TBM穿越破碎带隧道围岩稳定性分析★

2023-02-18李树光李锁在孔德森

山西建筑 2023年4期

李树光，滕森，李锁在，孔德森，孙博

(1.中铁三局集团第四工程有限公司,北京 102300; 2.山东科技大学土木工程与建筑学院,山东青岛 266590)

近年来我国市政工程建设迅速发展，城市化进程在不断加快，城市地下空间的开发利用成为了解决城市化过程中的发展问题和提升城市竞争力重要途径，其中地铁的建设将极大缓解交通压力并推动城市经济发展。城市地铁的线路规划往往取决于交通功能的需要，因此地铁建设过程中将不可避免的穿越断层破碎带等不良地质体[1]。

万飞等[2]依托关角隧道F2-1断层破碎带，采用监控量测的方法对支护结构及围岩进行分析，提出了一系列施工支护方案，并取得了良好的效果；尚彦军等[3]依托昆明上公山引水隧道，针对破碎带导致的卡机问题进行了研究，提出了围岩蠕变发生条件及护盾变形破坏机理；钟威等[4]采用层次分析法建立破碎带施工风险评价体系，并应用于大坪山隧道，取得了良好的效果;陈剑等[5]针对青岛市某地铁隧道区间，分析了富水破碎带突水涌砂的原因，提出以地表注浆为主、洞内堵水为辅的综合治理措施；杨青莹等[6]以永莲隧道为工程背景，通过有限元软件研究了破碎带厚度、倾角对围岩变形影响；黄锋等[7]利用离散元软件分析研究了破碎带与隧道断面相对位置的变化对隧道开挖力学响应的影响；台启民等[8]通过有限元数值软件模拟，对破碎带超前支护参数的敏感性和加固有效性进行了分析；徐前卫等[9]结合数值模拟与模型试验的方法，研究了施工过程中围岩的渐近性破坏过程及受力变形特性；张庆松等[10]研制出大型三维地质模型试验系统，揭示了断层破碎带中围岩渗流压力、位移及应力应变的变化规律；王德明等[11]采用模型试验的方法研究了破碎带开挖扰动作用下洞周位移规律；黄锋等[12]利用室内相似模型试验对无支护条件下软弱夹层围岩松动区、破坏区的发展过程进行了研究，发现受到软弱夹层的影响，围岩由下盘局部破坏开始扩展至上盘形成拱形为止；王飞等[13]采用模型试验的方法研究了不均匀沉降条件下衬砌结构变形特征，提出衬砌轴向变形过程可分为5个阶段；何川等[14]通过振动台模型试验对跨断层破碎带隧道的动力响应进行了研究，分析了隧道衬砌结构的内力分布和地层变形规律。

在破碎带支护加固及围岩变形规律方面的研究已比较完善和成熟，但基本都集中在山岭、公路等深埋隧道中。以青岛地铁二号线西延段工程为特定背景对城市中TBM穿越浅埋微风化硬岩破碎带建立三维数值计算模型，分析注浆加固前后微风化硬岩破碎带对隧道围岩变形规律影响，希望通过研究为TBM穿越破碎带施工提供参考。

1 工程概况

青岛地铁二号线西延段工程连接市南区与市北区，线路起于轮渡站，终止于泰山路站，线路全长3.87 km，均为地下线。其中各区间均采用TBM法施工，单线掘进总长度2.8 km。轮渡站—小港站区间线路起始于金茂湾小区，经日喀则路进入轮渡，向北沿莘县路、冠县路及新冠高架西侧敷设，区间线路起讫里程AK21+390～AK23+030，全长1 640 m，区间埋深29.5 m～48.4 m，最大坡度28‰，最小曲线半径400 m，两台TBM分别从轮渡站始发井左右线始发，右线晚于左线1个月且纵向间距大于250 m后开始掘进，区间管片衬砌强度C50，抗渗等级P10，内径为5 400 mm，管片外径为6 000 mm，环宽1 500 mm。

轮渡站—小港站岩土工程勘察报告表明，区间场地自上而下分布有厚2.7 m～9.3 m的①素填土、厚1.2 m～5.8 m的②粗砾砂、厚0.6 m～6.2 m的粉质黏土，厚2.5 m～15.0 m的强风化粗粒花岗岩，厚0.1 m～17.5 m的中风化粗粒花岗岩，厚0.8 m～39.5 m的微风化粗粒花岗岩。场区沿线断裂带为沧口断裂及大沽河-潮连岛断裂的伴生或次生断裂，在场地区间范围内，局部地段相邻钻孔所揭露的岩体风化程度及节理发育程度差别较大，判断为构造破碎带。经统计在区间内共存在5条构造破碎带如图1所示，TBM掘进长度1 640 m，破碎带长度为455 m，占TBM掘进长度的27.7%。区间隧道于AK22+044开始通过F3破碎带，走向北东，倾角为70.8°，破碎带影响带宽约115 m，破碎带表现特征为岩体节理裂隙发育密集，岩体节理面充填大量黏土矿物，岩体间黏结强度低，岩体呈碎块化碎裂状结构，作为隧道结构的拱顶及侧墙岩层时自稳性差，易出现坍塌、掉块风险。

2 数值计算过程

2.1 数值计算模型的建立

以轮渡站—小港站区间隧道为研究对象，根据工程实际情况利用有限元软件ABAQUS建立TBM穿越F3破碎带三维数值计算模型，图2为有限元计算模型，隧道开挖洞径尺寸为6.3 m，破碎带纵向计算长度为30 m，左右线两平行隧洞间距为15 m，上覆岩土层至隧道底板的埋深为40.6 m，各岩土层厚度取均值。为消除边界效应，模型左右边界及下边界选取隧道开挖洞径3倍～5倍宽度，综合考虑数值计算模型的宽度为81 m(X轴方向)，高度为70.6 m(Y轴方向)，沿隧道轴向方向的计算长度为75 m(Z轴方向)。

模型上表面为地表自由面，不设约束，侧表面受水平方向位移约束，下表面约束三个方向位移。模型网格采用8节点6面体单元，共计划分220 208个单元，239 546个节点。为深入分析微风化硬岩破碎带注浆加固前后隧道围岩变形规律和稳定性提升作用，对TBM穿越未加固破碎带和地表注浆加固破碎带两种施工工况进行数值计算与分析。

2.2 破碎带注浆加固方案确定

为保证TBM穿越破碎带时的施工安全，达到提高破碎带围岩强度和稳定性的目的，根据设计，结合本工程的实际情况，对破碎带区域欲开挖隧道及周围进行地表预注浆加固。注浆范围为开挖轮廓线外3 m，深度为隧道拱顶以上3 m至隧道拱底，加固方案如图3所示，地铁隧道左右线均按此方案进行加固。

2.3 TBM施工过程模拟

数值计算模型建立于TBM穿越破碎带的施工过程，可以把该过程近似看作是非连续过程进行研究，利用ABAQUS中的生死单元功能对TBM开挖过程进行模拟，每个开挖步开挖长度为3 m，TBM盾壳长度为12 m，隧道左线先行开挖，左线开挖并支护完成后右线再行开挖；衬砌管片的拼装通过激活管片部件来实现，利用等代层模拟TBM盾尾空隙注浆；考虑到开挖卸荷作用，在每一开挖步之前，将开挖区域单元的模量降低，依次来模拟岩体应力释放效应。

参考实际工程施工步序，模拟过程如图4所示：1)第N步移除隧道前方岩体，激活TBM壳体单元；2)第N-1步、第N-2步和第N-3步考虑TBM机身长度因素，仍设置为TBM壳体单元；3)第N-4步：取消激活TBM壳体单元；4)第N-5步：激活TBM管片单元和等代层单元；5)依次推进至隧道开挖完成。

为研究TBM穿越F3断层破碎带对隧道围岩变形的影响，在隧道的拱顶、左拱肩和右拱肩处布设沉降监测点，拱顶沉降监测点布置在隧道轴线上，拱肩沉降监测点位于与隧道轴线夹角45°位置处。隧道监测断面监测点布置如图5所示。

2.4 数值计算参数确定

数值计算模型中盾壳、衬砌和等代层采用线弹性本构模型，岩土层的本构模型选用Mohr-Coulomb弹塑性本构关系。

计资料，岩土层参数选取来自该地铁区间的地质勘探资料，一些没有给出的参数根据规范及参考其他相似隧道工程给出。模型中破碎带的模拟采用参数弱化法，即将破碎带与普通围岩赋予不同的参数来近似模拟破碎带，这是一种应用连续理论的数值模拟软件模拟破碎带的有效方法。地表注浆加固通过提高注浆加固区域围岩参数材料参数来实现。模型中各材料参数取值列于表1。

表1 材料参数表

3 数值计算结果分析

3.1 破碎带注浆加固前隧道围岩变形分析

隧道开挖完成后，左右线拱顶及拱肩的累计沉降如图6，图7所示。受破碎带影响，隧道拱顶及拱肩沉降值在21 m～54 m区间发生突变，破碎带处沉降曲线呈“V”型。左右线拱顶最大沉降值分别为13.4 mm和14.2 mm，可见左右线隧道沉降呈现为非对称性，后开挖的右线隧道无论是拱顶还是拱肩，沉降值大于左线隧道。受破碎带角度影响，可以发现，隧道围岩各监测点沉降最大值均不在破碎带中点处，而是出现在隧道开挖方向Z=27 m处。

隧道围岩累计沉降沿开挖方向上存在以下5个变化阶段：1)在0 m～9 m段隧道与破碎带距离较远，隧道拱顶和拱肩的沉降几乎没有变化，破碎带对沉降几乎没有影响。2)在9 m～21 m段，随着隧道与破碎带距离的减小，拱顶与拱肩的沉降逐渐增大，破碎带对沉降的影响也逐渐增大。3)在21 m～54 m段，此时隧道已经揭露或与破碎带距离十分接近，拱顶及拱肩的累计沉降值发生了突变，该部分围岩沉降值首先突然增大至峰值，而后逐渐减小。4)在54 m～66 m段，隧道穿过破碎带且距离与破碎带逐渐增大，拱顶与拱肩的沉降值逐渐减小。5)过了66 m后直至75 m段，拱顶与拱肩沉降值趋于稳定，不再受破碎带的影响。这说明了当TBM施工揭露破碎带时，隧道的围岩沉降具有突变性，此时若仍维持原有的推力、扭矩、转速和推进速度等掘进参数将极易引发塌方事故而导致隧道掘进机卡机，因此在施工过程中应做好超前地质预报，提前对破碎带区域进行预加固处理，采用低转速、小推力、大扭矩快速通过。

4级：有些硬脊膜的破损因破损位置的原因，术中无法进行缺损缝补，如果出现这种情况，引流管放置时间需要较长，一般需要放置3～4周，并可以加以经皮蛛网膜下腔引流。随着时间的推移以及引流量的减少，逐渐向外拔除引流管，直至引流量少于40 ml/d，拔除术区引流管并连同深筋膜严密缝合引流口。

为了进一步研究破碎带围岩在隧道开挖过程中变形的规律，提取开挖方向Z=27 m，Z=36 m，Z=45 m，即破碎带区域的前、中、后的3个断面监测点数据分析围岩沉降时态曲线特征，破碎带中不同监测断面沉降时态曲线图如图8所示。

由图8可看出隧道左线的开挖扰动使右线产生先行沉降，沉降值为1 mm左右，而右线隧道开挖将会引起左线隧道围岩进一步变形；相同监测断面内，右线隧道的围岩变形大于左线，这是由于先行隧道开挖使围岩产生应力重分布，后行隧道施工对围岩产生二次扰动，对围岩稳定性影响更大，即出现后行隧道开挖变形大于先行隧道；同一监测断面内左线隧道的左右拱肩在隧道右线开挖至相同位置时将会产生一定的差异沉降。

随着掌子面向破碎带推进，监测断面围岩竖向位移可以划分为5个阶段：1)掌子面与破碎带监测断面的距离大于9 m时，破碎带围岩不受影响，几乎不产生沉降；2)隧道开挖至距离监测断面9 m内时，破碎带围岩受到开挖扰动的影响将会产生先行位移，其值为2 mm～3 mm；3)隧道开挖揭露至监测断面，围岩沉降突增，但是受TBM盾壳支撑的影响，沉降值没有立刻达到峰值；4)TBM盾壳离开后，围岩将产生二次沉降且沉降值较刚开挖时更大，并达到峰值，此时拱顶围岩极易产生坍塌；5)随着掌子面继续向前推进，监测断面衬砌管片拼装和豆砾石回填注浆完成后，围岩变形受到限制并趋于稳定。

为研究岩土层变形受TBM开挖的影响规律，绘制不同截面地表至隧道拱顶纵向的沉降曲线，由于曲线规律相似，仅给出27 m监测断面处沉降曲线，如图9所示。从图9可以看出，从地表到埋深22 m处，岩土层累计沉降5 mm，在埋深22 m～34.5 m处，上覆岩土层沉降值增加了9 mm，可见，距离隧道拱顶越近，围岩变形速率越大。由此可知在破碎带中距离隧道轴线越近的地层，隧道开挖造成的扰动沉降越明显，随着距离的增大，这种岩土层的扰动沉降逐渐降低。

3.2 破碎带注浆加固后隧道围岩变形分析

通过对未注浆加固隧道围岩变形规律分析可知，破碎带内围岩稳定性差，开挖后竖向沉降较大，极易造成围岩坍塌。因此，有必要对地表注浆加固下破碎带隧道围岩变形和稳定性进行分析。由于曲线规律类似，故仅给出隧道加固前后左线监测点沉降及监测断面Z=27 m处的沉降时态曲线及上覆地层沉降曲线。

隧道加固前后左线监测点沉降曲线如图10所示。地表预注浆加固后，破碎带区域围岩的沉降明显降低，加固后拱顶最大沉降值由13.37 mm变为7.02 mm，沉降量降低了47.5%。这表明超前地层加固，可以有效控制破碎带区段内围岩变形，提高围岩稳定性，大大降低了拱顶沉降过大导致坍塌的可能性，确保TBM安全、快速通过。

图12为地表预注浆加固前后隧道拱顶上覆地层沉降曲线。对比发现，加固后破碎带围岩性质改变，承载能力增加，上覆岩土层沉降变形明显降低。对于注浆加固的31.5 m～34.5 m范围内的围岩，其变形速率远小于加固之前。因此，地表预注浆加固不仅可以降低TBM开挖引起的拱顶变形，也减小了开挖对上覆岩土层的扰动。