盾构隧道穿越特殊地质围岩位移向量趋势线变形响应特征

刘秉峰， 张军伟， *， 李 雪， 祝全兵， 任跃勤

(1. 西南石油大学地球科学与技术学院， 四川 成都 610500；2. 中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司， 四川 成都 610081)

0 引言

盾构法以其机械化程度高、对环境干扰小、地层适应性强等优点，自20世纪80年代以来得到了极快的发展[1]。但是随着修建数量的快速增长，盾构所处的地层条件及掘进环境变得复杂多变，各种灾害事故时有发生，如我国昆明掌鸠河引水供水工程[2]，盾构在穿越复合地层时被迫停机拆除，工期延误1年多，直接经济损失上亿元，还有万家寨引黄工程[3]、坪林公路隧道[4]、西凯斯尔特河隧道[5]等，其中大部分都是盾构穿越不良地质体时发生了卡机、涌水涌砂、塌方等工程事故，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。

有关研究表明，隧道三维位移变化情况可预测开挖面前方地质条件。W.Schubert等[6]提出了位移向量角α的概念，根据α角的变化和发展趋势对开挖面附近一定范围内岩体强度的变化进行预测； I.M.Lee等[7]研究了不同侧向应力对隧道三维位移的影响； J.S.Jeon等[8]探讨了初始应力状态、隧道直径等对α角的影响； 熊良宵等[9]研究了洞室形状等对隧道围岩位移的影响规律。

目前关于位移向量角的研究和应用多是在矿山法中，鲜有不良地质体对盾构隧道位移影响规律的研究。本文在借鉴国内外学者提出的隧道三维位移数据处理方法和隧道三维变形展示方式的基础上，利用数值模拟方法探讨不良地质体如软(硬)岩层、断层破碎带、岩层产状、溶洞、球状风化体等对盾构隧道位移向量角α的影响及变化趋势，以期为今后盾构隧道工程设计与施工提供参考。

1 位移向量角及趋势线的概念

基于地质力学与监控量测数据间良好的对应关系，张宇等[10]和W.Schubert等[6]提出了位移向量角的概念，并在进一步的研究中发现拱顶处位移向量角的变化及其发展趋势可以反映掌子面前方岩体强度变化的重要信息。位移向量角的计算公式为

(1)

位移向量角的计算方法参照图1进行说明。将监测点布置在距掌子面为dz处，由开挖卸荷引起监测点处的垂直与轴向变形分量分别为S1和L1。当继续向前开挖l长度后，掌子面后方dz+l处(即监测点处)的垂直与轴向变形分量变为S2和L2，可知隧道掘进l后，监测点处的垂直、轴向变形分量的变化分别为ΔS=S2-S1和ΔL=L2-L1，此过程所导致的位移向量转变的角度为α，该α角是以测点为基准点和以铅垂向下为基线，依顺时针方向旋转变化为负值；反之，为正值。需要说明的是，每一测试断面均有一组位于开挖面后方dz+l处测点的位移向量角α，将各个断面所测得的α角依次连接而成的曲线即为位移向量趋势线，它所代表的含义是隧道掘进过程中轴向与垂直方向挤压的变化情况。

当开挖面接近不良地质体(带)时，隧道的轴向、垂直位移分量受开挖面前方不良地质体(带)的影响，α角将偏离原本正常状态(水平)，产生或正或负的变化。W.Schubert等[6]的研究结果表明，当隧道接近软岩区时，应力主要集中在硬岩区内，轴向位移ΔL会增大，进而导致α变大；当隧道接近硬岩区时，则会出现相反的趋势，即ΔL会减小，并导致α变小[6]。

(a) 开挖前

(b) 开挖后

有关研究[11]进一步表明，即使隧道开挖过程中变形量较小，α角仍然可预测开挖面前方1倍洞径处的地质情况。因此，该方法能敏感地反映出地质构造差异所产生的位移变化。

2 计算模型及参数选取

2.1 计算模型

以下数值分析中隧道洞室形状为圆形，直径为 7.5 m，衬砌管片厚0.4 m。初始应力状态设置为重力加载以模拟浅埋隧道，为减少计算量，取隧道的左半部分建模。模型如图2所示。坐标轴原点设置在隧道的圆心处，隧道水平向为X轴方向，轴向为Y轴方向，垂直向为Z轴方向。为降低边界效应，将模型的长、宽、高分别设为100、30、48 m。本文主要探讨盾构穿越如下不良地质体(带)时位移向量角的变化趋势： 1)软岩掘进至硬岩； 2)硬岩掘进至软岩； 3)不同破碎带宽度； 4)不同岩层产状； 5)相邻地层不同硬度比； 6)岩溶、空洞； 7)球状风化体。

隧道施工按全断面开挖，并在开挖面上施加一梯形分布的面力以模拟盾构施工。开挖面每次进尺为3 m，即2环衬砌管片宽度；混凝土衬砌管片采用C50混凝土强度。

图2 隧道计算模型Fig. 2 Computation model of tunnel

2.2 岩石力学模型及屈服准则

数值模拟中，将围岩材料按照弹塑性考虑，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，屈服函数如式(2)和式(3)所示。

(2)

ft=σ3-σt。

(3)

当岩体内某一点应力满足fs<0时，发生剪切破坏；当应力满足ft>0时，发生拉伸破坏。

2.3 岩体与支护力学参数

本研究中的岩体为均质各向同性材料，使用实体单元模拟并采用地质强度参数(GSI)区分不同岩体。其中，坚硬岩体GSI=50，中等强度岩体GSI=40，软弱岩体GSI=30。

岩体的物理力学参数根据文献[12]选取，如表1所示。

表1 岩体物理力学指标Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass

模型中混凝土衬砌单元也采用实体单元，并且是均质各向同性材料。根据文献[12]选取混凝土衬砌的物理力学参数，如表2所示。

表2 混凝土衬砌物理力学参数

3 计算结果分析

以下数值分析中： 1)在均质岩体条件下，位移向量方位趋势线略成一条水平线，称之为“正常状态”，并将此时的位移向量角α的值定义为平均值，即αave。以下数值分析中位移向量角α的大小等于α=α′-αave，其中α′为计算所得的位移向量角。2)隧道朝Y轴正值方向掘进，不良地质体(带)均位于Y=50平面上。

3.1 软岩区掘进至硬岩区

硬岩对位移向量趋势线的影响如图3所示。可以看出： 1)在距离硬岩20 m(约2.5B，B为隧道直径)处，α角开始偏离正常状态，变为负值，并随着距离的减小，α角的变化幅度呈现出明显增大的趋势； 2)当掘进至软、硬岩层界面时，α角达到负值最大值； 3)开挖面进入硬岩，α角随之减小，并在32 m(约4B)处再次呈现出水平趋势； 4)在距离软、硬岩层界面4～8 m(0.5B～1B)时，位移向量趋势线出现波动，这是因为当隧道由软岩向硬岩开挖时，由于轴向拱效应的影响，开挖面前方会产生应力集中的现象，且轴向拱效应主要以开挖面前方5 m(约0.625B)处为主要影响区； 5)当开挖面位于4～8 m(0.5B～1B)时，轴向拱效应恰好位于软、硬岩层界面处，坚硬岩体可承受较大应力而不易发生变形，同时，施加在开挖面上的盾构推力会限制轴向变形，进而导致α值出现波动。

3.2 硬岩区掘进至软岩区

软岩对位移向量趋势线的影响如图4所示。可以看出： 1)盾构隧道由硬岩掘进至软岩时位移向量角的变化趋势与盾构隧道由软岩掘进至硬岩的趋势线相反； 2)在距离硬岩区20 m(约2.5B)处，α角开始偏离正常状态，变为正值，并随着距离的减小，α角的变化幅度呈现出明显增大的趋势； 3)当掘进至岩层分界面时，α角达到正值最大值； 4)开挖面进入软岩时，α角随之减小，并在32 m(约4B)处再次呈现出水平线的趋势； 5)在距离软、硬岩层界面4～8 m(0.5B～1B)时，位移向量趋势线出现波动，这是因为当隧道由硬岩向软岩开挖时，由于纵向拱效应的影响，开挖面前方会产生应力集中的现象，软弱岩层通过变形来承受较大应力，同时，施加在开挖面上的盾构推力会限制轴向变形，进而导致α值出现波动。

图3 硬岩对位移向量趋势线的影响Fig. 3 Influence of hard rock on displacement vector trend line

图4 软岩对位移向量趋势线的影响Fig. 4 Influence of soft rock on displacement vector trend line

对比图3和图4可以看出: 虽然在均质岩体(硬岩、软岩)中的位移向量趋势线均呈水平状态，但硬岩与软岩的位移向量趋势线不在同一水平线上，这是由于不同岩体之间物理力学性质差异引起的。

3.3 断层破碎带宽度

在此算例中，断层破碎带的宽度分别为10 m(1.25B)、20 m(2.5B)和30 m(3.75B)，将完整岩体设置为硬岩，将断层破碎带处的岩体设置为软岩。相关物理力学参数如表1和表2所示，计算结果如图5所示。

本算例中α角的变化趋势与上述2个算例中α角的变化趋势有一定相似之处，均质岩体掘进至断层破碎带可视为硬岩掘进至软岩，而断层破碎带掘进至均质岩体可视为软岩掘进至硬岩。

图5 断层破碎带宽度对位移向量趋势线的影响

Fig. 5 Influence of width of fault and fracture zone on displacement vector trend line

由图5可以看出： 1)当开挖面距离断层破碎带20 m(2.5B)处，α角开始偏离正常状态，虽然断层破碎带的宽度不同，但α角的变化都是在距断层破碎带相似距离处开始的； 2)随着距离的减小，α角的变化幅度呈现出明显增大的趋势； 3)当掘进至均质岩体与断层破碎带界面时，α角达到正值最大值； 4)开挖面进入断层破碎带时，α角随之减小，并在断层破碎带与均质岩体界面处达到负值最大值，最终在距界面32 m(约4B)处再次呈现出水平线的趋势。

综上分析可知，断层破碎带的宽度对α角的影响主要体现在以下2点： 1)随着断层破碎带宽度的增加，α角的正值最大值与负值最大值均有所增加。2)当开挖面进入断层破碎带后，断层破碎带越窄，α角的减小幅度越大； 断层破碎带越宽，α角的减小幅度越小。

3.4 岩层产状

在前面所述算例中，地层界面均是垂直于隧道轴线的，而在实际中，根据地质条件的复杂程度，地层界面可以处于任何角度。在此算例中，研究了与水平面呈45°和90°的岩层倾角对位移向量角的影响。

岩层产状对位移向量趋势线的影响如图6所示。可以看出： 1)当岩层倾角与水平面呈45°夹角时，在距离硬岩32 m(约4B)处，α角开始偏离正常状态，变为负值，略早于90°倾角，并随着距离的减小，α角的变化幅度呈现出明显增大的趋势； 2)当掘进至岩层界面时，α角达到负值最大值，但其变化幅度及负值最大值均小于90°倾角算例； 3)开挖面进入硬岩时，α角随之减小，并在32 m(约4B)处再次呈现出水平线的趋势，其α角的值小于90°倾角的值。

图6 岩层产状对位移向量趋势线的影响

3.5 相邻地层强度比

相邻地层强度比对位移向量角的影响趋势线如图7所示。可以看出： 1)当隧道由软岩掘进至中等强度岩体区域时，在距离硬岩区12 m(约1.5B)处,α角开始偏离正常状态，变为负值，略晚于隧道由软岩掘进至硬岩时的20 m(2.5B)处，并随着距离的减小，α角的变化幅度呈现出明显增大的趋势; 2)当掘进至软、硬岩层界面时，α角达到负值最大值，但仍小于隧道由软岩掘进至硬岩时的负值最大值; 3)开挖面进入硬岩，α角随之减小，并在32 m(约4B)处(即X=4B处)再次呈现出水平线的趋势。

图7 相邻地层强度比对位移向量趋势线的影响

Fig. 7 Influence of strength ratio of adjacent strata on displacement vector trend line

3.6 岩溶、空洞

本算例中，主要研究岩溶、空洞的尺寸对位移向量角的影响，首先考虑岩溶、空洞尺寸不超过盾构直径时的情况，假设其尺寸分别为4 m(0.5B)、6 m(0.75B)和8 m(1B)，岩溶、空洞与隧道轴线的交点位于Y=50处，在此算例中将岩体设置为GSI=50，岩溶、空洞等设置为空模型。

岩溶、空洞对位移向量趋势线的影响如图8所示。可以看出： 1)当开挖面距离岩溶空洞8 m(约1B)时，α角迅速增大； 2)在间距为4 m(约0.5B)处达到正值最大值； 3)随着间距的减小，α角迅速减小，当开挖面抵达岩溶空洞时，α角达到负值的最大值。

图8 岩溶、空洞对位移向量趋势线的影响

Fig. 8 Influence of karst and void on displacement vector trend line

当岩溶直径大于盾构直径，此时盾体与岩土体分离，难以获取α值的变化。随后，开挖面通过岩溶、空洞区域，α角迅速变为正常状态并呈一水平线。由此可知，当盾构在岩溶发育地区掘进时，应更加密切地关注α角的变化。

3.7 球状风化体

在此算例中，研究球状风化体的尺寸对位移向量角的影响，其尺寸分别为4 m(0.5B)和6 m(0.75B)，球状风化体与隧道轴线的交点位于Y=50处，并将岩层设置为GSI=30，球状风化体设置为GSI=50。

球状风化体对位移向量趋势线的影响如图9所示。可以看出： 1)随着球状风化体直径的增大，α角将更早地偏离正常状态，呈现出波动上升的趋势； 2)在距离球状风化体4 m(0.5B)附近达到正值最大值，随后迅速下降，并在X=0.5B处达到负值最大值，最终逐渐回归到正常状态。

图9 球状风化体对位移向量趋势线的影响

Fig. 9 Influence of spherical weathered body on displacement vector trend line

对比图8和图9可以看出： 岩溶、空洞、球状风化体的直径对位移向量角的变化幅度有较大影响，当直径较小时，其α角的正值最大值与负值最大值的差值较小，随着直径的增加，其差值迅速变大。

4 结论与建议

1)盾构由软岩向硬岩掘进时，位移向量趋势线逐渐下降，α角在地质界面处达到负值最大值；反之，位移向量趋势线逐渐上升，α角在地质界面处达到正值最大值。因此，可通过α角的变化趋势预测预报开挖面前方岩土体强度。

2)随着破碎带宽度的增加，位移向量趋势线呈现出规律性变化。破碎带越宽，开挖面在地质界面处α角的值越大，但其降低幅度越缓慢。

3)倾角越陡，α变化越早，变化幅度较小； 反之，α变化越晚，变化幅度较大。

4)相邻地层强度差异越大，位移向量趋势线变化越明显。

5)当开挖面掘进至距离岩溶、空洞1倍洞径时，α角开始变化。在岩溶发育区，应密切关注α角的变化。

6)随着球状风化体直径的增加，α角的变化越早且变化幅度越大。

本文仅是在自重应力场下进行的单线盾构隧道建模计算，若在分析中充分考虑隧道埋深、构造作用、地下水等因素，则计算结果将更加接近现实中盾构隧道开挖引起的三维变形情形。若采用双线、非直线方式模拟，则其计算结果将与本研究结果有所差异，值得进一步研究和探讨。