海底盾构隧道施工开仓换刀开挖面稳定性分析

王 凯

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着我国经济社会的进步和盾构技术的发展，盾构隧道因其巨大的优势逐渐成为地下工程穿越复杂环境的首选形式。但受地层地质因素的限制，盾构掘进过程中不可避免的会伴随刀盘刀具的磨损及更换等问题，而开仓换刀阶段开挖面的稳定性将直接影响施工的安全和效率。

针对不同地质条件下盾构隧道开挖面的稳定性问题，众多学者开展了一系列研究。吕玺琳等[1]通过开展离心模型试验，对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究，并分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律；孟宪彪[2]从防止开挖面涌水、保持开挖面稳定、土仓加压试验等方面对软硬不均地层盾构机开仓换刀状态下开挖面稳定控制技术进行了研究；王国富等[3]基于筒仓理论，推导了突变地质界面下盾构隧道开挖面的极限支护压力，并分析了开挖面极限支护压力随界面距离的变化规律；赵峻[4]对泥水气压平衡式盾构在含砾中粗砂层和粉细砂地层中开挖面失稳的两种现象及处理技术进行了研究。通过大量研究成果的调研可知，盾构隧道开挖面的失稳问题普遍存在于各种地质条件下，对隧道的施工安全和效率有极大的影响[5-9]。

厦门轨道交通2号线跨海区间隧道是我国首条过海地铁盾构隧道，线路穿越地层地质条件复杂多样，水压力较高，盾构隧道在施工开仓换刀阶段极易出现开挖面失稳问题。因此，本文依托厦门轨道交通2号线跨海区间盾构隧道工程，通过数值模拟方法，研究评价不同地层中盾构开仓换刀阶段开挖面的稳定性，并对潜在的开挖面稳定风险问题进行分析，总结泥水平衡盾构开仓换刀阶段维持开挖面稳定性的工程措施。

1 工程概况

厦门轨道交通2号线一期工程海沧大道站—东渡路站区间跨海隧道分为盾构段、矿山段两部分，其中盾构段全长约2.3 km，左、右线分别采用1台复合式泥水平衡盾构施工。不同于穿越江、河、湖等水底隧道工程相对均匀的地层地质条件，厦门轨道交通2号线跨海盾构隧道主要穿越淤泥、中、粗砂、粉质黏土、残积土、全强风化岩层、碎裂状强风化岩层、中等风化变质岩层、微风化变质岩层等地层，穿越地层从流塑状淤泥至坚硬微风化石英砂岩，岩层多样，地质情况复杂多变，堪称“地质博物馆”。

该区间内大量断面存在上软下硬问题，部分区段存在孤石，盾构在施工掘进中刀盘刀具磨损严重，需要多次进行停机换刀作业。但由于地质条件复杂、埋深较大、水土压力高，且施工中无法准确规划停机换刀位置，在海底换刀时容易发生涌水、涌砂、掌子面塌方等安全问题。因此，本文针对厦门轨道交通2号线跨海段穿越的地层情况，选取4种具有典型代表性的地层断面(图1)，对在该断面进行开仓换刀过程中开挖面的稳定性进行分析。4个断面地层情况如图2所示。

图1 线路纵断面示意

图2 计算断面地层地质条件示意

2 数值分析模型

2.1 数值模型

针对盾构停机换刀阶段开挖面的稳定性问题，本文利用FLAC3D软件建立三维有限差分模型进行研究。根据设计资料，本区段盾构隧道衬砌采用标准C50钢筋混凝土预制管片，管片内径6.0 m，外径6.7 m，厚度0.35 m，幅宽1.2 m。考虑边界效应对计算结果的影响，模型总体尺寸为90 m(X轴)×60 m(Y轴)×(38.35 m+h)(Z轴)，h为隧道断面埋深。建立的计算模型(计算断面1)如图3所示。

图3 计算模型示意(计算断面1)

模型中假定隧道围岩、衬砌、注浆圈均为均质、连续、各向同性的多孔介质，满足等效连续介质模型；其中岩土体为理想弹塑性模型，遵循Mohr-Coulomb屈服准则；管片为C50钢筋混凝土材料，采用弹性本构模型。根据厦门轨道交通2号线跨海盾构隧道区间地质勘查资料和工程设计资料，得到模型中涉及的地层及相关材料的物理力学参数如表1所示。

2.2 计算工况设定

由于本文关注盾构停机换刀阶段的开挖面的稳定性，因此在计算模型中设定隧道轴向的中间开挖断面为目标面，主要分析盾构停机换刀阶段目标面的施工行为。数值模型的施工开挖循环模拟过程如图4所示，共设置3个开挖步；其中第一步在目标面前开挖30 m(25环)，第三步在目标面后开挖28.8 m(24环)，第二步在目标断面处开挖1.2 m(1环)，每个开挖步内模拟盾构开挖、拼装盾构管片、壁后填充层注浆过程。同时，以梯形荷载模拟作用在开挖面上的泥水压力。

在盾构停机换刀阶段，开挖面所受到的泥水压力大小是影响开挖面稳定性的关键因素。对于泥水压力因素的考虑，本文以如图4中所示的作用在开挖面上的梯形荷载来模拟，并定义支护应力比λ(式1)来对开挖面泥水压力进行调整。

(1)

上式中：σs为泥水舱隔板中心点处的泥水压力值，σ0为原始地层在开挖面中心点的静止水平土压力值。针对不同

表1 计算断面1地层地质力学参数

图4 盾构隧道开挖模拟示意

的地层条件及性质参数，通过计算得到断面中心位置处的竖向自重应力和侧向应力得到σ0值。

计算时针对不同的地层条件分析不同支护压力比(系数)下的盾构隧道开挖面稳定性；根据施加盾构隧道的施工过程，各个断面计算中采取的支护压力比(系数)分别为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0.05共计10个计算工况，对每个计算工况下的目标面的开挖稳定性进行研究比较分析。

3 计算结果分析

不同计算断面中开挖面拱顶下沉量与最大纵向位移随开挖面支护压力比的变化曲线如图5所示。由图可知，在不同断面地质条件下，随着开挖面支护压力的减小，开挖面上的竖向位移和纵向(y向)位移逐渐增大，且增长趋势呈现出非线性；这是由于随着支护力减小，开挖面出现塑性区，位移发展不段增大。从开挖面拱顶位移及最大纵向位移对比可以看出，开挖面在支护力减小时主要以向盾构机方向凸出为主。

图5 开挖面变形随支护压力变化曲线

同时由四种地层中开挖面变形对比结果可以看出：

(1)在不同断面地质条件下，随着开挖面支护压力的减小，开挖面上的竖向位移和纵向(y向)位移逐渐增大，且增长趋势呈现出非线性。在多个计算工况中，开挖面的最大竖向位移发生在拱顶位置处，开挖面的纵向最大位移发生在隧道开挖面的中心位置处。

(2)在不同断面地质条件下，随着开挖面支护压力的减小，开挖面的塑性区逐渐发展；其中在支护压力较大的情况下，开挖面塑性区分布在隧道洞周，在支护压力较小的情况下，开挖面塑性区范围较大；针对不同的地层条件，隧道开挖过程中，开挖面的塑性区有一定的差异。

(3)在选取的四个地质断面条件中，断面3位置中隧道穿越区地层多为中砂层，围岩稳定性差，在较小支护压力小开挖面的变形较大，稳定性极差。

4 结论

本文针对厦门轨道交通2号线跨海段穿越复杂多样的地质条件，选取四种典型地层条件，对开仓换刀时开挖面稳定性进行数值模拟分析，通过对不同开挖面支护压力下开挖面位移的分析，可以发现在中砂层中开挖面面临失稳问题，过小的支护压力导致开挖面位移急剧增大，从而导致失稳，而在风化岩层中开挖面具有一定的自稳能力，即使在极小支护力的情况下，开挖面位移也较小，不会发生失稳问题。据此给出以下建议：

(1) 针对砂层中进行开仓换刀时，首先应在开挖面生成良好的泥膜，同时保证开仓时开挖面受到足够的气压支护，通过泥膜传递气压作用在开挖面上，保证开挖面的稳定性。

(2)针对风化岩层中进行开仓换刀，虽然地层具有良好的自稳能力，但考虑到风化岩层裂隙发育，同样需要在开仓前在开挖面形成泥膜，防止地下水透过开挖面，进而引起开挖面的破坏。