盾构施工软岩变形地段综合处置技术研究

杨俊哲（神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林719315）

盾构施工软岩变形地段综合处置技术研究

杨俊哲（神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林719315）

盾构施工过程中，盾构与围岩之间的间隙非常有限导致盾构对围岩变形的适应性较差。盾构开挖后软岩变形会直接影响盾构掘进速度，严重时影响衬砌管片质量安全，因此，开展盾构施工软岩变形地段综合处置技术研究非常必要。本文采用理论分析与数值模拟相结合的方式，主要从以下三个方面着手进行研究：①利用岩体卸荷理论，结合神东补连塔煤矿斜井工程地质资料，建立大坡度斜井掘进力学模型；②构建三维反演分析模型，研究斜向条件下的盾构开挖及推进引起的卸荷效应；③根据理论分析及现场施工设备配置，提出软岩变形地段盾构施工综合处置技术。

盾构；软岩；变形；综合处置

1 引言

随着国民经济较高的发展速度，人们对地下深层资源的开发力度不断加大。盾构因其具有较高的掘进速度、较好的环保效益以及较高的综合经济效益等优势被广泛应用于水利、隧道、水电等领域。但由盾构与围岩间隙较小导致盾构对软岩变形地层适应性较差的问题一直没有得到有效解决。

2 软岩变形规律分析

2.1 斜井盾构掘进力学模型

利用非连续的刚度迁移法模拟实际盾构在类似砂质地层中的推进过程，从而探讨盾构和围岩间的时空效应和传递规律。

盾构主体结构按照真实尺寸选取，为消除边界效应的影响，将盾构四个方向按照3～5倍洞跨选取，三维模型尺寸为100m×100m×50m，共计39400个单元，42566个节点。盾构隧道开挖过程采用在开挖边界上释放节点荷载的方式进行模拟。计算中模拟隧道开挖时，根据采用有限元程序提供的“生”与“死”及材料参数变换功能进行处理，通过分次杀死单元和分次激活单元和变换不同位置的材料参数来模拟盾构隧道的掘进、管片拼装的过程[1]，其有限元计算模型如图1～2所示。

图1 斜井整体计算模型

图2 注浆体和管片支护计算模型

2.2 斜井盾构掘进围岩变形塑性和卸荷区域分布

根据神华神东补连塔地质条件，绘制围岩的塑性和卸荷区分布图，如图3所示。

从图3及相关分析可知：

（1）监测断面的拱顶和拱底处最大主应力（压应力）在开挖面到达前约0.5D时开始被释放，当被开挖时应力值急剧降低，在被支护后压应力降低缓慢，并最终趋于稳定[2]。支护的及时封闭不仅有效控制围岩变形持续发展，对围岩的应力重分布调整起到促进作用，加快围岩-支护系统的平衡。

图3 斜井在不同掘进时间下围岩的塑性和卸荷区域分布

（2）监测断面拱腰处的最大主应力值是先增加再减小最后缓慢增加，即：在开挖面到达前约0.5D后增加，并在开挖时达到最大值，但随着管片的支护，压应力值又开始降低，降低速率逐渐变缓，最后受渗流的影响，拱腰处压应力值缓慢增加。

（3）洞室围岩塑性区域主要分布在洞室拱腰附近，呈X型分布。在斜井盾构掘进中，随着洞室开挖深入，在洞室的拱顶、拱底及开挖面附近都出现了卸荷，卸荷率主要为40～60%，卸荷区域的体积呈直线增长。

（4）变形常规措施优化研究表明，斜井盾构掘进速率控制在3～5m/h之间为宜，及时施作管片和壁后注浆，形成封闭受力体系，能较好的控制围岩因扰动引起的变形。

2.3 斜井盾构掘进过程围岩扰动强弱关系

盾构掘进开挖过程中岩体扰动的效果同时反映在时间和空间上[3]。从时间效果上看，这种扰动并不是瞬时的，岩体受扰动后恢复需要经历一定的时间，某一特定围岩断面伴随盾构掘进进程的位移变化，这是累积效应在时间上的反映；从空间效果上看，这种扰动存在一定的有效范围，扰动的能量聚集在有效范围内，因此应同时选取不同断面的围岩变化规律综合分析，这是累积效应在空间上的反映。岩体扰动的这种时间和空间效应，使得其效果可以累积，即岩体的最终状态是由多次扰动累积而成的。目前对于围岩变形规律，大多只关心开挖面通过后直至自然固结完成后的这一阶段，对开挖面前方地层的扰动规律少有涉及，而预测盾构前方岩体扰动规律，对于施工进程控制具有积极的意义。

以上部围岩为例，在开挖面前方较近距离处隆起的岩体会造成开挖面较远距离的岩体损失或产生滑动破裂面，进而产生沉降，沉降值随着掘进过程而累积增大，距离开挖面越远的岩体，经过越长的时间扰动积累，因此累积效应越明显，但存在影响范围的极限值。而隆起部分的岩体距离开挖面很近，所以累积效应不明显，因此可以认为若没有这种累积效果，那么单纯由岩体挤压造成的围岩隆起值是一定的，等到开挖面临近时，隆起极值需扣除先前经过扰动累积的沉降值。

因此，在斜井上方岩体中，只要观察开挖面前方岩体变形的最大值的变化规律，找出曲线趋于平缓的拐点，即可确定出累计效应的影响范围。类似于围岩上部岩体的分析方法，也可以确定出前方其他部位岩体的累计效应。但由于刀盘压力对前方岩体的挤压作用是向四周和前方扩散的，因此围岩下部岩体需要观察其岩体沉降的最大值，左侧土体需要观察其左偏的最大值，右侧土体则是右偏的最大值。目前在数值模拟计算中，确定开挖面前方土体影响范围的方法局限于对位移云图的观察，由于在很大程度上受观察者的主观因素影响，云图所显示的变化层次有限，所以观察结果偏小。这里提出利用累积效应变化曲线来进行对比，为确定影响范围提供了一种相对可靠的途径。

3 软岩变形地段斜井巷道设计

在盾构施工过程中，当由于各种原因需降低掘进速度或停机时，围岩的快速挤压变形可能会超过护盾与围岩之间的预留变形量，甚至可能使护盾受到强烈挤压，导致卡机事故的发生。围岩变形还可能导致管片支护上的荷载持续增大，最终使管片破损[4]。试验斜井主要穿越砂岩地层，但局部地段砂质泥岩分布，设计时需考虑软岩大变形段的处理措施。

当盾构在软岩地层中掘进时，为了防止盾构被卡等事故的发生，一般采取以下防治措施：①大多数盾构主机的刀盘都采用偏心设计使其能形成椭圆形的开挖断面，同时刀盘边缘一般都安装有扩挖刀，因而都可通过适当超挖使盾壳与洞周开挖面的间隙尽量加大[5]，给围岩变形预留足够空间，保证管片安装完成以前盾构能顺利掘进；②还可以适当提高推进液压缸压力（由通常的9～12MPa提高到18～20MPa），使盾构快速通过软岩地层；当一般的措施无法保证盾构安全通过挤压地层时，则应采用超前注浆加固等措施提高围岩的的整体性、承载能力和稳定性[6]。

应对软岩变形的处置方法主要包括以下几个方面：

（1）增大开挖断面

工程实践表明，在挤压地层中适当增加盾构的扩挖量是首选的施工措施[8]。适当增加盾构的超挖量，增大护盾与围岩间的空隙，一方面可使主机顺利掘进，另一方面也给后期的管片安装和围岩加固等提供了条件，较大的空隙将更有利于豆砾石的吹填和灌浆。但过大的扩挖值会带来较大的充填量，增大成本。因此需根据预估地层变形量，合理确定扩挖值。

（2）预留刚隙层

采用具有一定的空隙率、流动性和可压缩性豆砾石对管片背后进行充填，当围岩变形量增大时，豆砾石受围岩和管片挟制发生流动压实，在这个过程中软岩的变形能得到了一定的释放，但传递到管片上的荷载较少；而当变形量达到一定程度时，豆砾石很难被进一步压实，此时围岩的变形荷载便向管片上大量传递，管片则开始起到阻止围岩进一步变形的作用，通过适当的调整管片安装的程序同样能够达到“预留刚隙层”支护技术的效果。

（3）径向锚固

在常规拼装管片后，主要采取设置系统中空注浆锚索、加固围岩，限制围岩变形过大，威胁管片衬砌结构安全。设计应针对不同级别围岩软岩变形段采取不同支护加强参数。

4 软岩变形地段盾构设备方案

4.1 软岩变形地段盾构的针对性设计

合理化布置盾体设备，缩短盾壳长度，易于设备快速通过软岩变形地段；盾体设计为前大后小的阶梯递减形，减小盾体因软岩变形卡机风险，如图4所示。刀盘开挖中心向上偏离盾体中心，保证掘进过程中盾构有向上“抬头”的趋势。根据盾体结构强度、主轴承承载和刀盘刀具布置，适当增加推进系统推力，提高快速通过软岩变形地段的能力。根据刀具布置和地层条件，适当增加主驱动脱困扭矩，增在强软岩变形地段坍塌卡刀盘的脱困能力。前盾底部设置千斤顶，中盾顶部设置稳定器，强迫主机“抬头”。设备配置特点如下：

（1）盾构采用前大后小阶梯递减的设计，本工程中盾体由前盾、中盾、盾尾三部分组成，三者直径相差15mm，有利于防止卡盾[7]；

（2）设计有盾构掘进扩挖系统，通过刀具垫块厚度的改变可以实现斜井巷道的扩挖，最大扩挖量为50mm；加上超挖值160mm，盾壳外围岩间隙最大可达210mm[8]；

（3）盾构配有适应快速掘进及强制脱困的强大推进系统，推进油缸规格：230/200-2300，油缸数量15对+4根，顶部A组2对+4根油缸，两侧B、C组各4对油缸，底部D组5对油缸，额定总推力42378kN，最大总推力49442kN。

图4 前盾稳定器布置

4.2 盾构超挖刀具的选型配置

目前，刀盘的超挖装置主要有两种形式——伸缩式超挖和边滚刀加装垫片超挖。伸缩式超挖装置需要一个液压系统驱动，结构复杂，占用空间大，且刀具安装方式为前装式，若超挖刀具磨损后，前装式安装不易更换；加装垫片超挖方式是通过在边滚刀刀座上增加特制高度的垫片，从而改变边滚刀的刀高，达到超挖目的，这种方式使用的刀具就是原有掘进滚刀，磨损后即可背部更换，使用方便。对比这两种方式，由于盾构刀盘开挖距离长，因此优先采用边滚刀加装垫片形式实现超挖。

5 结论

以神华神东补连塔煤矿斜井工程为例，通过建立斜井盾构掘进力学模型、斜井盾构掘进围岩变形塑性和卸荷区域分析、斜井盾构掘进过程围岩扰动强弱关系对软岩变形规律进行研究，得出以下结论：

（1）通过增大开挖面、预留刚隙层、径向锚固等对斜井巷道进行有针对性的设计的方式作为应对盾构软岩变形的处置方法；

（2）通过对盾构前大后小的阶梯递减设计、设置掘进扩挖系统、强大的推进系统以及设置盾构超挖刀具等盾构设备选型的方案作为应对盾构软岩变形的处置方法。

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U455.49

A

2095-2066（2016）35-0208-02

2016-11-2

杨俊哲（1964-），男，博士，教授级高工。