双模盾构穿越大埋深软岩施工卡机风险分析及研究

双模盾构穿越大埋深软岩施工卡机风险分析及研究

孙峰梅

【摘要】盾构/TBM在大埋深软弱地层掘进时,围岩收敛变形较大,盾构支护体系施作及时,容易挤压盾壳并导致盾构/TBM卡机,影响隧道的正常掘进施工.本文针对广佛环线东环隧道,利用数值方法分析了大埋深双模式盾构隧道有无支护条件下围岩的变形特征和围岩与盾壳的相互作用关系,探讨了大埋深软岩区段双模式盾构隧道卡机风险的控制和处理措施.研究结果表明,大埋深盾构隧道穿越软弱地层开挖时,支护越及时,围岩对盾壳挤压作用就越大,就越容易出现卡机情况;埋深越大,盾构开挖对围岩的扰动作用就越大,作用在盾壳上的法向应力也越大,导致摩擦力增大,卡机事故发生的概率大幅增加;针对大埋深双模式盾构施工的卡机风险,可以从超前支护、选择合适盾构机型、围岩扩挖三个方面进行控制和处理.

【期刊名称】《铁道建筑技术》

【年(卷),期】2019(000)005

【总页数】6页(P98-102,145)

【关键词】大深埋隧道;盾构/TBM;挤压大变形;卡机;数值分析;控制及处理

【作者】孙峰梅

【作者单位】中铁十九局集团有限公司北京 101300

【正文语种】中文

【中图分类】U455.4

1 引言

在我国大规模工程建设过程中，地下工程蓬勃发展，出现了一系列深埋超长隧道。而机械化程度高的盾构/TBM法因其施工速度快、安全性高等因素而成为深埋长大隧道施工的重要方法。当盾构/TBM在深埋隧道穿越软弱地层时，将面临围岩大变形和盾构机卡机的施工风险[1]。据统计，围岩挤压大变形及其导致的TBM卡机灾害占TBM重大事故的37%，是占比最大的地质灾害[2-3]。

对于盾构/TBM深埋隧道施工中的卡机风险问题，有许多学者和工程师进行了相关研究。在对盾构/TBM隧道卡机机理分析方面，刘泉声等论述了深部复合地层围岩与TBM隧道的相互作用机理和施工安全控制及评价决策问题，分析了超千米深井巷道建设中TBM隧道卡机机理，即当TBM的推力无法克服围岩对护盾产生的摩擦阻力时，便会导致TBM护盾被卡。同时，提出了一种监测护盾变形的方案及护盾受力的计算方法，针对TBM的卡机状态定义了四个等级并提出对应的处理措施[4-6]。黄兴等分析了TBM开挖卸荷后的围岩挤压大变形力学特性，定义了深埋隧道围岩挤压大变形概念及其临界值，根据围岩挤压变形与开挖半径间的比值和挤压变形与扩挖间隙的比值这两个指标将挤压大变形划分为五个等级。同时，基于围岩流变本构模型和TBM卡机事故预测分析理论，提出了挤压大变形和卡机数值计算方法，并分析了TBM不同时长停机状态下的卡机行为[7]。温森等考虑围岩流变效应，建立了停机和连续掘进两种状态下TBM卡机状态判断模型，提出了预留变形和超前支护相结合时临界超前支护强度的计算模型，进行了TBM卡机控制措施的研究[8]。吴迪基于三维蠕变地层-盾壳-结构数值模型，模拟盾构/TBM停机状态下因围岩流变而导致的卡机事故[9]。在盾构/TBM卡机问题处理方面，薛永庆介绍了引汉济渭秦岭输水隧洞岭北工程TBM穿越断层破碎带时刀盘和护盾发生卡机后的脱困技术[10]。王江分析了双护盾TBM施工中三种常见卡机形式的原因，总结

了五种卡机脱困的技术，提出双护盾TBM卡机预防措施[11]。尚彦军分析了昆明

北部上公山隧道数次TBM卡机事故和护盾挤压变形的典型实例，介绍了工程中采用的人工扩挖旁洞、钢拱架支撑和超前导洞等处理措施。景琦通过对敞开式TBM

撑靴支撑力分析，提出了盾构在软弱围岩中掘进反力保障措施[12]。

如上调研可知，对于深埋软岩地质条件下的盾构/TBM，卡机风险是重要的施工问题。目前对TBM卡机问题的研究较多，而对于深埋盾构隧道施工卡机风险的研究尚不多，且不同工程的软岩地质条件有很大差异。因此，本文结合广佛环线东环隧道大源站-太和站区间工程，针对隧道穿越炭质板岩和砂岩软弱地层条件，开展大

埋深双模式盾构隧道施工卡机风险分析，并提出相应的控制措施。

2 工程概况

广佛环线广州南站至白云机场段是珠三角城际轨道交通的重要组成部分，线路起于广州南站，接入穗莞深城际铁路竹料站，全长约46.7 km。东环隧道是该线路的

重要工程，其中大源站-太和站区间隧道工程位于广州市白云区太和镇，为双线铁

路隧道，主要采用盾构法施工，建筑长度6 804 m，盾构隧道总长6 144 m。盾

构隧道主体结构采用单层装配式通用管片环，并预留内衬施作空间。隧道外直径8.8 m，衬砌管片厚400 mm，环宽1.8 m，采用“6＋1”分块模式，管片混凝土强度等级为C50。

隧址区多为丘陵与丘间谷地，属丘陵地貌，地势起伏较大，地面高程21～135 m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超过130 m。且盾构隧道长距离下

穿不同风化程度的片麻岩、炭质板岩、粉砂岩，围岩风化程度高、强度差异较大、渗透性差异显著。工程采用单护盾TBM、土压双模盾构掘进施工，掘进机转换示

意如图1。图中所标1、2分别为双模转换口，是目前国内首次采用单护盾TBM＋土压平衡双模大直径盾构长距离穿越大埋深岩层，设计与施工难度极大。

图1 TBM与土压平衡双模盾构机

3 盾构卡机数值计算分析

为了预测不同埋深下东环隧道双模式盾构机在施工中的卡机风险，本文利用有限差分软件FALC3D对盾构施工行为进行数值模拟。

3.1 数值分析模型

3.1.1 模型建立

结合隧道的工程地质特点，针对隧道全断面穿越大埋深炭质板岩地层工况进行分析。炭质板岩是一种典型的软岩，其结构呈层、片状，胶结差、强度低，流变属性明显，且流变下限应力值较低。在大埋深高地应力条件下，盾构隧道开挖形成的低围压、高应力差环境使得盾构机极易发生卡机的风险。本文中将岩体视为各向同性等效连续介质，但考虑炭质板岩在大埋深高地应力条件下的流变特性，采用的岩体物理力学参数如表1所示。

表1 岩体物理力学参数密度ρ/__(kg·m-3) 泊松比ν 弹性模量E/GPa______黏聚力

c/kPa____内摩擦角

φ/(°)______2710___________0.___________________________________24_1.02_1.69_3 7.4

图2为本文建立的计算模型。考虑数值计算的边界效应，模型的范围为

(100×72×100 m)；计算时仅考虑地层的自重应力场，在模型 x、y、z方向分别

施加对应的构造应力；在模型上表面施加垂直力模拟上部覆盖岩体重力作用，模拟不同埋深下的初始应力状态，并在模型四周及底面采用法向位移约束条件。

图2 三维模型

计算时管片衬砌采用实体单元模拟，针对盾构超挖及壁后注浆等因素的作用，对其用等代层的方法进行考虑；同时，为了有效模拟盾壳与围岩的相对运动，模型中采用liner结构单元模拟盾壳。模型中盾壳、壁后间隙、超挖部分的位置关系如图3

所示，盾壳模拟的相关设置参数见表2。