断层破碎带中泥水盾构掘进参数优化研究

2020-10-24姜克寒刘邦秦坤元周涛

交通科学与工程 2020年3期

姜克寒，刘邦，秦坤元，周涛

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410004)

泥水仓泥浆压力、盾构掘进注浆压力及掘进速度等是保证隧道安全、高效施工的关键。为确保泥水盾构的使用性能，研究泥水盾构参数对地层变形十分必要。施工参数的选取会对土层的损失产生很大的影响，因此，需对施工参数进行严格控制和合理选取。目前，针对盾构掘进参数优化控制的研究主要集中在2 个方面：①在不同地质条件下，不同掘进参数对围岩变形的影响；②在掘进参数的优化措施及方法研究。张健[1]等人研究了盾构隧道施工时，地层深度和注浆压力等对地层变形的影响。魏纲[2]等人基于Mindlin 解对盾构造成的地表沉降进行了计算。唐晓武[3]在此基础上，补充了刀盘摩擦造成地表沉降的计算公式。张润峰[4−5]等人通过工程实践，得到了不同盾构隧道的实测掘进参数，并对其影响因素和工程措施进行了分析。余志刚[6]等人研究了泥质粉砂岩地层条件下，泥水盾构掘进参数的变化规律，并进行了关联性分析。李超[7]等人采用BP(Back Propagation，简称为BP)人工神经网络，建立了复合地层条件下，盾构掘进参数的预测模型。郑刚[8]等人在分析盾构掘进参数和对周围地层影响规律的基础上，根据参数对地层变形的影响程度进行排序，并且针对参数提出相应的控制措施。凌同华[9]等人研究不同循环进尺对断层段盾构隧道施工的影响，并进行验证和优化。朱合华[10]等人通过数值模拟等方法，研究了不同推进速度及不同螺旋机转速等情况下，施工参数对地层变形的影响。张恒[11−13]等人针对泥水仓泥浆压力和盾尾注浆2 个参数，将盾构施工对地层变形的影响进行了详细的分析。周文波[14]等人采用神经网络，建立了盾构掘进参数的变形预测数学模型。杜鹃[15]等人基于层次聚类，提出了地下隧道施工中地表沉降致险因素的聚类机制。部分研究成果对盾构隧道施工的掘进参数进行了优化研究，但是对优化施工主要参数的研究鲜见。因此，本研究依托长沙地铁 6 号线六沟垅-文昌阁(六文)区间左、右线下穿湘江泥水盾构隧道，穿越F085 主断层破碎带地层的盾构隧道施工。拟通过Midas/GTS NX 软件对其开挖进行模拟，对施工参数进行优化数值计算，得到地表竖向变形图和沉降槽分布曲线，分析不同参数对地层变形沉降的影响，获得最适宜的掘进参数，以期为类似工程施工提供指导。

1 工程概况

长沙地铁6 号线六文区间左、右线下穿湘江断层破碎带地层隧道工程。本区间隧道YDK29+184～YCK29+556 穿越F085 主断裂(372 m)，YDK28+920～YDK29+184(264 m)和YDK29+556～YDK29+660(104 m)穿越F085 分支断裂及断裂影响带，穿越断裂及断裂影响带范围为740 m。断裂带岩性为构造角砾岩和碎裂岩等，母岩为板岩和泥质板岩等。具有重新胶结现象，胶结极差，岩石强度极低。岩芯呈半岩半土状。岩体呈角砾结构、散体结构及碎裂结构等，完整性极差，稳定性差。根据鸭子铺隧道钻孔ZK1-358 的资料，碎裂岩为灰色，岩芯呈碎屑状。岩石质量指标RQD=0，岩石质量极差。岩体完整性指数为0.09～0.13 m，岩体极破碎，基本质量等级为Ⅴ级。岩石天然单轴抗压强度平均为1.6 MPa。

湘江段F085 断裂带，与隧道轴线大角度相交，宽度约300 m，倾向东，倾角约80°，附近存在不明次生断裂、软弱夹层及裂隙，与湘江水体贯通，股状地下水会产生涌出或突涌的可能，故该地段掘进是本工程的难点。区间盾构隧道地层条件、尺寸及隧道位置关系如图1 所示。

图1 地层条件剖面Fig. 1 Section profile of the formation coudition

2 掘进参数优化模型

根据现场盾构施工的工艺流程，通过Midas/GTS NX 软件对其开挖进行模拟。为确保充分考虑盾构开挖的影响范围，且消除模型边界效应。根据实际工程现场条件，确定模型边界范围，以隧道开挖为中心点，取3～5 倍开挖洞径，X,Y,Z方向分别取80,80,60 m。取湘江水位深度为9.8 m 位置，从上往下分别为：卵石和断层破碎带地层。土体应力应变关系采用修正摩尔-库伦准则。3D 有限元数值模型如图2～5 所示。

图2 有限元模型整体Fig. 2 Overall diagram of the finite element model

图3 长沙地铁6 号线主线位置关系Fig. 3 Structure mutual position relation of Changsha MetroLine 6

图4 泥水仓压力示意Fig. 4 The mud silo pressure schematic

图5 注浆压力示意Fig. 5 The schematic of grouting pressure

模型中采用的所有参数，均根据地质勘探报告及相关设计资料获取，本模型采用的地层及主要结构材料参数见表1。为使各施工参数对地层的影响更为突出，模拟施工过程中，不考虑右线的变形，仅比较 6 号线左线施工的模拟结果。模拟工况参数见表2。

2.1 盾构掘进泥水仓压力

在泥水加压式盾构工法中，通过在刀盘后方泥水仓内，注入泥浆，在泥水仓内形成一定大小的泥浆压力，作用在隧道开挖掌子面上，与掌子面处的水土压力保持平衡，保障隧道掌子面土体的稳定性。选取泥水仓泥浆压力分别为 150,200,250,300 kPa4 种施工工况，进行该区间施工的模拟。

表1 模型地层参数Table 1 Formation parameters of the model

表2 模拟工况参数Table 2 Simulated operating parameters

不同泥水仓泥浆压力作用下，隧道左线施工过程中，对应隧道轴线位置的地表竖向变形如图6 所示。

从图6 中可以看出，在盾构隧道左线施工过程中，引起对应隧道轴线位置的地表竖向变形较大。由于泥水仓泥浆压力较大时，隧道掌子面前方土体的沉降值要小于低泥水仓泥浆压力时的。表明：泥水仓泥浆压力可以控制掌子面前方土体沉降变形，但盾构机继续向前推进，泥水仓泥浆压力较大时，会对开挖地层产生较大的扰动，最大沉降值随着泥浆压力的增大而增加。当泥水仓泥浆压力分别为150,200,250,300 kPa 时，对应左线隧道轴线位置的地表最大沉降变形值依次为：11.46,11.69,11.77,11.93 mm。因此，结合有限元数值模拟计算结果，该区间泥水仓泥浆压力设置为250 kPa 较为合适。

图6 不同泥水仓压力下的地表竖向变形Fig. 6 Vertical deformation of surface at different mud silo pressure

2.2 盾构掘进注浆压力

选取注浆压力分别为150,200,250,300 kPa 4 种施工工况，对该区间盾构施工注浆压力参数的取值进行优化。不同注浆压力作用下，隧道左线施工完成后，地表竖向变形如图7 所示。

从图7 可以看出，当选取盾构掘进注浆压力分别为150,200,250,300 kPa 4 种施工工况，进行了模拟，最大地表竖向变形值依次为：12.89,12.86,12.83,12.80 mm。表明：地表最大变形值随注浆压力的增大而减小，但变化幅度较小。结合现场的地层条件，参考类似长沙区域盾构经验，将该区间内的注浆压力设置为250 kPa 较为合适。

2.3 盾构掘进速度

选取盾构掘进速度分别为10,20,30,40 mm/min 4 种施工工况，对该区间断层破碎带地层盾构施工掘进速度参数的取值进行优化分析。在不同的盾构掘进速度下，隧道左线施工完成后，垂直隧道轴线方向的地表沉降槽分布曲线如图8 所示。

图7 各注浆压力下的地表竖向变形Fig. 7 Vertical deformation of the surface at different of grouting pressure

图8 各掘进速度下的地表沉降槽沉降变形Fig. 8 Surface sink distribution curve at different driving speed

从图8 中可以看出，当盾构掘进速度分别为10,20,30,40 mm/min 时，地表沉降槽最大沉降变形值依次为：11.51,11.92,12.39,12.95 mm。因此，盾构隧道施工过程中，盾构掘进速度越大，地层所受扰动程度和地表最大沉降值越大。该区间盾构穿越断层破碎带，岩体破碎，渗透性强，掘进速度的影响较大。需选择合适的盾构掘进速度，使得泥水平衡盾构掘进过程中，刀盘开挖系统、泥水仓泥浆环流系统、盾构机千斤顶推力系统、同步注浆系统、渣土输送系统及渣土改良系统等完美结合，共同保持动态平衡，实现盾构隧道安全经济高效的施工。所以，根据本模型的计算结果和现场工程地质勘察报告及类似盾构施工工程的资料分析，将该区间的掘进速度设定为20 mm/min 为宜。