地铁盾构穿越断层施工力学响应研究

田 宁

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 25002)

1 工程概况

沈阳地铁1号线云沈盾构区间下穿断层带，地层松散，覆土厚度小，盾构施工稳定性较差，并且穿越断层破碎带，有较大的施工风险及隐患。长达400m长区段盾构掘进下穿，易形成地层过大扰动、影响地面行车安全。由于下穿地层不均匀，极易导致衬砌管片的纵向不均匀变形而损坏管片结构。

2 建立模型及参数

以沈阳地铁1号线云沈盾构区间为研究背景，采用FLAC3D三维程序，计算范围取纵向100m，其中，中风化泥灰岩30m、断层40m、微风化泥灰岩30m;水平方向长度约为70m，垂直方向隧道底部以下25m，模型上表面取至拱顶18m，盾构直径3m。

围岩参数根据沈阳地铁1号线云沈盾构区间岩土工程勘察规范，具体计算参数如表1所示，岩体本构模型选用Mohr-Coulomb弹塑性模型。

表1 围岩物理力学参数

按抗弯刚度等效的原则，管片作为一个等效体，并采用弹性三维实体单元进行模拟，具体物理力学参数见表2。

根据可研阶段初步地应力反演结果:σx(垂直隧道轴线水平方向)=σy=208.3 kPa(平行轴线水平方向)、σz=387.0 kPa(竖直方向)，左、右边界及下边界法向约束，上边界为地表。

3 数值模拟结果与分析

隧道空间效应的力学阐释可以认为由于隧道作业面对其附近围岩的“虚拟支撑”作用，围岩和管片相互作用，最终达到平衡。

3.1 围岩变形特性分析

随开挖面的不断向前推进，围岩变形随距作业面距离的加大而逐步释放。

(1)地表变形

盾构施工穿越中风化泥灰岩、断层及微风化泥灰岩，施工结束后，地表沉降曲线如图1所示。

图1 地表沿纵向沉降曲线

在评价隧道稳定性时，变形是重要数据之一。从图1看出，最大沉降发生在断层区段，地表沉降发生不均匀对称，最大沉降达2.6 mm，小于规范标准，地表变形很小，地层相对安全，围岩稳定性较好，不会引起塌方等不稳定事故。

施工结束后，地表横向沉降曲线如图2所示。

图2 不同下卧层地表沉降槽曲线

从图2看出，模型两端的中风化泥灰岩和微风化泥灰岩地表沉降相对很小，横向沉降也集中于断层地段，呈现对称趋势，横向有效影响范围为20m，相当于3倍洞径。

盾构掘进施工结束后，围岩竖向、水平总体变形如图3所示。

图3 整体变形云图(单位:m)

从图3中看出，围岩变形主要集中在断层范围内，其位移明显要大于周围岩土体。竖向变形主要发生在断层中间位置，而水平变形主要发生在地层变化接头处，容易引起管片的错位破坏，因此要加强设计参数，从而控制最终的变形，有利于管片衬砌整体稳定性。

3.2 工作面核心土体挤出变形

20世纪80年代初，意大利Pietro Lunardi教授将隧道开挖过程中的变形效应通过三维空间进行分析，并辅之以大量的理论和试验研究，提出岩土控制变形分析(ADECO-RS)工法，其本质为工作面预变形对隧道围岩最终变形影响很大，并且将之运用于隧道设计施工中。该工法把主要的注意力放在工作面前方一定范围内围岩的稳定上，通过控制工作面前方围岩的变形，来减小隧道开挖后围岩的变形，施工过程中盾构端头到达不同位置工作面挤出变形如图4所示。

由图4看出，工作面变形明显，盾构端头到达中风化泥灰岩和微风化泥灰岩分界面时，工作面向工作面后方挤出变形最大为34 mm，说明推力过小，应适当加大。盾构端头到达断层中间位置，工作面向前挤出9 mm，说明推力过大，应大幅度减小。盾构端头到达断层和微风化泥灰岩分界面，工作面基本不发生变形，说明推力应该略有减小。

图4 施工工程中工作面挤出变形云图

工作面到达不同位置时，工作面前方深部围岩沿纵向变形曲线如图5所示。

图5 工作面前方深部水平岩体挤压变形

从图5可以看出，工作面穿越不同岩层前方深部水平岩体挤压变形差异较大，最大的发生在工作面到达中风化泥灰岩和微风化泥灰岩分界面，结论与图4类似。

3.3 衬砌管片变形特性

盾构穿越断层，必然导致衬砌管片不均匀变形，施工结束后，管片拱顶、边墙及仰拱径向变形如图6所示。

图6 管片结构变形沿纵向变化曲线

从图6看出，衬砌下沉边墙和拱底基本对称，而拱顶下沉沿纵向不对称，并且位移突变影响范围为断层内10m左右，而对于两端硬岩基本没有影响。因此，要对分界处的围岩进行处理，有效加固范围为断层内10m地层。

3.4 衬砌管片力学响应

盾构穿越不均匀地层，必然导致衬砌管片不均匀变形，拱顶管片衬砌纵向应力和最小主应力如图7所示。

从图7看出，拱顶应力沿纵向很不均匀，地层的物理力学性质的突变，使得纵向应力和最小主应力发生突变。纵向应力峰值发生在断层中央，而最小主应力峰值发生在断层与硬岩接头处。

仰拱管片衬砌纵向应力和最小主应力如图8所示。

从图8看出，仰拱衬砌管片应力沿纵向很不均匀，由于施工顺序的影响，纵向应力峰值出现在中风化泥灰岩和断层分界面，之后，逐渐减小;而最小主应力在不同地层接头处发生突变，宜加大分界位置附近的衬砌管片及连接螺栓的强度。

图7 管片结构拱顶位置沿纵向受力分布曲线

图8 管片结构拱底沿纵向受力分布曲线

4 结束语

结合盾构穿越断层掘进全过程力学行为，针对沈阳地铁云沈区间工程，研究地层及管片的变形特性、力学响应，得出如下主要结论:

(1)轴向地表最大沉降呈非对称分布，最大沉降达2.6 mm，小于规范标准。横向沉降也集中于断层地段，呈现对称趋势，横向有效影响范围为20m，相当于3倍洞径。洞周变形主要集中在断层范围内，其位移明显要大于周围岩土体。竖向变形主要发生在断层中间位置，而水平变形主要发生在地层物理性质突变处，易导致管片错位破坏。

(2)工作面穿越不同岩层前方深部水平岩体挤压变形差异较大，最大的发生在工作面刚到达断层，峰值为34 mm，说明推力过小，工作面前方有效加固距离为6m。盾构端头到达断层中间位置，工作面向前挤出9 mm，说明推力过大。盾构端头到达断层和微风化泥灰岩分界面，工作面基本不发生变形，说明推力应该略有减小。

(3)砌管片边墙和仰拱基本对称，而拱顶下沉沿纵向不对称，变形突变影响范围为断层内10m左右，对于两端硬岩管片变形基本没有影响，宜加强断层10m范围内管片衬砌设计参数。

(4)地层的物理力学性质的突变，使得纵向应力和最小主应力发生突变。拱顶纵向应力峰值发生在断层中央，而最小主应力峰值发生在断层与硬岩接头处。仰拱衬砌管片应力沿纵向很不均匀，纵向应力峰值发生在中风化泥灰岩和断层分界面，然后逐渐减小;而最小主应力在不同地层接头处发生突变。因此，宜加大分界位置附近的衬砌管片及连接螺栓的强度，提高管片衬砌整体稳定性。

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