盾构穿越突变地质扰动规律分析

刘希武

摘要 在隧道开挖过程中，不可避免地会穿越软硬不均、土岩复合等多相突变地质。采用盾构法进行隧道开挖时，盾构穿越突变地质界面会引起围岩变形、地表沉降、地质界面滑移失稳等问题，严重影响盾构施工的正常进行。文章以济南地铁R2线宝华街站—长途汽车站区间为工程背景，研究宝长盾构区间施工过程中盾构隧道由硬岩向软岩开挖时周围围岩及地表沉降规律，即开挖面与地质界面距离和倾角对围岩变形影响以及开挖进尺和地质界面倾角对地表沉降影响。研究结果表明：（1）围岩及地表变形都随着地质界面倾角的增大而减小，当地质界面倾角为90 °时，围岩及地表变形最小；（2）随着开挖进尺的增大，地表的边缘和中心沉降也不断增大。

关键词 突变地质；扰动规律；围岩变形；地表沉降

中图分类号 U231文献标识码 B文章编号 2096-8949（2024）03-0097-04

0 引言

济南地区位于平原和山地的交接地带，地势呈南高北低走向，为平缓的单斜构造[1]。该区域的典型地质主要是由地质构造和岩溶发育构成。浅表土为典型的黄河冲洪积地层，以黄土、粉土、粉质黏土、细砂土及卵砾石为主，地层松散、欠固结，承载力低[2]；表土层以下为寒武系和奥陶系石灰岩，受南部山区径流补给及长期溶蚀，岩溶发育，形成发达的地下水脉络通道，经地质构造运动，部分石灰岩褶皱上抬或出露，形成极具特色的软硬不均突变地质环境[3]。该区域地下水丰富、渗流通达、地质软硬不均且界面倾角多样，致使开挖面失稳破坏模式及地层扰动特性极为复杂，给盾构施工风险防控及周边环境稳定带来了极大挑战。

该文以济南地铁R2线宝华街站—长途汽车站区间为工程背景，分别考虑了地质界面倾角、开挖面与地质界面距离、开挖进尺等因素的影响，研究了在宝长盾构区间施工过程中周围围岩及建筑物的变形规律。通过对盾构穿越突变地质界面过程中围岩及地表变形的分析，得出采取变形控制措施后的监测结果，为今后类似的施工提供了借鉴，具有重要的管理启示和现实意义。

1 国内外研究现状

在突变地质环境下，由于地层的不确定性以及地形的复杂性，盾构过程中的推进阻力会发生剧变。如果不能及时平衡开挖面的支护压力，可能会使盾构姿态发生偏移，导致掌子面前方土压失稳[4]，进而引起围岩或地层的较大变形，甚至会造成地表坍塌，严重影响既有建筑物的安全。而且，在盾构穿越突变地质的过程中，极易引发工程灾害，而造成灾害频发的根本原因在于突变地层中存在大量软硬不均匀地质体，在盾构扰动的作用下，产生了微观损伤和细小形变，随着时间的累积不断加剧，最终在宏观上表现为突变地质界面滑移变形、开挖面失稳破坏、地层变形及地表沉降等工程事故[5]。

1.1 地表沉降研究

研究盾构穿越突变地质界面过程中地表沉降规律，对于维持周边环境稳定以及灾害预防具有重要意义。康永炜[6]通过有限元分析软件进行相应的数值模拟，高效准确地进行了地表沉降的预测。陈强[7]通过建立盾构隧道仿真模型，分析了在地层参数不同的条件下，开挖面的支护压力对地表变形的作用，并运用有限元模拟软件建立了轴对称的半隧道模型，对不同加固条件下隧道开挖面的失稳过程进行了模拟，得出了失稳条件下地层沉降规律。肖国微等[8]通过研究软硬比例不同的复合土层，得出了“随着硬岩比例的增大，地表的沉降值变小”的结论。重点研究了软硬不均地层交界段的地表沉降情况，得出了“当盾构穿越软硬不均匀地层时，可以适当调整盾构姿态，而且针对地表沉降的增大，还可以适当增大筒仓压力”的结论。刘重庆等[9]根据现场监测数据，建立了相应的工程数值模型，探索了在软硬不均的复合地层中地表沉降规律：在突变的地层中，横向沉降受硬层比的影响比较明显，地表沉降量随硬层比的增大而整體减小。上述研究得到的地表变形规律通常是依靠数值模拟得到的，然而对地表预测模型和地层变形机理往往缺乏理论依据，而且对开挖面失稳造成的地层沉降机理认识不足。

1.2 地层稳定性研究

研究盾构穿越地质界面过程中地层的变形机理，对于工程灾害的防治有重大意义。竺维彬等[10]指出，突变地层发生剧烈变形主要是因为穿越过程中掘进参数和开挖推力波动较大，导致掘进速度急剧下降，最终造成开挖面前方地层坍塌。为解决这个工程问题，研发了一种能够自动清除气压的土压平衡盾构机，为施工过程中高效支护及地层的稳定性提供了技术保障。胡鹰志[11]探寻了一种新的加固方式，在突变地质条件下可以安全、有效、快速地完成土体加固，并分析了突变地质环境下盾构姿态超限的原因，提出了姿态控制方法以及纠偏方案。史海波[12]分析了盾构穿越岩—土复合地层时，盾构开挖对地层稳定性造成的不良影响，提出了优化盾构参数、加土加固等施工方法。上述研究成果对盾构穿越突变地层的稳定性有着重要的指导意义，但是大多从盾构技术及隧道设计角度出发，并没有进行地质界面破坏特征、界面失稳机制以及参数敏感性等方面的研究。而国内现有的地质界面稳定性研究一般存在于矿山煤炭组合体之中，与突变地质界面的破坏机制差异较大。

1.3 开挖面稳定性研究

目前，极限支护力的确定方式是开挖面稳定性的研究重心，其中，极限平衡分析法在开挖面失稳破坏的研究中最为广泛。在假设地层均匀条件下，Liang Xing等[13]采用PFC3D对开挖面失稳机理和破坏模式进行了研究。对太沙基松散土压力公式进行了合理修正，并利用修正后的公式和极限平衡力学模型推导了极限支承压力。Tang Yiqun等[14]分析了计算极限支护力时的影响因素。Xue Yiguo等[15]利用层次分析法和熵权法得到了各评价指标的权重。基于思想方法建立了盾构施工开挖面稳定性评价模型。为了分析开挖面的稳定性，李春良等[16]运用双参数弹性地基理论，在状态空间理论的基础上建立了纵向力学模型，并进行了掘进过程中对于开挖掌子面应力释放的模拟，进而分析了应力释放程度的大小对于开挖面极限支护力的影响。李险峰等[17]运用了有限拆分法，对实验模型进行了数值计算，揭示了开挖面的中心位移Y与地表变形累计值S之间的线性关系，为突变地层开挖面稳定性的监控提供了新的方法和思路。王国富等[18]在筒仓理论的基础上提出了一个关于曲面开挖面的极限平衡模型，为曲线隧道施工支护以及开挖面稳定性提供了理论指导。康芮等[19]运用数值模拟技术，基于数值模拟和模型试验，优化了开挖面稳定性的分析方法，研究了地层变形的原因，最终确定了稳定开挖的极限支护力。张孟喜等[20]采用PFC2D模拟了正交隧道掘进施工，通过建立数值分析模型，得出了拱底变形主要与基岩的力学性质有关，进而分析了开挖面失稳破坏形式，总结了纵向开挖地层失稳规律。

2 开挖面与地质界面距离和倾角对围岩变形影响

2.1 开挖面与地质界面距离不同对围岩变形影响

由于地质界面存在多种可能性，该节在研究开挖面与地质界面距离不同对围岩变形影响时，仅考虑界面倾角为90 °的情况。分析了开挖面距地质界面S=10 m、S=8 m、S=6 m、S=4 m、S=2 m、S=0 m时，隧道周围围岩的拱顶竖向和纵向位移图。当S=10 m时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为2.39 mm，最大纵向位移为1.21 mm，方向为Y轴负向，且最大纵向位移发生在S=10 m时；当S=8 m时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为2.48 mm，最大纵向位移为1.42 mm，方向为Y轴负向，且最大纵向位移发生在S=8 m时；当S=6 m时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为2.62 mm，最大纵向位移为1.58 mm，方向为Y轴负向，且最大纵向位移发生在S=6 m时；当S=4 m时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为2.71 mm，最大纵向位移为1.82 mm，方向为Y轴负向，且最大纵向位移发生在S=4 m时；当S=2 m时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为2.79 mm，最大纵向位移为2.04 mm，方向为Y轴负向，且最大纵向位移发生在S=2 m时；当S=0 m时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为3.02 mm，最大纵向位移为2.98 mm，方向为Y轴负向，且最大纵向位移发生在S=0 m时。

根据以上模型对比分析可以得出以下结论：

（1）当盾构隧道由硬岩向软岩开挖时，随着隧道开挖面与地质界面之间的距离不断减小，隧道拱顶处围岩竖向变形增幅越来越大，并在地质界面前方4 m范围内，变形增幅最大。因为在盾构施工的过程中，由于开挖面和地质界面之间的硬质围岩被不断挖除，大大削弱约束软质围岩变形的能力，致使软质围岩段的土体变形增加，界面效应的影响范围主要在突变地质界面前30 m和突变地质界面后20 m。

（2）在隧道开挖过程中，拱顶处围岩的纵向位移呈漏斗状，在开挖面处达到最大，而且最大值随着开挖面的移动而移动。类似于拱顶围岩竖向变形规律，在开挖面距地质界面0～4 m范围内，变形增幅最大。在该模型中，隧道直径设定值为6.4 m，故可认为开挖面与地质界面的距离近似为0.6倍隧道直径时，突变地质界面处的位移开始发生明显变化。

综上可知，在盾构施工的过程中，应尽可能地由硬岩向软岩施工，而且随着开挖面不断接近地质界面，及时做好加固措施，防止围岩的变形过大。

2.2 地质界面倾角不同对围岩变形影响

该文数值分析了地质界面倾角为α=45 °、α=60 °、α=75 °、α=90 °时，隧道周围围岩拱顶竖向和纵向的位移。当α=45 °时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为5.02 mm，最大纵向位移为3.82 mm，方向为Y轴负向；当α=60 °时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为4.06 mm，最大纵向位移为3.26 mm，方向为Y轴负向；当α=75 °时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为3.58 mm，最大纵向位移为2.74 mm，方向为Y轴负向；当α=90 °时，沿Z轴负向，拱顶最大竖向位移为2.60 mm，最大纵向位移为2.32 mm，方向为Y轴负向。

进而得到以下研究结论：

（1）地质界面倾角α=90 °时，拱顶处围岩纵向和竖向位移最小。α分别为75 °、60 °、45 °时，拱顶处围岩的纵向和竖向位移逐步增大。

（2）開挖掌子面在地质界面前方时，拱顶围岩处的竖向位移几乎不变。当隧道开挖面到达地质界面前方4 m时，拱顶的竖向位移开始发生变化。当隧道开挖面到达地质界面后方，且与地质界面距离小于10 m时，拱顶围岩处的竖向位移明显有减小的趋势，此时的地质界面效应最为显著。随着开挖面逐渐远离地质界面，地质界面效应的影响逐渐减小，拱顶处的竖向位移最终趋于稳定。地质界面前方4 m至地质界面后方10 m范围内，围岩变形幅度较大，在该范围内拱顶的竖向位移主要受地质界面效应的影响。

（3）当盾构开挖面未到达地质界面时，从地质界面前方30 m左右的地方开始，拱顶发生轻微的纵向位移，但是位移幅度较小。随着隧道开挖面不断接近地质界面，地表的纵向位移也会随之增大，但受地质界面倾角等因素的影响，地表的纵向位移值有所不同；当盾构开挖面刚好到达地质界面处，由于开挖面前方土体的性质发生变化，致使盾构机设定的筒仓压力会影响掌子面前方土体的变形，从而加大对周围地层的扰动，致使地层应力发生变化，进而使该区段的地表纵向位移在地质界面处达到最大；当盾构开挖面经过地质界面后，随着开挖面逐渐远离地质界面，地表的纵向位移快速减小，最终趋于稳定。

3 开挖进尺和地质界面倾角对地表沉降影响

3.1 开挖进尺不同对地表沉降影响

该文分析了地质界面倾角α=90 °时，开挖进尺分别为M=10 m、20 m、40 m、80 m时，地表边缘沉降和地表中心沉降情况。根据仿真结果可知，隧道由硬岩地质向软岩地质掘进时，当M=10 m时，地表边缘最大沉降值为1.02 mm，地表中心为1.21 mm；当M=20 m时，地表边缘最大沉降值为1.61 mm，地表中心为1.66 mm；当M=40 m时，地表边缘最大沉降值为2.64 mm，地表中心为3.34 mm；当M=80 m时，地表边缘最大沉降值为2.96 mm，地表中心为4.21 mm。根据地表边缘和地表中心的模型对比分析图可得：随着开挖进尺的增大，地表沉降值也变大。

综上所述，随着开挖进尺的不断增加，地表的边缘沉降和中心沉降也不断增大，且当隧道从软岩地质开挖至硬岩地质时，其地表的沉降值更大。

3.2 地质界面倾角不同对地表沉降影响

根据仿真结果可知：当α=45 °时，地表边缘最大沉降值为2.42 mm，地表中心为4.02 mm；当α=60 °时，地表边缘最大沉降值为2.37 mm，地表中心为3.98 mm；当α=75 °时，地表边缘最大沉降值为2.34 mm，地表中心为3.75 mm；当α=90 °时，地表边缘最大沉降值为2.23 mm，地表中心为3.55 mm。进而得出以下结论：

（1）当地质界面倾角不同时，地表的边缘和中心的沉降也不同，地质界面倾角α=45 °时地表沉降最大，地质界面倾角α=60 °、α=75 °时地表沉降依次减小，当α=90 °时地表沉降最小。

（2）盾构隧道由硬岩地质向软岩地质开挖时，地表中心沉降更大。

4 结语

该文以济南地铁R2线宝华街站—长途汽车站区间为工程背景，研究开挖面与地质界面距离和倾角对围岩变形影响以及开挖进尺和地质界面倾角对地表沉降影响。研究结果表明：

（1）围岩及地表变形都随着地质界面倾角的增大而减小，当地质界面倾角为90 °时，拱顶围岩处的纵向和竖向位移均为最小，并随着地质界面倾角的减小而不断增大，地表边缘沉降和地表中心沉降最小，并随着界面倾角的减小而增大。

（2）开挖面与地质界面距离不同时，隧道拱顶围岩处的竖向位移随着开挖面不断接近地质界面，呈现出不断增大的趋势，并且位移增幅也越来越大，在距离地质界面0～4 m的区间内竖向位移增幅达到最大。拱顶围岩处的纵向变形随着盾构隧道不断掘进，呈现出漏斗状，具有先增大后减小的趋势。

（3）开挖进尺不同时，地表边缘沉降和地表中心沉降都随着开挖进尺的增大而增大。当隧道上方有建筑物时，盾构施工过程会对地表建筑物产生影响，具体表现在建筑物竖直和水平方向的变形。

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