海底盾構(gòu)隧道穿越破碎帶施工穩(wěn)定性分析

周耀升 孫宏遠(yuǎn) 孟綏寶 馮慧君 詹 森 俞然剛 駱超鋒 王瀾濤 石寶星

(1.中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司， 214104， 無錫; 2.中國重型汽車集團(tuán)有限公司， 250101， 濟(jì)南;3.中鐵發(fā)展投資有限公司， 266034， 青島; 4.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，266580， 青島∥第一作者， 工程師)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，地鐵盾構(gòu)技術(shù)逐漸成熟，但仍面臨很多難題，尤其是在盾構(gòu)跨越江、海，同時(shí)穿越破碎帶、復(fù)合地層等復(fù)雜地層情況時(shí)，可能會(huì)發(fā)生圍巖失穩(wěn)、冒頂、滲水、開挖面失穩(wěn)等問題，甚至?xí)斐蓢?yán)重的工程事故。

國內(nèi)外很多學(xué)者對地鐵隧道開挖過程中的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]通過相似模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了斷層破碎帶對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，拱頂上方斷層對拱頂沉降的影響最大；隨著斷層與隧道距離的接近，隧道變形和塑性區(qū)范圍不斷增大，而注漿工法能夠顯著增加隧道圍巖的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[2]研究了富水破碎帶不同的厚度、傾角對隧道周圍巖體的穩(wěn)定性影響。結(jié)果表明，在開挖面離破碎帶9 m時(shí)，隧道周圍巖體的縱向位移急劇增大；在開挖面離破碎帶小于6 m時(shí)，會(huì)出現(xiàn)倒水裂隙通道，導(dǎo)致突水、突泥災(zāi)害；拱頂位移分別與破碎帶傾角、地下水位呈指數(shù)和線性關(guān)系。文獻(xiàn)[3]考慮孔隙水壓力及滲流的影響，推導(dǎo)了基于CPPM(最近點(diǎn)投影法)的計(jì)算公式，并通過開發(fā)程序?qū)λ淼赖姆€(wěn)定性進(jìn)行了分析。隧道施工過程中的地下水會(huì)引起圍巖的應(yīng)力重分布，地下水的滲流對圍巖的影響顯著。文獻(xiàn)[4]采用Abaqus有限元分析軟件模擬了不同的施工方法，對淺埋破碎帶的隧道進(jìn)行了圍巖穩(wěn)定性分析，通過對比不同施工方法下圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)、塑性區(qū)等，指出中隔墻法對破碎巖體的穩(wěn)定性較好。文獻(xiàn)[5]采用Midas GTS/NX軟件對不同傾角的斷層進(jìn)行了數(shù)值模擬，指出拱頂沉降、拱底隆起及周圍巖體的收斂位移均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

1 工程概況

青島地鐵8號線(以下簡為“8號線”)工程大洋站—青島北站區(qū)間東側(cè)海域段(以下簡稱“海域段”)施工采用泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)(以下簡稱“盾構(gòu)機(jī)”)掘進(jìn)。掘進(jìn)過程中的一大難題是穿越破碎帶(海域段地質(zhì)概況見圖1)。本文以F4破碎帶為例進(jìn)行分析。該破碎帶位于海域段中部，即右線線路里程CK42+830—CK43+440范圍內(nèi)，大致呈東北-西南走向，寬度約610 m，走向約為25°，與隧道交角近90°。F4破碎帶基巖面埋深為29.5～32.5 m，上覆厚層砂土，基巖破碎帶主要為塊狀碎裂凝灰?guī)r、中等風(fēng)化凝灰?guī)r。

2 F4破碎帶對圍巖穩(wěn)定性影響分析

2.1 巖土體結(jié)構(gòu)

隧道周圍巖土體結(jié)構(gòu)具體表現(xiàn)為各種結(jié)構(gòu)的空間分布特征及其相互組合關(guān)系。它對隧道周圍巖土體穩(wěn)定性的控制作用表現(xiàn)為，結(jié)構(gòu)面對巖土體的破壞模式及破壞面的控制作用。當(dāng)巖土體包含兩種以上的結(jié)構(gòu)面切割巖土體，尤其是含有塊狀、破碎狀和斷層時(shí)，會(huì)有很大的概率導(dǎo)致隧道周圍的巖土體發(fā)生失穩(wěn)。巖土體本身的性質(zhì)是影響隧道周圍巖土體穩(wěn)定性的基本因素，亦直接決定了巖土體的力學(xué)特征和性質(zhì)。該破碎帶為凝灰?guī)r，呈紫灰色，礦物中等風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，破碎面見較多高嶺土等次生礦物，巖芯以塊狀-短柱為主，表面較粗糙，錘擊可碎。揭露段巖體屬較破碎的軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

2.2 巖土體的力學(xué)性質(zhì)

巖土體的力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為巖石的強(qiáng)度和變形。巖土體強(qiáng)度是控制隧道周圍巖土體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，尤其對于破碎帶中碎塊狀巖石。該破碎帶以塊狀致密凝灰?guī)r為代表，脆性強(qiáng)。巖石主要呈現(xiàn)為彈性變形，破壞時(shí)以拉斷為主，斷層降低了巖體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。破碎帶力學(xué)強(qiáng)度低、壓縮性大，抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖體其他部位的抗剪強(qiáng)度，容易發(fā)生較大沉降。

2.3 地下水

地下水對隧道周圍巖土體的穩(wěn)定性有直接的影響，主要體現(xiàn)在強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)兩個(gè)方面。地下水位以下，隨著巖土體靜水壓力的增加，巖土體有效應(yīng)力減小，應(yīng)力狀態(tài)變差，進(jìn)而導(dǎo)致巖土體失穩(wěn)。地鐵穿過隔水層時(shí)，水壓增大。破碎帶巖體裂隙水較發(fā)育、透水性強(qiáng)，孔隙水壓力的作用降低了圍巖的穩(wěn)定性，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中可能會(huì)出現(xiàn)圍巖滲漏水、掌子面涌水、坍塌等事故。該工程斷裂帶塊狀碎裂巖中主要為構(gòu)造裂隙水，裂隙稀疏，但張開性好、延伸遠(yuǎn)、導(dǎo)水能力好。這類巖石大多構(gòu)成含水(或透水)層，其富水性與斷裂帶的性質(zhì)、規(guī)模和補(bǔ)給條件有關(guān)，無統(tǒng)一水面，具有一定的承壓性。整體上本區(qū)間斷層及節(jié)理、裂隙均較發(fā)育，構(gòu)造裂隙水局部發(fā)育。與孔隙水相比較，它分布不均勻，往往無統(tǒng)一的水力聯(lián)系。

2.4 應(yīng)力場

應(yīng)力場一般可以分為自重應(yīng)力場(地應(yīng)力場)和構(gòu)造應(yīng)力場兩大類。地應(yīng)力場對巖土體穩(wěn)定性影響較大。地應(yīng)力的大小和方向可以決定巖石和土體的應(yīng)力狀態(tài)。破碎帶可減少應(yīng)力場的應(yīng)力集中，但應(yīng)力場會(huì)隨破碎巖石的性質(zhì)、空間分布而改變，從而增加了對巖體穩(wěn)定性判斷的難度。

2.5 掘進(jìn)參數(shù)

隧道周圍巖體的穩(wěn)定性與盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)有著緊密的聯(lián)系。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的過程中，要及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，尤其在不同地層中掘進(jìn)時(shí)，施工參數(shù)有著非常大的不同，可通過及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)推力、刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度等參數(shù)來確保隧道穿越破碎帶時(shí)周圍巖土體的穩(wěn)定性。

3 海底盾構(gòu)隧道模型的建立

本文使用FLAC3D有限差分軟件對海底盾構(gòu)穿越破碎帶的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 模型的建立

選取8號線海域段建立了海底盾構(gòu)隧道三維模型。盾構(gòu)機(jī)開挖直徑為7 m。根據(jù)右線地質(zhì)縱斷面圖，巖土層從上到下分別為中粗砂、粉質(zhì)黏土、微風(fēng)化凝灰?guī)r及碎裂的中風(fēng)化凝灰?guī)r，且認(rèn)為巖石和土體為無限體。為了避免邊界效應(yīng)，以及考慮到盾構(gòu)開挖后的地應(yīng)力重分布范圍，模型尺寸為60 m×60 m×60 m，隧道埋深為26.5 m，縱向長度取60 m。盾構(gòu)隧道周圍對網(wǎng)格進(jìn)行了加密。

本工程襯砌單元采用寬1.5 m的混凝土管片，模型取3 m為1個(gè)進(jìn)尺，采用殼單元實(shí)現(xiàn)。海底盾構(gòu)隧道模型如圖2所示。

3.2 參數(shù)取值

根據(jù)《青島市地鐵8號線詳細(xì)勘察階段大洋站至青島北站站區(qū)間勘察報(bào)告》，確定海底盾構(gòu)隧道三維模型中對的地層參數(shù)，見表1。

表1 海底盾構(gòu)隧道模型材料物理力學(xué)參數(shù)選取

3.3 本構(gòu)模型選取及邊界條件設(shè)置

由于F4破碎帶巖石和土體的非線性較明顯，因此進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，采用莫爾-庫侖塑性模型。

海底盾構(gòu)隧道模型采用不透水邊界，其底面及前、后、左、右4個(gè)面均固定?？紤]到地下水的影響，水面設(shè)置在模型頂面，以模擬實(shí)際工程中的孔隙水壓力分布；并根據(jù)地質(zhì)剖面圖，將模型之外的5 m海水等效為上部荷載并施加在模型頂面。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，將各個(gè)巖土層的參數(shù)賦予模型。通過初始地應(yīng)力平衡，得到初始應(yīng)力場，并以初始地應(yīng)力為基礎(chǔ)進(jìn)行后續(xù)開挖計(jì)算。

4 盾構(gòu)隧道穿越破碎帶施工穩(wěn)定性分析

4.1 隧道變形規(guī)律分析

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件，在進(jìn)入F4破碎帶之前，盾構(gòu)機(jī)是在圍巖整體性較好的微風(fēng)化凝灰?guī)r中掘進(jìn)，然后進(jìn)入中風(fēng)化凝灰?guī)r破碎帶。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工中模型的位移云圖，見圖3—圖4。

由圖3—圖4可見，在微風(fēng)化凝灰?guī)r中隧道拱頂沉降為1.18 mm，拱底位移為1.21 mm；在碎裂的中風(fēng)化凝灰?guī)r破碎帶中拱頂位移為3.73 mm，拱底位移為3.75 mm。兩種地質(zhì)條件下，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)對上部巖層沉降影響范圍及沉降值不同。盾構(gòu)機(jī)在破碎帶中掘進(jìn)時(shí)，其對上部巖層沉降影響范圍相對較小，但沉降值較大，達(dá)到1 mm；而盾構(gòu)機(jī)在非破碎帶掘進(jìn)時(shí)，其對上部巖層沉降影響范圍相對較大，而沉降值較小，為0.2 mm。在相同進(jìn)尺條件下，隧道在破碎帶周圍的豎向位移要明顯大于微風(fēng)化凝灰?guī)r(見圖5)。

盾構(gòu)機(jī)施工中，隧道拱頂沉降的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比見圖5。由圖5可見，隧道拱頂沉降的監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致。

盾構(gòu)機(jī)由微風(fēng)化巖層掘進(jìn)到F4破碎帶時(shí)，隧道拱頂沉降由于圍巖整體性突然變差，導(dǎo)致沉降值從1.15 mm增加到2.91 mm；且隨著開挖進(jìn)尺的增加，沉降值亦逐步增加，最終拱頂?shù)某两抵悼梢赃_(dá)到5.00 mm左右。

通過對比微風(fēng)化凝灰?guī)r與F4破碎帶拱頂沉降曲線，可以預(yù)見盾構(gòu)機(jī)穿越破碎帶時(shí)會(huì)有較大的拱頂沉降，這可能會(huì)導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)、上部碎裂巖體引起海水入侵等問題。

4.2 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律分析

相同進(jìn)尺下，圖6和圖7分別表示盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至24 m(微風(fēng)化凝灰?guī)r)和54 m(中風(fēng)化凝灰?guī)r破碎帶)時(shí)，隧道的應(yīng)力分布云圖。由圖6—圖7可見，兩幅隧道應(yīng)力云圖均大致呈“漏斗”形分布。盾構(gòu)機(jī)開挖導(dǎo)致隧道周圍巖石應(yīng)力重分布，該應(yīng)力主要集中在拱頂、拱底及拱腰附近，且應(yīng)力最大值集中在拱腰附近。

在微風(fēng)化凝灰?guī)r中繼續(xù)開挖，巖體應(yīng)力進(jìn)一步釋放，拱底和拱頂?shù)呢Q向應(yīng)力相對較小。而盾構(gòu)機(jī)在破碎帶中掘進(jìn)時(shí)，拱頂和拱底均出現(xiàn)拉應(yīng)力。破碎帶中大多為碎裂的中風(fēng)化凝灰?guī)r，整體性較差，抗拉性能較弱。在這種應(yīng)力狀態(tài)下很容易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)，引起沉降過大。

圖8為微風(fēng)化凝灰?guī)r和碎裂的中風(fēng)化凝灰?guī)r破碎帶交界處(以下簡稱“交界處”)圍巖最大主應(yīng)力分布云圖。

由圖8 a)可見，圍巖最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，在開挖時(shí)拱頂上方圍巖應(yīng)力釋放明顯，且其最大主應(yīng)力集中在拱腰，并沿對稱軸對稱分布；拱底的最大應(yīng)力分布與拱頂類似，拱底最大主應(yīng)力比其周圍圍巖的應(yīng)力要低。

由圖8 b)可見，在微風(fēng)化凝灰?guī)r和碎裂的中風(fēng)化凝灰?guī)r破碎帶交界處，會(huì)呈現(xiàn)“凸起”狀，圍巖最大主應(yīng)力集中在其交界處，且盾構(gòu)機(jī)所在的巖層應(yīng)力分布不再均勻，會(huì)波及隧道附近的巖體。

4.3 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)控制

將8號線計(jì)算模型縱向的60 m分為微風(fēng)化凝灰?guī)r段(長0～30 m)與破碎的中風(fēng)化凝灰?guī)r段(0～30 m)。將盾構(gòu)機(jī)在這兩種性質(zhì)不同圍巖中的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對比，見圖9—圖11。

從圖9—圖11中可見，由于微風(fēng)化凝灰?guī)r的巖性完整且整體性較好，因此盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度和刀盤的轉(zhuǎn)速應(yīng)較慢，盾構(gòu)機(jī)所施加的推力較大。盾構(gòu)機(jī)在穿越破碎帶時(shí)，其推力相對較穩(wěn)定且變化幅度較小，但掘進(jìn)速度相對較快。盾構(gòu)機(jī)在穿越破碎帶時(shí)掘進(jìn)參數(shù)建議值見表2。

表2 泥水盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)建議取值

5 結(jié)語

1) 盾構(gòu)機(jī)從微風(fēng)化凝灰?guī)r進(jìn)入破碎帶時(shí)，拱頂位移明顯增大，拱底因巖體應(yīng)力釋放向上隆起且其位移值大于拱頂?shù)某两抵怠r性完整的巖層沉降影響范圍大，但沉降值較??；而破碎帶巖層影響范圍較小而沉降值較大，在盾構(gòu)機(jī)即將進(jìn)入破碎帶時(shí)，可適當(dāng)采取預(yù)加固措施。

2) 豎向應(yīng)力主要集中在巖體開挖附近，其最大值沿對稱軸對稱分布在拱腰兩側(cè)。盾構(gòu)機(jī)在破碎帶中掘進(jìn)時(shí)，可能會(huì)在拱頂和拱底出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，這對巖層穩(wěn)定性非常不利，易引發(fā)圍巖失穩(wěn)破壞。在微風(fēng)化凝灰?guī)r和破碎帶的交界處，拱頂有明顯的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，其最大主應(yīng)力在拱腰處集中。該應(yīng)力釋放現(xiàn)象會(huì)對開挖面附近的巖體產(chǎn)生影響，使得開挖面附近及隧道周圍巖體的最大主應(yīng)力大于附近巖體的應(yīng)力。因此,必要時(shí)可對開挖面附近巖體進(jìn)行超前注漿或及時(shí)支護(hù)。

3) 破碎帶巖體碎裂、完整性差，力學(xué)強(qiáng)度低、抗剪性能差、易發(fā)生失穩(wěn)。因此，盾構(gòu)機(jī)在破碎帶中掘進(jìn)時(shí)，需及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，推力、刀盤轉(zhuǎn)速不宜過大，且要求平穩(wěn)，從而避免引發(fā)圍巖失穩(wěn)、滲水等事故。