考虑流固耦合效应的双模盾构施工对地表变形的影响

总第３２０期交　通　科　技
ＳｅｒｉａｌＮｏ．３２０
　２０２３第５期ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０２３
ＤＯＩ１０．３９６３／ｊ
．ｉｓｓｎ．１６７１ ７５７０．２０２３．０５．０２２收稿日期：２０２３ ０４ ２５
第一作者：刘邦（１９８３－）
，男，高级工程师。

考虑流固耦合效应的双模盾构施工对地表变形的影响
刘　邦
（中国水利水电第八工程局有限公司　长沙　４１０００４
）摘　要　为研究考虑流固耦合效应的盾构施工对地表的影响，文中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，采用ｍｉｄａｓＧＴＳＮＸ软件建立三维有限元模型，探究渗流作用下ＴＢＭ模式在硬岩中掘进时的地表变形规律。

结果表明，对于位于裂隙发育、富水性及透水性中等的硬岩隧道，
隧道开挖引发的地下水渗流会加剧隧道周围及地表的位移变化，因此，在计算盾构施工对围岩及地表带来的影响时，应当考虑流固耦合效应。

关键词　双模盾构　流固耦合　全断面硬岩　地表变形中图分类号　Ｕ４５５．４３
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
ｂｏｒｉｎｇｍ
ａｃｈｉｎｅ，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。

?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３０～９３．６ＭＰａ。

西宝区间隧道距海域约２ｋｍ，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８．８ｍ、内径８ｍ、厚４００ｍｍ、环宽１．８ｍ。

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ｍｉｄａｓＧＴＳＮＸ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犡轴，隧道掘进方向为犢轴，竖向为犣轴。

为充分考虑盾构开挖的影响范围，且消除模型边界效应，确定犡、犢、犣方向分别取１００，７２，７０ｍ。

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
名称
天然重度／
（ｋＮ·ｍ－３）
黏聚力／
ｋＰａ
内摩擦角／
（°）
变形（弹性）
模量／ＭＰａ
泊松比孔隙比
渗透系数／
（ｍ·ｄ－１）
杂填土１８５１５５０．３００．５０８．０中粗砂２００３５３００．３００．５０１５．０粉质黏土１９３３．１３２７．８７３００．２９０．７６０．１全风化花岗岩１９．５３６．８５２８７００．２８０．７００．２强风化花岗岩（土状）１９．５３８３０１２００．２４０．６８０．５强风化花岗岩（碎块状）２６．４５０３５２０００．２３０．５０２．０中风化花岗岩２６．３５００４０２０００００．２２０．５０１．５
表２　模型材料参数
名称重度／（ｋＮ·ｍ－３）弹性模量／ＭＰ
ａ泊松比厚度／ｍｍ管片２５．０３４５０００．２４００盾壳７８．５２０８０００
０．２１５０注浆
２４．３
７００
０．２
１５０
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－０．６１８ｍｍ，最大隆起出现在掌子面下部，为０．３４６ｍｍ。

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。

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３．９０５ｍｍ。

左线隧道拱腰水平变形随盾构推进的变化情况见图５。

图４　左线隧道拱顶沉降随盾构推进的变化情况
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［１
０］
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。

犛（狓）＝犛ｍａｘ
ｅｘｐ［－狓２／（２犻２
）］（１）式中：犛ｍａｘ为地表最大沉降值；
狓为地表任一点距离隧道中心水平距离；犻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－０．２９４ｍｍ，而不考虑渗流情况下的地表最大沉降为－０．２７１ｍｍ，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。

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０．１３６ｍｍ，
而不考虑渗流情况下的地表
最大水平变形为０．１２２ｍｍ，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６　同一工况下横向地表沉降对比
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５０００ＭＰａ和１０００ＭＰａ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。

图１０　同一工况下横向地表沉降对比
４　结语
本文依托在复杂地层中施工的大直径双模盾构隧道，通过数值模拟探究盾构施工过程中由于渗流对地表变形的影响，
得出以下结论。

２
１１刘　邦：考虑流固耦合效应的双模盾构施工对地表变形的影响２０２３年第５期
１）对于位于裂隙发育、
富水性及透水性中等的中风化花岗岩中的隧道，
隧道开挖引发地下水渗流，从而导致地层孔隙水压力变化明显，因此，在施工中应采取一定的防水措施来保证开挖面的稳定。

２
）考虑地下水渗流后，地层及地表的竖向变形及水平变形均有所增大，因此，在计算中应当考虑渗流所带来的影响。

３
）随着隧道向前掘进，掌子面后方地表沉降随着与掌子面纵向距离的增加而增大，因此，在施工中应采取一定的盾尾加固措施来减少掌子面后方的地表变形。

４
）由于该隧道所处中风化花岗岩强度高，故对比不同花岗岩弹性模量下横向地表的竖向变形。

分析发现，随着隧道所处的中风化花岗岩弹性模量的降低，地表竖向变形增大。

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，１９６９．犜犺犲犐狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳犇狌犪犾犕狅犱犲犛犺犻犲犾犱犆狅狀狊狋狉狌犮狋犻狅狀犆狅狀狊犻犱犲狉犻狀犵
犉犾狌犻犱 狊狋狉狌犮狋狌狉犲犆狅狌狆犾犻狀犵犈
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（ＳｉｎｏｈｙｄｒｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅａｕ８Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇ
ｓｈａ４１０００４，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｆｌｕｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ，ｔａｋｉｎｇＳｕｉｇｕａｎｓｈｅｎｉｎｔｅｒｃｉｔｙＸｉｂａｏｓｅｃｔｉｏｎｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｄｕａｌ ｍｏｄｅｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｃｏｍｐｌｅｘｓｔｒａｔａａｓｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｍｉｄａｓＧＴＳＮＸｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅ ｍｅｎｔｍｏｄｅｌｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｕｌｅｏｆＴＢＭｍｏｄｅｔｕｎｎｅｌｉｎｇ
ｉｎｈａｒｄｒｏｃｋｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｓｅｅｐａｇｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｆｏｒｔｈｅｔｕｎｎｅｌｌｏｃａｔｅｄｉｎｈａｒｄｒｏｃｋｗｉｔｈｆｉｓｓｕｒｅｅｘｔｅｎｓｉｏｎ，ｍｏｄｅｒａｔｅｗａｔｅｒａ ｂｕｎｄａｎｃｅａｎｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ
，ｔｈｅｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｓｅｅｐａｇｅｉｎｄｕｃｅｄｂｙｔｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎｗｉｌｌａｇｇｒａｖａｔｅｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅ ｍｅｎｔｃｈａｎｇｅｓａｒｏｕｎｄｔｈｅｔｕｎｎｅｌａｎｄｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｆｌｕｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｈｏｕｌｄｂｅｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔｗｈｅｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒ
ｏｃｋａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ．犓犲狔狑
狅狉犱狊：ｄｕａｌｍｏｄｅｓｈｉｅｌｄ；ｆｌｕｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｆｕｌｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｒｏｃｋ；ｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ３
１１２０２３年第５期刘　邦：考虑流固耦合效应的双模盾构施工对地表变形的影响。