富水破碎带地层TBM 隧道围岩稳定性研究＊

2023-09-17胡红星

科技与创新 2023年17期

胡红星

（中铁三局集团第四工程有限公司，北京 102300）

随着社会经济的高速发展和人民对美好生活要求的持续提高，中国城市的交通运输建设规模与数量呈现出快速增长的趋势。地铁系统在缓解城市交通压力和促进城区间紧密联系方面贡献巨大，其高密度和高运量的特点使它成为城市轨道交通系统中的重要组成部分。地铁线路的规划取决于交通功能的需要，因此建设过程中将不可避免地穿越不良地质体，尤其是当隧道穿越富水破碎带时，由于隧道埋深浅、岩石破碎软弱，因此开挖极易引起塌方、地表沉降，进而导致隧道施工处于危险之中。

刘平等[1]研究了流固耦合作用下富水砂层对周边土体变形破坏的影响，通过数值模拟的方法，分析了流沙层厚度、隔水层厚度和隔水层粘聚力等因素的影响；LI等[2]在数值模拟中考虑了流固耦合，讨论了注浆加固参数对隧道稳定性的影响，并从加固和堵水2方面对注浆效果进行了评价；甄正等[3]讨论了流固耦合作用对盾构隧道掘进引起的孔隙水压力、地表沉降规律的影响，研究表明考虑流固耦合作用可以更好模拟实际情况；段克思等[4]依托阿嘎下隧道工程，利用数MIDAS 软件得出了渗流影响下隧道间距和注浆圈厚度对围岩位移的影响；师雯琦等[5]建立二维数值模型，探究了渗透压力和孔隙度对隧道围岩应力和变形的影响，发现了孔隙度对围岩变形影响较大；傅鹤林等[6]运用弹塑性理论和水力学，建立了含缓冲层隧道注浆的模型，并结合数值模拟对所推导模型的合理性进行了验证；郭玉峰等[7]利用理论分析与数值模拟方法，对水下双线隧道稳态渗流场进行了推导，讨论了隧道间距、埋深等因素对隧道渗流场的影响；贾伟红等[8]以五峰山隧道为研究对象，采用数值模拟建模，分析了注浆圈参数对初期支护变形和水压分布的影响；万飞等[9]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[10]依托昆明上公山引水隧道，对破碎带导致的卡机问题进行了研究，探讨了隧道围岩蠕变的发生条件和护盾变形机理；钟威等[11]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[12]针对青岛市某地铁隧道区间，分析了富水破碎带突水涌砂原因，提出以地表注浆为主，洞内堵水为辅的综合治理措施；徐前卫等[13]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[14]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[15]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。

目前，对于浅埋硬岩破碎带隧道的研究相对较少，而且许多研究并没有考虑地下水对其影响。因此，有必要通过流固耦合作用来分析浅埋破碎带隧道开挖后的变形规律。以青岛地铁某线路TBM 隧道工程为背景，利用数值模拟方法，首先分析了是否考虑地下水时围岩变形和地表沉降的差异，而后研究了流固耦合作用下不同地下水位对浅埋硬岩破碎带隧道围岩渗流场变化和围岩稳定性的影响，所得结论可为青岛近海地铁隧道穿越破碎带提供指导意义，并且对浅埋富水破碎带隧道的建设具有参考意义。

1 工程概况

青岛地铁某线路轮小区间起止里程为AK21+390—AK23+030，左右线隧道长度为1 640 m，均采用TBM 法施工，两隧道净距为9 m。轮小区间场地自上而下分布有素填土、粗砾砂、粉质黏土、强风化粗粒花岗岩、中风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩。区间内稳定地下水位埋深为2～7 m 且与海水存在一定的水力联系。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，断裂构造对地铁工程的影响主要表现于受到区域性地质断裂的影响，在场地区间影响范围内存在5（F3—F7）条构造破碎带，如图1 所示。破碎带的表现特征为岩体节理裂隙密集发育，岩体间黏结强度较低，岩体呈碎块化碎裂状结构，且构造破碎带及节理发育带地段地下水丰富，渗透系数大，TBM 通过该段时极易发生渗水或涌水现象。

图1 区间内破碎带分布示意图

2 数值计算模型

2.1 数值计算模型的建立

依据研究区域的地质勘察报告，建立双护盾TBM穿越F6 破碎带数值模型，如图2 所示。模型的长度为141 m，宽度为105 m，高度为68 m，其中隧道埋深为32 m，破碎带影响宽度为30 m。隧道开挖直径为6.3 m，壁后注浆厚度为0.15 m，衬砌管片外径为6 m，内径为5.4 m。两平行隧道轴线水平距离为15 m，地层自上而下依次为素填土、强风化粗粒花岗岩、中风化粗粒花岗岩和微风化粗粒花岗岩，掘进断面完全处于微风化花岗岩中。

图2 数值计算模型

模型的渗流边界条件：隧道开挖后，临空面为压力水头边界；除顶面外，模型边界为不渗透边界；各岩土层的初始孔隙水压力设置为地层静水压力，与地层的埋深成正比。

模型的位移边界条件：模型四周边界设置法向约束；模型底面设置法向约束，不允许它发生竖向位移；模型上表面为自由边界，不设置位移约束。

为研究地下水对隧道开挖后破碎带区域围岩稳定性和地表沉降的影响，首先对不考虑流固耦合作用与流固耦合作用下的结果进行对比分析，然后按地下水位不同，设置了3 种工况，一共4 种工况，将它们列于表1。工况2、工况3、工况4 分别对应地下水位埋深为H=0 m、H=5 m、H=10 m。

表1 数值模型计算工况

2.2 TBM 掘进施工模拟

数值计算模型建立于TBM 掘进穿越F6 破碎带的施工过程中，TBM 隧道施工的循环进尺长度设置为3 m，TBM 盾壳长度为9 m，地铁隧道左线先行掘进，左线掘进并支护完成后右线再行掘进；通过设置等代层模拟盾尾空隙注浆；为模拟岩体应力释放效应，在每一步开挖之前，改变场变量将预开挖区域土体的模量降低实现。参考工程施工步序，模拟过程如图3 所示。具体步骤如下：①第K步移除掌子面前方岩体，添加TBM 壳体单元；②第K－1 步、第K－2 步考虑TBM 盾壳长度，仍设置为添加TBM 壳体单元；③第K－3 步移除TBM 壳体单元，激活衬砌管片单元和等代层单元；④依次推进至隧道掘进完成。

图3 TBM 掘进过程的模拟

2.3 模型参数的确定

根据地铁区间的地质勘探资料确定模型各岩土层参数，本构模型则采用Mohr-Coulomb 弹塑性本构关系，资料中没有给出的参数参考相关规范及其他相似隧道工程中给出的参数。

模型参数取值如表2 所示。

表2 模型参数表

3 数值计算结果分析

3.1 流固耦合作用对隧道开挖变形的影响

不考虑地下水和地下水位埋深H=0 m 时，隧道施工完成后左右线拱顶沉降如图4 所示。

图4 不同工况下隧道拱顶沉降曲线

由图4 可以看出，在破碎带范围处（Z=37.5～67.5 m）隧道围岩拱顶沉降变化趋势基本相同，在破碎带处沉降急剧增大，呈“V”字形变化。不考虑流固耦合作用时，隧道拱顶沉降最大值为10.23 mm，出现在监测断面Z=42 m 位置处；考虑流固耦合作用，隧道拱顶沉降最大值为15.46 mm，出现在监测断面Z=48m 位置处。可以发现考虑流固耦合作用比不考虑地下水的情况下拱顶最大沉降结果大51%，而且拱顶沉降最大值出现的位置也发生了变化，这是由于在考虑流固耦合时，隧道开挖通过破碎带时，孔隙水压力急剧下降，导致水力坡降增加，从而更容易让地下水向隧道内部渗透，进一步导致围岩软化和变形增加。

对于城市地铁隧道，埋深一般较浅，隧道掘进会破坏围岩原有的平衡状态，使地表产生较大沉降，特别是双线小净距隧道的施工。为进一步探究富水破碎带隧道开挖流固耦合作用对地表沉降的影响大小，绘制了破碎带上方地表（监测断面Z=48 m 处）不考虑流固耦合作用与地下水位埋深H=0 m 时，地表横向沉降曲线如图5 所示。

图5 不同工况下地表沉降曲线

对比2 条曲线，地表沉降的最大值都出现在2 个隧道中轴线处，但是，在考虑地下水时，地表沉降的最大值比未考虑地下水时明显更大，其中最大沉降值分别为11.4 mm 和2.2 mm。相较于不考虑地下水，考虑地下水作用时沉降槽更宽，且沉降值远远大于不考虑地下水作用的情况，这是由于流固耦合作用下地表沉降由2 部分组成，第一部分是TBM 开挖掘进打破了原有围岩应力场，隧道上覆岩土体卸荷变形产生沉降；第二部分是隧道开挖后临空面的孔隙水压力急剧下降，隧道周围地下水在压力水头的作用下涌入隧道内，导致上覆岩土体中孔隙水压力下降，从而导致土体加速固结沉降。而不考虑地下水的地表沉降结果仅包括了第一部分引起的地表沉降，不能全面地模拟施工现场实际情况。因此，隧道穿越破碎带时地下水对施工安全的影响是不能被忽视的，考虑流固耦合作用能更好地模拟施工现场的实际情况。

3.2 地下水埋深对隧道开挖变形的影响

TBM 隧道施工完成后，以右线隧道拱顶围岩变形为研究对象，绘制了不同地下水位埋深作用下的沉降曲线，如图6 所示。

图6 不同地下水位埋深下隧道拱顶沉降曲线

由图6 可知，在考虑流固耦合作用的情况下，3种工况隧道拱顶竖向沉降曲线趋势一致，呈“V”形分布，拱顶沉降最大值都出现在监测断面Z=48 m 位置处。不同地下水位埋深的工况下，远离破碎带的隧道拱顶沉降值相差不大，破碎带内拱顶沉降最大值分别为15.5 mm、13.2 mm、10.8 mm，这是由于围岩松散破碎、强度较低，地下水的软化作用使得围岩在受到开挖扰动的影响后的变形将大于正常围岩变形。因此，地下水位的埋深对破碎带隧道围岩变形影响严重，当TBM 施工至揭露破碎带前，应采取向前方围岩注浆加固的措施，以达到围岩加固和堵水防渗的目的，保证安全通过。

除了破碎带区域隧道围岩变形外，地表沉降的控制也对施工安全起着关键作用。为反映地下水位埋深对地表沉降的影响作用，绘制了不同地下水位埋深下三维地表沉降图，如图7 所示。由图可以看出，隧道开挖完成后，TBM 掘进引起的地面沉降的影响范围集中在21～67 m 之间，这与破碎带分布范围大致相同。沉降从左右2 个隧道轴线向两侧地面逐渐降低，地面呈中间凹、四周凸的“漏斗”形状。对比不同工况沉降云图可以发现地下水位埋深越深，隧道施工所影响的地表沉降的范围越小，且地表沉降的最大值越小。

图7 不同地下水位埋深下三维地表沉降图

为更准确分析隧道开挖后破碎带上方地表沉降规律，绘制了不同工况下隧道左线开挖完成后与隧道右线开挖完成后地表横向沉降曲线，如图8 所示。不同工况下，左线施工完成后，地表沉降的最大值出现在左线隧道轴线正上方，3 种工况下地表沉降的最大值分别为8.0 mm、7.1 mm、5.4 mm；双线隧道施工完成后，3 种工况下地表均表现为“V”形沉降槽，沉降槽以2个隧道中轴线为中线，两侧曲线对称分布，沉降值与距中线距离整体呈反比的规律变化。3 种工况下地表沉降最大值分别为11.4 mm、10.1 mm、7.9 mm。当其他条件相同时，随着地下水位埋深的增加，地表横向沉降减小，且隧道开挖引起的地表沉降范围逐渐减小。

图8 不同地下水位埋深下地表沉降曲线

3.3 地下水埋深对围岩孔隙水压力分布的影响

TBM 在富水破碎带掘进施工过程中，由于隧道开挖引起的隧道周围孔隙水压力变化将直接影响隧道结构的安全性和稳定性。选取监测断面Z=48 m 处的孔隙水压力变化进行研究，不同地下水位埋深的孔隙水压力云图如图9 所示。

图9 不同地下水位埋深下孔隙水压力云图

隧道开挖形成临空面，破坏了原有的渗流场分布，隧道周围孔隙水压力快速降低使得水力梯度迅速增大，孔隙水压力形成了远端大中间小的分布规律，在水力梯度的驱使下，远处地下水向隧道处流动，最终形成了“漏斗”形状的孔隙水压力分布规律。孔隙水压力变化越大，水力梯度就越大，发生突涌水的概率就越高。因此，TBM 施工过程中应当着重监测隧道拱腰两侧的水压力变化情况，安装完衬砌管片后及时进行壁后注浆，避免在破碎带处形成渗流通道。

选取隧道拱顶上方3 m 处作为研究对象，不同地下水位埋深下横向孔隙水压力分布曲线如图10 所示。从图中可以看出，孔隙水压力横向分布呈“漏斗”形状。工况2、工况3 和工况4 远端至隧道处的孔隙水压力变化差值分别为204 kPa、186 kPa、158 kPa。因此，地下水位埋深越浅，水力梯度越大，越容易导致TBM掘进过程中突涌水的发生。从图中还可以看到，随着地下水位埋深的增加，孔隙水压力变化速率将逐渐减小，且漏斗宽度逐渐增大。