濱海孤石地層盾構(gòu)掘進(jìn)的穩(wěn)定性數(shù)值分析

朱向陽，錢偉豐，朱和躍，黃明

濱海孤石地層盾構(gòu)掘進(jìn)的穩(wěn)定性數(shù)值分析

朱向陽1，錢偉豐2，朱和躍2，黃明2

(1. 中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司，湖北 武漢 100855；2. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

孤石是風(fēng)化巖殘留體硬度高強(qiáng)度大，地層存在孤石是阻礙盾構(gòu)施工的危害之一。依托廈門城軌交通4號(hào)線彭厝北站~蔡厝站區(qū)間，針對(duì)濱海孤石地層盾構(gòu)掘進(jìn)的穩(wěn)定性進(jìn)行離散元數(shù)值分析，分別研究孤石與隧道距離、隧道埋深、孤石位置及盾尾空隙對(duì)地層穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：隨著孤石與隧道距離增大，地層擾動(dòng)范圍、拱頂襯砌壓力變化及地表沉降都有減小的趨勢(shì)；隨著隧道埋深的增大，地層擾動(dòng)范圍及地表沉降都呈減小趨勢(shì)，襯砌土壓力整體上呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；隨著孤石位置逐步遠(yuǎn)離隧道頂部，地層擾動(dòng)范圍及地表沉降都呈減小趨勢(shì)，孤石位于拱肩、拱腳、仰拱底時(shí)襯砌壓力產(chǎn)生突變；隨著盾尾空隙增大地層擾動(dòng)程度及地表沉降也增大，襯砌拱頂土壓力呈增大趨勢(shì)。

孤石；盾構(gòu)隧道；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性分析

孤石又稱為球狀風(fēng)化體，具有分布隨機(jī)、大小不一、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，是地鐵盾構(gòu)施工中較難處理的問題之一[1]。孤石會(huì)給隧道施工帶來極大風(fēng)險(xiǎn)，諸如刀盤刀具磨損嚴(yán)重、造成地層空洞及引起掘進(jìn)方向偏離等[2]。盾構(gòu)推進(jìn)過程中由于盾尾空隙、線路彎度、人為操作等問題致使地層的擾動(dòng)不可避免，上述擾動(dòng)往往通過地表沉降、地層位移、地層應(yīng)力等方面得到體現(xiàn)，摸清含孤石地層導(dǎo)致盾構(gòu)推進(jìn)地層擾動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理，有利于科學(xué)合理地采取相關(guān)措施控制盾構(gòu)推進(jìn)過程中對(duì)地層的擾動(dòng)。目前，關(guān)于孤石地層中隧道掘進(jìn)的研究主要針對(duì)工程技術(shù)和孤石勘探方面。王鵬華等[3-4]結(jié)合土壓平衡盾構(gòu)施工的工程實(shí)例，介紹了孤石破除方法，并針對(duì)困難地層提出一些處置措施及注意事項(xiàng)。章飛亮等[5]采用微動(dòng)技術(shù)對(duì)南方某城市地鐵隧道區(qū)間的孤石進(jìn)行探測(cè)，該方法能夠較為準(zhǔn)確的探測(cè)到孤石分布狀況。李術(shù)才等[6]采用跨孔電阻率CT法對(duì)廣州地鐵某站點(diǎn)進(jìn)行孤石的分布物探，明確探測(cè)出孤石位置。Sarracino等[7]建立了孤石與地層關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并給出了孤石的形成過程和對(duì)周邊地層的影響。陳萬壘等[2]利用離限元模型軟件，分析孤石及基巖突起對(duì)盾構(gòu)工程引起的地表塌陷的機(jī)理。以上研究均側(cè)重于施工技術(shù)，對(duì)于含孤石地層穩(wěn)定性的探討少之又少。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于隧道掘進(jìn)過程中地層穩(wěn)定性的研究較多。Atkinson等[8?9]得到了相應(yīng)的沉降槽經(jīng)驗(yàn)曲線公式。Peck[10]基于統(tǒng)計(jì)總結(jié)盾構(gòu)隧道開挖的地表沉降情況，提出了預(yù)測(cè)地表沉降的方法。何川等[11]基于砂卵石地層盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)鄰近樁基、鄰近既有隧道的擾動(dòng)影響進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，多角度分析了擾動(dòng)的特點(diǎn)。Lee等[12]采用多種方法基于隧道開挖過程對(duì)地層的變形及應(yīng)力進(jìn)行了分析。邱明明等[13]基于某城市地鐵盾構(gòu)隧道運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)引起的地層變形進(jìn)行了分析。但是對(duì)隧道穿越孤石地層引發(fā)的地層穩(wěn)定性的研究較少。因此，本文依托廈門市城市軌道交通4號(hào)線彭厝北站～蔡厝站區(qū)間，借助PFC2D離散元數(shù)值模擬軟件，開展濱海孤石地層盾構(gòu)掘進(jìn)的穩(wěn)定性數(shù)值分析。

1 工程概況

我國(guó)東南沿海城市已建和在建的地鐵部分盾構(gòu)區(qū)間工程穿越地層地質(zhì)復(fù)雜，其中孤石地層是盾構(gòu)施工的最大難題之一，盾構(gòu)在穿越孤石地層時(shí)容易出現(xiàn)刀片磨損嚴(yán)重與地層擾動(dòng)較大等問題。而福建省花崗巖地質(zhì)面積約占全省的1/3，該地區(qū)孤石的形成主要在花崗巖地層中，且以化學(xué)風(fēng)化作用為主。

本文依托廈門市城市軌道交通4號(hào)線彭厝北站～蔡厝站區(qū)間，場(chǎng)區(qū)地表大面積分布有雜填土、素填土、吹填淤泥及吹填砂地層；場(chǎng)區(qū)分布的軟土主要有吹填淤泥、淤泥地層；場(chǎng)區(qū)分布的殘積土及風(fēng)化巖風(fēng)化狀態(tài)均勻性差，且還具有軟化性、崩解性及抗擾動(dòng)性較差等特點(diǎn)，且基巖風(fēng)化巖中存在風(fēng)化不均勻體(即孤石)，對(duì)盾構(gòu)正常推進(jìn)具有較大的影響。由于項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)需要保證盾構(gòu)的安全推進(jìn)，較難獲得掌子面失穩(wěn)時(shí)的破壞形態(tài)，加之在孤石與全風(fēng)化花崗巖地層分析中涉及到接觸問題處理的復(fù)雜性，因此綜合數(shù)值分析的實(shí)際要求及計(jì)算效率選擇離散元軟件PFC2D，并分別計(jì)算分析各因素變化下隧道頂部擾動(dòng)程度較大的范圍、隧道襯砌土壓力及隧道上部地表沉降的變化趨勢(shì)?；谏鲜?種因變量的變化規(guī)律，從盾構(gòu)隧道規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工的角度初步提出相應(yīng)的孤石處置措施。

2 孤石地層數(shù)值模型的構(gòu)建

2.1 幾何模型

采用PFC2D軟件建立離散元盾構(gòu)隧道模型，模型尺寸為80 m×31 m的矩形，且模型關(guān)于盾構(gòu)隧道左右對(duì)稱，盾構(gòu)隧道直徑=6 m，模型地表面為自由，其余四周采用變形約束條件，襯砌管片采用wall單元模擬，模型如圖1所示。分別取以下幾種孤石存在狀態(tài)為單一變量因素，即孤石與隧道的距離、隧道埋深、孤石位置、盾尾空隙。孤石與隧道的距離指孤石底部邊界與隧道拱頂處邊界之間的距離，用表示。隧道埋深指隧道拱頂至地表的距離，用表示。盾尾空隙是由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)地層的擾動(dòng)以及盾構(gòu)掘進(jìn)超挖和注漿不及時(shí)等原因共同作用形成，盾尾空隙如圖2所示，用表示。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

針對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層及孤石的力學(xué)特征，本文采用孫鋒[14]通過二維離散元單軸試驗(yàn)所獲得的顆粒參數(shù)取值，如表1及表2所示。此外，全風(fēng)化花崗巖地層與微風(fēng)化花崗巖孤石之間的接觸參數(shù)通過PFC2D中自帶的屬性繼承功能而獲得。

單位：m

圖2 隧道盾尾空隙示意圖

3 孤石對(duì)盾構(gòu)隧道地層穩(wěn)定性的影響

3.1 孤石與隧道間距變化對(duì)地層穩(wěn)定性的影響

為了分析孤石與隧道之間不同距離條件下，隧道圍巖豎向及矢量位移、襯砌壓力及地表沉降的變化趨勢(shì)。根據(jù)控制單一變量因素原則，取隧道埋深=15 m(2.5)，盾尾空隙=30 cm，分別進(jìn)行無孤石(工況1)，=0.5 m(工況2)，=1.0 m(工況3)，=2.5 m(工況4)，=4.0 m(工況5)，=5.5 m(工況6)及=7.0(工況7)，為分析孤石對(duì)不同工況下的計(jì)算結(jié)果的影響，選取無孤石地層作為空白對(duì)照組，不同距離條件下地層位移矢量及豎向位移如圖3所示。

由圖3可得，開挖卸載作用下，各工況盾構(gòu)隧道底部均出現(xiàn)一定的隆起現(xiàn)象。然而7組工況盾構(gòu)隧道上部地層豎向位移出現(xiàn)左移的現(xiàn)象，即盾構(gòu)隧道上部軸線左側(cè)豎向沉降略大于右側(cè)，當(dāng)孤石存在時(shí)左移現(xiàn)象越為明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于PFC2D屬于顆粒流離散元計(jì)算軟件，對(duì)于類似工況地層重復(fù)性數(shù)值計(jì)算需設(shè)置隨機(jī)種子數(shù)，而隨機(jī)種子作為模型顆粒生成的隨機(jī)規(guī)律分布特征的保障，可滿足每次計(jì)算模型生成顆粒的初始分布位置及半徑不發(fā)生變化。由于本次數(shù)值模型顆粒生成隨機(jī)種子數(shù)均為相同定值，加之孤石的存在對(duì)地層整體均勻性的影響，因此含孤石地層豎向位移出現(xiàn)整體性左右略微不對(duì)稱的情況。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 顆?；緟?shù)

以擾動(dòng)范圍邊界距隧道頂部的距離為界限對(duì)盾構(gòu)隧道圍巖擾動(dòng)程度的區(qū)域進(jìn)行劃分，如表3所示，不同距離條件下襯砌土壓力如圖4所示，不同距離條件下地表沉降曲線如圖5所示。

(a) 無孤石；(b) d=0.5 m；(c) d=1.0 m；(d) d=2.5 m；(e) d=4.0 m；(f) d=5.5 m；(g) d=7.0 m

單位：kPa

表3 不同距離條件下擾動(dòng)范圍邊界距隧道頂部距離

由表3可見，無孤石地層條件下，其擾動(dòng)程度較大范圍最小，表明由于孤石作用加大了盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)程度及范圍，因此在含孤石地層的注漿加固范圍應(yīng)比一般地層有所擴(kuò)大。隨著距離的增大，孤石地層的擾動(dòng)程度逐漸減小且趨于穩(wěn)定。

由圖4可得，盾構(gòu)隧道襯砌管片所受土壓力基本呈仰拱底、拱頂(拱腰)、拱腳(拱肩)的下降趨勢(shì)，由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)地層的擾動(dòng)效應(yīng)及不可避免的盾構(gòu)間隙影響，加之隧道圍巖土層向隧道正上部不均勻沉降的趨勢(shì)，隧道上部一定地層范圍出現(xiàn)近似錐形的沉降槽，由此分析得出的拱腰處土壓力值較傳統(tǒng)計(jì)算方法，即垂直土壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)得出的結(jié)果偏大，其更符合實(shí)際情況。

由圖5可得，孤石的形成是由于地層的長(zhǎng)期風(fēng)化作用，孤石與其四周較近地層形成一定的整體固結(jié)性，加之孤石基本在5，6和24號(hào)襯砌正上方，距離為0.5 m，1.0 m的含孤石地層盾構(gòu)隧道拱頂襯砌土壓力分布較為均衡；如上文所述含孤石地層隧道上部豎向位移左側(cè)略大于右側(cè)，因此，地層自承壓力襯砌點(diǎn)也出現(xiàn)向左移動(dòng)的情況，即距離4.0，5.5及7.0 m的含孤石地層6號(hào)襯砌出現(xiàn)壓力增大的情況。

單位：mm

各工況地表沉降在部分位置處均表現(xiàn)出一定的離散特性，但總體上符合Peck沉降曲線形式。7組工況中距離為0.5，1.0及2.5 m的含孤石地層，其地表沉降較為接近，隨著孤石與隧道距離的依次增大，地表沉降相應(yīng)呈減小趨勢(shì)。

3.2 隧道埋深變化對(duì)盾構(gòu)隧道地層穩(wěn)定性的影響

為了分析含孤石地層不同盾構(gòu)隧道埋深條件下隧道圍巖豎向及矢量位移、襯砌壓力及地表沉降的變化趨勢(shì)，取其他影響因素值為固定值，即孤石與隧道之間距離=1.0 m，盾尾空隙=30 cm，孤石位于拱頂正上部。隧道埋深分別取=6 m(1)，=12 m(2)，=15 m(2.5)，=18 m(3)和=24 m(4)進(jìn)行計(jì)算。不同盾構(gòu)隧道埋深條件下地層位移矢量及豎向位移圖如圖6所示，不同埋深條件下擾動(dòng)范圍邊界距隧道頂部距離如表4所示，不同埋深條件下襯砌土壓力圖如圖7所示，不同埋深條件下地表沉降曲線如圖8所示。

由圖6可知，隨著盾構(gòu)隧道埋深的逐步增大，隧道上部淺層區(qū)域的位移逐步減小，即符合上文所述的盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層擾動(dòng)隨地層距隧道距離的增大而衰弱的特點(diǎn)。埋深為6 m的隧道由于埋深較淺致使土層破壞貫穿至地表，屬于塌穿型塌方，其他5組工況均屬于拱形塌方。

由表4可見，不同埋深的含孤石地層，其較大擾動(dòng)范圍邊界呈現(xiàn)從隧道埋深為2至4依次增大且逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。盾構(gòu)施工對(duì)地層擾動(dòng)隨隧道埋深的增大而減小，對(duì)于含孤石地層盾構(gòu)施工可根據(jù)隧道埋深情況酌情考慮對(duì)孤石是否采取處置 措施。

表4 不同埋深條件下擾動(dòng)范圍邊界距隧道頂部距離

由圖7可知，隧道拱頂土壓力分布趨勢(shì)隨埋深的增大而增大的趨勢(shì)，與其含孤石地層擾動(dòng)較大程度范圍分布趨勢(shì)一致，其次埋深2，2.5，3及44組工況中，由于地層的壓力拱自承作用，雖然其拱頂土壓力基本呈隨埋深的增大而增大的趨勢(shì)，但變化幅度較為微小，加之除拱頂外隧道襯砌其他部位基本呈隨隧道埋深增大而增大，且增大幅度較為明顯，由此表明上述4組工況均形成了較為明顯的壓力拱自承效應(yīng)。

(a) 埋深1D豎向位移及矢量圖；(b) 埋深2D豎向位移及矢量圖；(c) 埋深2.5D豎向位移及矢量圖；(d) 埋深3D豎向位移及矢量圖；(e) 埋深4D豎向位移及矢量圖

單位：kPa

單位：mm

由圖8可知，埋深為1的盾構(gòu)隧道未形成壓力拱，其上部地層破壞位移直接貫穿至地表，最大沉降達(dá)至143 mm，其余4組工況均形成明顯的壓力拱現(xiàn)象，地表沉降較為接近。隨著隧道埋深的增大，其對(duì)地表的擾動(dòng)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，由此說明雖然孤石對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)一定程度上會(huì)加大對(duì)地層的擾動(dòng)效果，但地層的壓力拱自承作用對(duì)減小地表沉降具有較好的效果。

3.3 孤石位置變化對(duì)盾構(gòu)隧道地層穩(wěn)定性的影響

為了分析不同孤石與隧道相對(duì)位置條件下隧道圍巖豎向及矢量位移、襯砌壓力及地表沉降的變化趨勢(shì)，取其他影響因素值為固定值。孤石與隧道相對(duì)位置分別取孤石位于隧道的仰拱底、拱腳、拱腰、拱肩及拱頂處進(jìn)行計(jì)算。不同孤石位置條件下地層位移矢量及豎向位移圖如圖9所示，不同孤石位置下擾動(dòng)范圍邊界距隧道頂部距離如表5所示，不同孤石位置條件下襯砌土壓力圖如圖10所示，不同孤石位置條件下地表的沉降曲線如圖11所示。

(a) 孤石位于隧道拱頂處；(b) 孤石位于隧道拱肩處；(c) 孤石位于隧道拱腰處；(d) 孤石位于隧道拱腳處；(e) 孤石位于隧道仰拱底處

由圖9可知，除孤石位于隧道拱腳處的工況外，其他幾組工況均出現(xiàn)在隧道上部軸線處，無孤石一側(cè)的地層豎向位移及矢量位移大于有孤石一側(cè)的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，壓力拱效應(yīng)導(dǎo)致盾構(gòu)隧道上部的土體顆粒在開挖后向兩側(cè)移動(dòng)，由于本次數(shù)值模型土體顆粒生成隨機(jī)種子數(shù)均為相同定值，而模型中孤石的存在阻礙了土體顆粒的移動(dòng)，因此導(dǎo)致了這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，特別是當(dāng)孤石位于盾構(gòu)隧道的拱肩、拱腰、拱腳處時(shí)，無孤石一側(cè)的地層豎向及矢量位移大于有孤石一側(cè)的現(xiàn)象愈發(fā)明顯。

表5 不同孤石位置下擾動(dòng)范圍邊界距隧道頂部距離

由表5可見，孤石位于隧道拱頂處對(duì)地層的擾動(dòng)范圍最大，說明拱頂處孤石隨盾構(gòu)推進(jìn)而發(fā)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)及沉降，繼而加大了盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)影響程度；隨著孤石位置逐步遠(yuǎn)離隧道頂部，其對(duì)地層的擾動(dòng)較大程度范圍逐步減小，說明在含孤石地層盾構(gòu)施工時(shí)應(yīng)重視孤石位于隧道上部對(duì)地層擾動(dòng)程度。

由圖10可得，孤石位于拱肩位置處時(shí)隧道拱肩處襯砌壓力445.6 kPa(即7號(hào)襯砌)，為所有工況中拱肩處襯砌壓力最大值，且最大壓力旁邊又出現(xiàn)了最小壓力5.5 kPa(即8號(hào)襯砌)，此處出現(xiàn)了一定程度的襯砌壓力突變。高峰等[15]認(rèn)為，隧道開挖后，邊墻附近的圍巖顆粒的接觸力全部升高，在拱頂和仰拱底附近區(qū)域的圍巖壓力環(huán)的環(huán)間接觸力降低，降低的接觸力連線基本上呈現(xiàn)拋物線形。

因此出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是孤石正好位于降低的接觸力連線的邊界上，由于孤石在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致了襯砌壓力突變。孤石位于隧道拱腰處時(shí)，由于拱腰處孤石與隧道襯砌處平行，孤石重力并未直接作用在襯砌上，未發(fā)生襯砌壓力比其他工況明顯增大的現(xiàn)象。孤石位于隧道拱腳處時(shí)也出現(xiàn)了襯砌壓力突變，拱腳處襯砌土壓力為79.5，564.7和618.8 kPa(即12，13和14號(hào)襯砌)。孤石位于仰拱底位置處時(shí)同樣也出現(xiàn)了襯砌壓力突變，仰拱底處襯砌土壓力為675.4 kPa，13.6 kPa(即15，16號(hào)襯砌)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因均與孤石位于隧道拱腳處時(shí)的相同。

單位：kPa

單位：mm

由圖11可得，各工況地表沉降均表現(xiàn)出一定的Peck沉降曲線形式，各工況的最大沉降點(diǎn)發(fā)生在隧道中心點(diǎn)略偏左側(cè)地表處。各工況地表沉降呈現(xiàn)隨孤石位置遠(yuǎn)離隧道頂部而降低的趨勢(shì)，孤石位于隧道拱頂及拱肩處時(shí)地表沉降較為接近，孤石位于隧道拱腳及仰拱底時(shí)地表沉降較為接近，說明孤石位于拱頂、拱肩及拱腳、仰拱底2組工況由于孤石位置較為靠近致使其對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)地層的擾動(dòng)具有同一量級(jí)影響程度，其次，孤石位置距隧道頂部越遠(yuǎn)，其對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)地層的擾動(dòng)程度降低較為明顯。

3.4 盾尾空隙變化對(duì)盾構(gòu)隧道地層穩(wěn)定性的影響

為了分析不同盾尾空隙條件下隧道圍巖豎向及矢量位移、襯砌壓力及地表沉降的變化趨勢(shì)，取其他影響因素值為固定值，孤石與隧道距離=1.0 m，隧道埋深=15 m(2.5)，孤石位于拱頂正上部，盾尾空隙分別取值=5，=15，=20，=30和=40 cm進(jìn)行計(jì)算。不同盾尾空隙下地層位移矢量及豎向位移圖如圖12所示，不同盾尾空隙下擾動(dòng)范圍邊界距隧道頂部距離如表6所示，不同盾尾空隙下襯砌土壓力圖如圖13所示，不同盾尾空隙下地表沉降曲線如圖14所示。

(a) 盾尾空隙5 cm；(b) 盾尾空隙15 cm；(c) 盾尾空隙20 cm；(d) 盾尾空隙30 cm；(e) 盾尾空隙40 cm

由圖12可得，在盾尾空隙形成后，應(yīng)力開始釋放，空隙周圍土體顆粒向下移動(dòng)，土體顆粒在運(yùn)動(dòng)的過程中相互接觸力很小，而且顆粒接觸力鏈較周圍稀疏，此時(shí)土體發(fā)生應(yīng)力松弛。隨著盾尾空隙的增大，空隙周圍的土體顆粒逐漸向空隙處塌落，拱頂處由于空隙最大，顆粒坍塌的發(fā)展較襯砌兩邊迅速，同時(shí)沉降和影響范圍也最大。最后襯砌兩邊的顆粒運(yùn)動(dòng)逐漸停止，而此時(shí)拱頂上方的土體顆粒運(yùn)動(dòng)并沒有停止，而是進(jìn)一步向地表延伸。

由表6可見，地層擾動(dòng)程度范圍隨盾尾空隙增大而增大，其中盾尾空隙為5，15及20 cm工況的擾動(dòng)程度范圍較為接近，且盾尾空隙為5 cm和15 cm 2組工況距地表較近的淺層區(qū)域豎向及矢量位移明顯較其他工況偏小，表明較小盾尾空隙下孤石地層的擾動(dòng)程度較小且穩(wěn)定，但隨著盾尾空隙逐步增大至30 cm和40 cm時(shí)，其對(duì)地層的擾動(dòng)程度范圍增大較為明顯。

表6 不同盾尾空隙下擾動(dòng)范圍邊界距隧道頂部距離

單位：kPa

由圖13可得，上述5組工況拱頂土壓力大小分布趨勢(shì)與上節(jié)擾動(dòng)較大程度范圍分布趨勢(shì)一致，即隨盾尾空隙的逐步增大拱頂土壓力呈逐步增大的趨勢(shì)；其次，各工況隧道拱側(cè)、拱腳及仰拱底的襯砌土壓力分布較為接近，表明位于隧道上部孤石對(duì)隧道下半部分地層擾動(dòng)影響的有限性。

由圖14可得，各工況地表沉降均表現(xiàn)出一定的Peck沉降曲線形式，各工況的最大沉降點(diǎn)基本發(fā)生在隧道中心略偏左側(cè)地表處。隨著盾尾空隙的增大地表沉降整體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，盾尾空隙越大地表沉降增大的程度越大?？紤]到隧道盾尾空隙一定程度上反映著盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)情況，地層擾動(dòng)隨盾尾空隙增大而具有增大的趨勢(shì)，因此在含孤石地層盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，通過合理的控制盾尾注漿及調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)盾構(gòu)施工具有十分重要的意義。

單位：mm

4 結(jié)論

1) 隨著孤石與隧道距離的依次增大，地層的擾動(dòng)程度、拱頂襯砌壓力的變化趨勢(shì)及地表沉降都具有減小的趨勢(shì)。同時(shí)出現(xiàn)盾構(gòu)隧道上部軸線左側(cè)豎向位移略大于右側(cè)的現(xiàn)象，是由于離散元模型顆粒生成隨機(jī)種子數(shù)均為相同定值，加之孤石的存在對(duì)地層整體均勻性的影響，因此含孤石地層豎向位移出現(xiàn)整體性左右略微不對(duì)稱的情況。

2) 不同埋深含孤石地層較大擾動(dòng)范圍邊界呈現(xiàn)從隧道埋深為2至4依次增大且逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，由于地層的壓力拱自承作用，雖然其拱頂土壓力隨埋深的增大而增大，但變化幅度較為微小。埋深為1的盾構(gòu)隧道未形成壓力拱，其上部地層破壞位移直接貫穿至地表；隨著埋深的增大，地層的壓力拱自承作用對(duì)減小地表沉降具有較好的 效果。

3) 由于盾構(gòu)隧道開挖產(chǎn)生了壓力拱效應(yīng)，隧道上部的土體顆粒在開挖后向兩側(cè)移動(dòng)，而模型中孤石的存在阻礙了土體顆粒的移動(dòng)，所以導(dǎo)致了除孤石位于隧道拱腳處的工況外，其他幾組工況均出現(xiàn)在隧道上部軸線處，無孤石一側(cè)的地層豎向位移及矢量位移大于有孤石一側(cè)的現(xiàn)象。孤石位于隧道拱頂處對(duì)地層擾動(dòng)程度范圍為最大值，隨著孤石位置逐步遠(yuǎn)離隧道頂部，其對(duì)地層的擾動(dòng)程度范圍逐步減小，相應(yīng)的地表沉降表現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)。孤石位于拱肩、拱腳、仰拱底位置處時(shí)出現(xiàn)襯砌壓力突變，這是由于孤石正好位于降低的接觸力連線的邊界上，由于孤石在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致了襯砌壓力突變。

4) 隨著盾尾空隙增大地層擾動(dòng)程度也增大，較小盾尾空隙下擾動(dòng)程度較小且穩(wěn)定，隨盾尾空隙的增大地表沉降也逐漸增大，且盾尾空隙越大其地表沉降增大的程度越明顯；同時(shí)各工況隧道拱側(cè)、拱腳及仰拱底的襯砌土壓力分布較為接近，拱頂土壓力呈逐步增大的趨勢(shì)，表明位于隧道上部孤石對(duì)隧道下半部分地層擾動(dòng)影響的有限性?？紤]到隧道盾尾空隙一定程度上反映了盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)情況，因此在盾構(gòu)施工過程中應(yīng)通過盾尾注漿及調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)等方法對(duì)盾尾空隙進(jìn)行控制。

[1] 劉建國(guó). 深圳地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)研究與實(shí)踐[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011. LIU Jianguo. Research and practice of construction technology of Shenzhen Metro shield tunnel[M]. Beijing: China Communications Press, 2011.

[2] 陳萬壘, 譚勇, 李想, 等. 盾構(gòu)掘進(jìn)破壞孤石誘發(fā)地層塌陷的災(zāi)變機(jī)制研究[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2018, 38(5): 824?832. CHEN Wanlei, TAN Yong, LI Xiang, et al. Study of mechanism of ground subsidence induced by boulder breaking during shield tunneling[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(5): 824?832.

[3] 王鵬華. 不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)工程孤石處理工藝及實(shí)例[J]. 隧道建設(shè), 2012, 32(4): 571?575. WANG Penghua. Treatment of boulders encountered in shield tunneling under different geological conditions[J]. Tunnel Construction, 2012, 32(4): 571?575.

[4] 黃恒儒. 盾構(gòu)穿越花崗巖球狀風(fēng)化孤石群的施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2015, 35(8): 834?840. HUANG Hengru. Key technologies for shield boring through ground containing weathered spherical granite boulder groups[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(8): 834?840.

[5] 章飛亮, 閆高翔, 袁真秀, 等. 微動(dòng)技術(shù)在地鐵隧道區(qū)間孤石探測(cè)中的應(yīng)用. 工程地球物理學(xué)報(bào), 2015, 17(6): 817?822. ZHANG Feiliang, YAN Gaoxiang, YUAN Zhenxiu, et al. The application of micro technology to boulders detection in subway tunnel[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2015(6): 817?822.

[6] 李術(shù)才, 劉征宇, 劉斌, 等. 基于跨孔電阻率CT的地鐵盾構(gòu)區(qū)間孤石探測(cè)方法及物理模型試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2015, 37(3): 446?457. LI Shucai, LIU Zhengyu, LIU Bin, et al. Boulder detection method for metro shield zones based on cross-hole resistivity tomography and its physical model tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(3): 446?457.

[7] Sarracino R S, Prasad G. A mathematical model of spheroidal weathering[J]. Mathematical Geology, 1987, 19(4): 269?289.

[8] Atkinson J H, Potts D M. Subsidebce above shallow tunnels in soft ground[J]. ASCE J Geotech Eng Div, 1977, 103(4): 307?325.

[9] Yoshikoshi W. Osamu W. Takagaki N. Prediction of ground settlements associated with shield tunneling[J]. Soils and Foundations, 1978, 18(4): 47?59.

[10] Peck. Deep excavations and tunneling in soft ground[C]// 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico, 1969: 225?290.

[11] 何川, 汪洋, 方勇, 等. 土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)過程的相似模型試驗(yàn)[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2012, 45(2): 162?169. HE Chuan, WANG Yang, FANG Yong, et al. Similarity model test of earth-pressure-balanced shield tunneling process[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(2): 162?169.

[12] Lee K M, Rowe R K. An analysis of three-dimensional ground movements: The Thunder Bay Tunnel[J]. Canadian Geotechnial Journal, 1991, 28(1): 25?41.

[13] 邱明明, 楊果林, 姜安龍, 等. 地鐵盾構(gòu)施工地層變形預(yù)測(cè)及數(shù)值分析[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版), 2016, 33(4): 377?387. QIU Mingming, YANG Guolin, JIANG Anlong, et al. Numerical analysis of stratum deformation induced by tunnel boring machine construction for metro[J]. Journal of Shenzhen University (Science and Engineering), 2016, 33(4): 377?387.

[14] 孫鋒. 海底隧道風(fēng)化槽復(fù)合注漿堵水關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2010. SUN Feng. Study on the key technique of composit grouting for water blockage in weathered slot of subsea tunnel[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2010.

[15] 高峰, 譚緒凱, 陳曉宇, 等. 基于離散?連續(xù)耦合方法的隧道壓力拱特性研究[J]. 計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 37(2): 218?225. GAO Feng, TAN Xukai, CHEN Xiaoyu, et al. Research on tunnel pressure arch based on coupled discrete and continuous method[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2020, 37(2): 218?225.

[16] 胡雄玉. 土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)砂土地層的擾動(dòng)研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2013. HU Xiongyu. Study on ground disturbance in sandy stratum using earth pressure balance (EPB) shield[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013.

Numerical analysis of the stability of shield tunneling in the coastal isolated rock stratum

ZHU Xiangyang1, QIAN Weifeng2, ZHU Heyue2, HUANG Ming2

(1. China Railway 11th Bureau Group Fourth Engineering Co., Ltd., Wuhan 100855, China;2. College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Boulder is a kind of weathered rock residue with high hardness and strength, which is one of the most harmful problems to shield machine. Based on the interval between Pengcuo north station and Caicuo station of Xiamen rail transit line 4, this paper analyzed the stability of shield tunneling in the coastal boulder stratum by discrete element method, and studied the influence of the distance between the boulder and the tunnel, the buried depth of the tunnel, the location of the boulder and the gap between the shield tail on the stability of the stratum. The results show that with the increase of the distance between the boulder and the tunnel, the disturbance range of the stratum, the change of the lining pressure of the arch crown and the settlement of the earth’s surface all decrease. With the increase of the depth of the tunnel, the disturbance range of the stratum and the settlement of the ground decrease, and the earth pressure of the lining increases as a whole. With the location of the boulder gradually away from the top of the tunnel, the disturbance range of the stratum and the settlement of the earth’s surface are decreasing. With the increase of the gap at the tail of shield and the increase of the ground settlement, the earth pressure on the lining vault increases.

boulders; shield tunnel; numerical simulation; stability analysis

U455.43

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0172 ? 12

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200276

2020?04?06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41672290)；中鐵十一局集團(tuán)公司A類重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018121104)

朱向陽(1977?)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，從事城市地鐵等領(lǐng)域的施工技術(shù)研究工作；E?mail：455233268@qq.com

(編輯 陽麗霞)