考虑流固耦合效应的双模盾构施工对地表变形的影响

2023-11-01刘邦

交通科技 2023年5期

刘邦

(中国水利水电第八工程局有限公司长沙 410004)

盾构法因对地表影响小、自动化程度高、相对快速等优点,被广泛应用于城市轨道交通的隧道建设中。常见的土压平衡盾构机在硬岩中掘进效率低下,在软硬不均地层中,单一模式的掘进机已经无法适应复杂的地层条件,故亟须一种能在复杂地质条件下安全高效施工的隧道掘进机。因此,为解决复杂地质条件下盾构掘进机适应性及高效性难题,土压平衡全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)双模掘进机应运而生[1],与普通复合盾构相比,双模盾构机具有转速高、推力大、功率大、主轴承大等特点,可适应不同地层的施工,国内外针对土压/TBM双模掘进机施工技术开展了初步研究与应用。

2015年南京地铁机场线区间是国内首次采用双模TBM施工,隧道初期掘进采用TBM敞开式掘进,对于处于中风化、微风化安山岩的地段采用TBM模式敞开式掘进,对于处于全、强、中风化破碎带的地层采用土压平衡模式掘进[2]。2018年珠三角城际铁路广佛环线大源站-太和站区间采用铁建重工生产的国内首台铁路大直径土压TBM双模盾构机,隧道主要穿越地层为中风化花岗岩、全-中风化片麻岩、全-中风化粉砂岩、全-中风化炭质板岩[3]。2021年国内首台Φ9140双螺旋出渣TBM&EPB双模盾构成功应用于深惠城际项目,为行业内类似地层设计提供参考[4]。

然而,TBM模式在深埋地层中掘进时,可能面临高地下水位和突涌水,不但严重威胁施工安全,还可能引起地表水或地下水资源枯竭、导致生态环境恶化等环境问题。对于深埋隧洞渗流场分布规律,国内外专家学者已经开展了很多研究。吕玺琳等[5]通过有限元数值模拟,对水位变化条件下盾构隧道开挖面的孔压分布特性进行了研究,发现开挖面平均渗流力与水位高度近似呈线性关系。潘文韬等[6]通过数值模拟探究盾构施工过程中由开挖和固结引起的地表沉降,认为考虑渗流下结构受力变形有不同程度提高,对隧道、地表变形及盾壳受压影响较大。于丽等[7]通过自行设计的大型隧道渗流模拟试验系统,发现围岩渗透系数、初始水头高度、隧道排水率均会对围岩渗透影响范围产生影响。郤保平等[8]建立不同湖水深度下考虑隧道流-固耦合效应的数值模型,得出隧道周围的孔隙水压力随着开挖而显著减小,水力坡降在隧道拱顶、拱腰两侧明显增大,且盾构管片内力与水头压力呈正相关性。罗信等[9]考虑渗流作用对深埋富水区围岩开挖的变形影响进行数值分析,发现渗流使得隧道周围形成一个降水漏斗区,导致隧道向下沉降与水平方向的收敛,隧道的净空减小。

由于隧道开挖形成的扰动使得地层中原有应力场和渗流场的分布改变,渗流场中超孔隙水压力消散引起土体有效应力重分布,土体产生固结变形、孔隙率减小,进而改变土体的渗透系数,影响土体的渗流特性。本文以穗莞深城际西宝区间大直径双模盾构在复杂地层中施工为背景,考虑水土流固耦合作用,采用有限元数值模拟分析方法,研究TBM模式施工对地表变形的影响,以为类似工程施工提供借鉴。

1 工程概况

穗莞深城际西乡站-宝安站区间,沿宝安大道敷设,隧道主要穿越全风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩、中风化闪长岩、微风化花岗岩等多种复合地层,地层强度变化剧烈,软硬不均特性显著,中-微风化花岗岩、闪长岩岩石强度可达30～93.6 MPa。西宝区间隧道距海域约2 km,岩层裂隙发育,地下水赋存条件较差。

隧道采用Φ9140土压平衡和TBM双模(EPB&TBM)盾构施工,其中全断面硬岩地层采用TBM模式掘进。隧道管片外径8.8 m、内径8 m、厚400 mm、环宽1.8 m。区间左线地质及隧道纵剖面图见图1。

图1 区间左线地质及隧道纵剖面图

2 数值模拟模型

2.1 模型建立

本文采用midas GTS NX 建立整体三维有限元模型,对渗流情况下双模盾构TBM模式施工给地表变形带来的影响进行数值模拟。模型以垂直隧道掘进方向为X轴,隧道掘进方向为Y轴,竖向为Z轴。为充分考虑盾构开挖的影响范围,且消除模型边界效应,确定X、Y、Z方向分别取100,72,70 m。

2.2 模型边界条件

模型力学边界条件:侧面施加水平约束,底部施加水平及垂直约束,顶部为自由面。渗流边界条件:顶部及四周设置为透水边界,隧道开挖面设置为排水面。模型采用应力-渗流耦合分析。建立的三维有限元模型见图2。

图2 三维有限元模型(单位:m)

2.3 模型参数

选取裂隙发育地层进行数值模拟,地层选取摩尔-库仑本构模型进行计算,管片及盾壳选取弹性模型进行计算。本文计算涉及地质及材料参数均根据地质勘探报告及相关设计资料获取,模型地层参数见表1,材料参数见表2。

表1 模型地层参数

表2 模型材料参数

2.4 模型工况

设置初始渗流场及应力场后,模拟左线隧道开挖,左线隧道共掘进40环管片;左线隧道贯通后,随后开挖右线隧道,右线隧道共掘进40环管片。掘进步长取2环管片宽,每开挖2环进行1次流固耦合平衡计算,先计算渗流场,再计算应力场,开挖面超前管片拼装2环,每完成1步开挖,同时进行壁后注浆和盾尾管片拼装。

3 计算结果分析

3.1 渗流场变化规律

由于隧道施工过程中对土体产生扰动,使得隧道周围孔隙水压力发生变化,从而影响地层变形。隧道开始开挖时,地下水在压力水头的作用下,向开挖面汇聚,隧道下方孔隙水压力呈现出漏斗状的分布。由此可见,高水头条件下开挖时,隧道掌子面前方的水土压力有较大变化,不利于开挖面稳定性的控制。隧道开挖过程中孔隙水压力分布图见图3。

图3 隧道开挖过程中孔隙水压力分布图(单位:kPa)

3.2 渗流情况下位移场变化规律

开挖初始阶段,掌子面及隧道上部土体表现为沉降,掌子面及隧道下部土体表现为隆起,地层最大沉降出现在隧道盾尾上方,为-0.618 mm,最大隆起出现在掌子面下部,为0.346 mm。随着盾构不断推进、管片拼装及盾尾注浆,隧道上方土体沉降不断增大,但盾构掘进至一定距离时,后方土体整体沉降趋于稳定。左线隧道拱顶沉降随盾构推进的变化情况见图4。

图4 左线隧道拱顶沉降随盾构推进的变化情况

而开挖过程中地层的水平变形主要出现在掌子面,洞室周围变形受开挖影响较小,开挖时出现的最大水平变形为3.905 mm。左线隧道拱腰水平变形随盾构推进的变化情况见图5。

图5 左线隧道拱腰水平变形随盾构推进的变化情况

3.3 与不考虑渗流情况下的计算对比

3.3.1地表沉降

隧道在开挖过程中所引起的地表沉降往往更受关注。Peck[10]基于对大量的实测数据统计分析,提出地表沉降曲线服从高斯分布,认为土体变形因土体损失而产生,并假设土体不排水且沉降槽体积等于土体损失体积。由于Peck公式物理意义明确且参数少,成为隧道施工诱发地表沉降的有效、快捷方法。式(1)为隧道开挖诱发横向地表沉降的估算公式。

S(x)=Smaxexp[-x2/(2i2)]

(1)

式中:Smax为地表最大沉降值;x为地表任一点距离隧道中心水平距离;i为沉降槽曲线反弯点至隧道中心水平距离。

选取双线均贯通后的工况下与隧道垂直方向的断面,对比考虑渗流情况下与不考虑渗流情况下的地表变形,发现考虑渗流情况下的地表沉降始终大于不考虑渗流情况下的地表沉降,考虑渗流情况下地表最大沉降为-0.294 mm,而不考虑渗流情况下的地表最大沉降为-0.271 mm,均位于双隧洞中心线上方。距离双隧洞中心线越远,地表沉降越小,分析该断面地表数据可得,数值模拟计算得到的地表沉降符合Peck公式。同一工况下横向地表沉降对比见图6。

图6 同一工况下横向地表沉降对比

分析横向地表水平变形,可以发现,考虑渗流情况下的地表水平变形始终大于不考虑渗流情况下的地表水平变形,考虑渗流情况下地表最大水平变形为0.136 mm,而不考虑渗流情况下的地表最大水平变形为0.122 mm,均位于左、右线隧道上方。同一工况下横向地表水平变形对比见图7。

图7 同一工况下横向地表水平变形对比

分析地表隧道上方的纵向沉降,可以发现掌子面后方地表沉降大于掌子面正上方的沉降,且距掌子面越远,地表沉降越大。这主要是因为在开挖面处上覆土体受到盾壳支撑,不会发生较大的变形。随着盾构向前前进,盾尾逐渐脱离土体,注浆体和管片同时承担荷载,由超挖及注浆层的固结共同作用导致沉降进一步增大。考虑渗流情况下,与掌子面纵向距离相同时的地表沉降大于不考虑渗流情况下的地表沉降。同一工况下纵向地表沉降对比见图8。

图8 同一工况下纵向地表沉降对比

3.3.2地层变形

分析模型整体地层的竖向位移,发现渗流会增大围岩变形,且拱顶沉降影响范围更远。选取左、右线隧道均贯通的工况,同一工况下地层沉降对比见图9。

图9 同一工况下地层沉降对比

3.4 地层弹性模量的影响

由于该隧道在双模盾构的TBM模式下穿越地层多为中～微风化花岗岩、闪长岩,岩层强度高,数值模拟中隧道开挖对地表变形带来的影响小。因此,为了分析本文隧道所处的中风化花岗岩弹性模量对地表变形的影响,分别取弹性模量为5 000 MPa和1 000 MPa与原有模型对比。分析发现,随着隧道所处的中风化花岗岩弹性模量的降低,地表变形增大。不同弹性模量下,同一工况下横向地表沉降对比见图10。