爆破法進(jìn)行預(yù)處理，此工藝提高了盾構(gòu)掘進(jìn)速度、降低了盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。在盾構(gòu)穿越基巖凸起時(shí)，周海波[18]采用了一種深孔松動(dòng)爆破技術(shù)技術(shù)對(duì)硬巖進(jìn)行松動(dòng)處理，提高了盾構(gòu)速度及效率。宋金峰[19]提出了在硬巖段采用微差爆破法進(jìn)行施工，有效減弱了對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊憽?/p>

通過(guò)深孔爆破技術(shù)，能夠有效處理在孤石地段的施工問(wèn)題， 進(jìn)而建立了土壓平衡，保證了孤石地段盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行。然而大多爆破施工一味追求速度，并未檢查爆破封孔問(wèn)題，若封堵不好，會(huì)導(dǎo)致地面冒漿、土倉(cāng)失壓?jiǎn)栴}。

4 地層變形機(jī)理及地表沉降研究

研究盾構(gòu)過(guò)程中地層的變形機(jī)理及地表沉降規(guī)律對(duì)于維持周邊環(huán)境的穩(wěn)定以及災(zāi)害預(yù)防具有重要意義?？涤罒榌20]根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的土層情況，通過(guò)有限元分析軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，最終得到了精準(zhǔn)可靠的分析模型，高效準(zhǔn)確的進(jìn)行了地表沉降的預(yù)測(cè)。陳強(qiáng)[21]通過(guò)建立盾構(gòu)隧道仿真模型，分析了隧道埋深不同和上軟地層參數(shù)不同的條件下，開(kāi)挖面的支護(hù)壓力對(duì)地表變形產(chǎn)生的影響。何祥凡[22]等重點(diǎn)研究了軟硬不均地層交界段的地表沉降情況，得出了當(dāng)盾構(gòu)穿越軟硬不均勻的地層時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，而且面對(duì)地表沉降的增大，還可以適當(dāng)增大土倉(cāng)壓力。

上述研究成果得到的地表變形規(guī)律通常依靠數(shù)值模擬得到，然而對(duì)地表預(yù)測(cè)模型和地層變形機(jī)理往往缺乏理論依據(jù)，而且對(duì)開(kāi)挖面失穩(wěn)造成的地層沉降機(jī)理認(rèn)識(shí)不足。

5 結(jié)論

盾構(gòu)穿越突變地質(zhì)極易引發(fā)工程災(zāi)害，而造成災(zāi)害頻發(fā)的根本原因在于突變地層中存在大量軟硬不均勻地質(zhì)體，在盾構(gòu)擾動(dòng)的作用下，產(chǎn)生了微觀損傷和細(xì)小形變，隨時(shí)間的累積不斷加劇，最終在宏觀上表現(xiàn)為突變地層滑移變形、開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞、基巖突起、地層變形及地表沉降等工程事故。本文總結(jié)了盾構(gòu)穿越突變地質(zhì)的施工過(guò)程中出現(xiàn)的部分問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施，并對(duì)下一步研究的方向提出展望，概括為以下幾點(diǎn)：

（1）在盾構(gòu)穿越突變地層時(shí)，由于地層的復(fù)雜性，周?chē)鷰r土應(yīng)力分布變化規(guī)律、盾構(gòu)掘進(jìn)的極限支護(hù)力并不明確，需要進(jìn)一步的理論分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬建模，并結(jié)合工程實(shí)驗(yàn)，最終確定開(kāi)挖面的極限支護(hù)力。

（2）突變地質(zhì)界面問(wèn)題也是需要考慮的重要因素，突變地質(zhì)界面效應(yīng)隨著前后粘聚力、巖土體剛度、內(nèi)摩擦角的增大而更加顯著。

（3）針對(duì)施工過(guò)程中開(kāi)挖面失穩(wěn)、地層形變以及地表坍塌等問(wèn)題，監(jiān)測(cè)是預(yù)防失穩(wěn)的重要方法。開(kāi)挖面的穩(wěn)定性隨著地質(zhì)界面傾角的增大而降低，在同一傾角下，地質(zhì)界面傾向于強(qiáng)地質(zhì)體時(shí)，更容易發(fā)生開(kāi)挖面的失穩(wěn)破壞。

（4）巖土體力學(xué)參數(shù)的差異、不同地質(zhì)界面傾角對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的影響，是造成地表劇烈沉降的根本原因，因此，建立巖土地質(zhì)界面力學(xué)參數(shù)與地表變形的相對(duì)關(guān)系，對(duì)盾構(gòu)過(guò)程中開(kāi)挖面穩(wěn)定性的控制及地表變形規(guī)律具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]竺維彬，鞠世健.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2]胡鷹志.復(fù)雜地質(zhì)條件下富水動(dòng)壓砂層盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)加固區(qū)施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2020,49(13):10-13.

[3]田瑞忠,宋曙光,張延歡.軟硬不均地層地鐵盾構(gòu)姿態(tài)超限剖析及控制方法研究[J].中國(guó)高新科技,2019(18):102-104.

[4]史海波.土壓平衡盾構(gòu)穿越軟硬交界地層時(shí)的施工技術(shù)[J].建筑施工,2017,39(02):208-211.

[5]潘建立.隧道掘進(jìn)地層應(yīng)力釋放對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定影響數(shù)值研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2015,48(S1):275-278.

[6]李險(xiǎn)峰,秦亞斌,盧坤林.復(fù)雜地層環(huán)境下的盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性研究[J].市政技術(shù),2020,38(04):158-162.

[7]王國(guó)富,孫捷城,路林海,王渭明,王丹.突變地質(zhì)界面盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面極限支護(hù)壓力研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2016,37(06):50-59.

[8]康芮,舒東利.盾構(gòu)隧道穿越軟硬不均地層時(shí)掌子面穩(wěn)定性分析[J].路基工程,2018(01):194-199.

[9]李?yuàn)W,張頂立,孫振宇,曹利強(qiáng),李然.黏性土地層中盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面極限支護(hù)力理論解[J].鐵道建筑,2019,59(04):71-75.

[10]張孟喜,張梓升,王維,呂巖,韓佳堯,金琦.正交下穿盾構(gòu)開(kāi)挖面失穩(wěn)的離散元分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2018,52(12):1594-1602.

[11]何小輝,周純擇,王海波,王樹(shù)英.上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)隧道變形特征研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2019(02):49-52.

[12]程紅戰(zhàn),陳健,胡之鋒,黃玨皓.考慮砂土抗剪強(qiáng)度空間變異性的盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué),2018,39(08):3047-3054.

[13]邱龑,楊新安,徐前衛(wèi),郭樂(lè),唐卓華,李洲.富水砂層盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定性及其失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2015,36(06):55-62.

[14]胡欣雨,劉安洋.復(fù)合地層泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞宏微觀機(jī)理[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,49(07):1067-1074.

[15]張亞洲,溫竹茵,由廣明,劉念.上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)施工難點(diǎn)及對(duì)策研究[J].隧道建設(shè)(中英文),2019,39(04):669-676.

[16]陳開(kāi)端.復(fù)合土層中孤石探測(cè)及處理方案[J].城市軌道交通研究,2016,19(05):93-97.

[17]繆明曉.盾構(gòu)區(qū)間基巖突起復(fù)雜地層處理技術(shù)研究[J].建筑安全,2019,34(02):72-75.

[18]周海波.地鐵盾構(gòu)區(qū)間硬巖段深孔松動(dòng)爆破施工技術(shù)[C]. 2015:44-47.

[19]宋金峰.淺談地鐵盾構(gòu)基巖突起深孔爆破預(yù)處理技術(shù)[J].中國(guó)科技信息,2012(11):69-70.

[20]康永煒.上軟下硬地層盾構(gòu)法施工技術(shù)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2018(24):216-217.

[21]陳強(qiáng).上軟下硬地層中盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面支護(hù)壓力研究[D].華中科技大學(xué),2010.

[22]何祥凡,高鋒,申興柱,王帆.盾構(gòu)隧道穿上軟下硬地層掌子面頂推力優(yōu)化研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2018,14(06):1603-1610.

于超（1996- ），男，山東青島，漢，碩士研究生，聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院 252000 巖土工程。

G322

A

1007-6344（2021）01-0317-02