不同坡度下 TBM 隧道施工对围岩及地表影响分析

郑 雯，邱 琼，段 灿，薛子斌，李 冉，于广明

（1. 青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033；2. 山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东青岛 266033；3. 中建隧道建设有限公司，重庆 401320）

纵观各隧道工程建设，多以盾构法、全断面硬岩隧道掘进机（TBM）掘进法、钻爆法为主。城市轨道交通的线路选择往往受制于城市规划、地层条件以及建（构）筑物等周边环境的影响，其线路设计会出现大纵坡线路。本文结合重庆市轨道交通9号线刘家台—鲤鱼池区间双线隧道工程施工，基于理论分析以及数值模拟针对不同坡度工况下所对应的计算结果进行对比分析，着重讨论大纵坡条件下TBM施工对隧道围岩应力、围岩变形以及地表沉降的影响，可为大纵坡TBM施工安全维护提供研究依据。

1 大纵坡TBM掘进隧道工程概况

重庆市轨道交通9号线1期工程刘家台—鲤鱼池区间，隧道总长为919.509 m，其中CK14+986.420～CK15+261.113为渡线隧道，采用钻爆法施工，其他路段为TBM施工。TBM施工区间为双线双洞，采用复合式TBM施工，隧道横断面为单心圆断面，选用钢筋混凝土管片衬砌，混凝土等级为C50，每环管片外径为6.6 m，内径为5.9 m，厚度为0.35 m，长度为1.5 m，轨面设计标高为193.594 ～214.86 m，设计纵坡坡度为20‰～46‰。因刘家台车站受交通疏解及用地协调影响，无法满足始发条件，需在区间中间设置TBM始发井，始发井至刘家台车站左右线调整为钻爆区间，左线约为511 m、右线为200 m，由TBM掘进法调整为钻爆法，故选取TBM施工段左线为ZK14+722.22～ZK14+321.047区间，长度为401.174 m，右线为YK14+722.22～YK14+321.047区间，长度为388.656 m。隧道结构基本位于中风化砂岩和中风化砂质泥岩处，拱部地层主要为素填土、砂岩、砂质泥岩。本文选取的地质剖面图和隧道横断面如图1所示，隧道围岩情况如表1所示。

表1 隧道围岩情况

图1 地质剖面图和隧道横断面

2 TBM 迎坡掘进对围岩及地表的力学影响分析

TBM在平坡掘进过程中，刀盘首先进入岩体内将其粉碎。在刀盘进入岩土体过程中会形成应力场，出现压碎区，岩土体则受到挤压、摩擦和剪切等不同程度的多种扰动，打破了地层自身的平衡稳定状态，当地层再次恢复到平衡状态时岩土体发生变形。而TBM在进行迎坡掘进时，岩土体会受到同平坡掘进时相同的扰动，但由于坡度的影响，岩土体与平坡掘进时受到的扰动程度不同，本文将从隧道围岩应力、围岩变形以及地表沉降3方面进行分析。

2.1 围岩应力特征分析

TBM在迎坡掘进过程中，随着坡度的增大，无论是其前部护盾还是后部已安装完毕的管片都会与围岩产生摩擦力，即图2中与其接触的围岩块体所受到的力F2；在摩擦剪切的作用下，隧道周围围岩会产生扰动区，从而出现易发生破坏的剪切滑动面。如图2所示的围岩块体受到摩擦力F2以及自身重力F1的作用，由于护盾上方存在超挖区，且隧道开挖对土体有卸荷作用，故不考虑掘进机对围岩的支撑力，则2个力共同作用下合力F合的方向如图中所示，使围岩产生与合力方向相同的剪切滑动面。当迎坡掘进坡度增大时，摩擦力F2则相应增大，合力值也随之增大，故围岩产生更严重的剪切变形，从而出现围岩应力的重新分布。

图2 TBM迎坡掘进时围岩受力分析

2.2 围岩变形分析

将迎坡开挖下与平坡开挖下岩土体的受力模型（图3）进行对比可知：ABCO、A'B'C'O'为隧道开挖面，MNKL、M'N'P'L' 为地表，GHIJ、H'I'J'K' 为地下水位面，OCEFMNKL、O'C'G'F' -M'N'P'L' 为下滑岩土体所带动的上部岩土体；迎坡掘进时隧道开挖面失稳下滑岩土体为楔形体ABCOEF，而平坡掘进时隧道开挖面失稳岩土体为较为稳定的矩形体A'B'O'C'D'E'F'G' 。对楔形体和矩形体进行受力分析，如图4所示。

图3 TBM掘进的受力模型

图4 TBM掘进时下滑体受力分析

楔形体水平受力：

楔形体竖向受力：

式（1）～式（2）中，P为TBM掘进力；N为下方岩土体的支持力；θ为坡度角；ω为岩土体破裂角，与坡度角有关；V为上方岩土体对滑动块的压力；G为楔形体自身重力；T1为滑动面ABEF的剪力；T2为滑动面BOF和ACE上的剪力。

矩形体水平受力：

矩形体竖向受力：

式（3）～（4）中，P' 为TBM掘进力；V' 为上方岩土体对滑动块的压力；G' 为矩形体自身重力；N' 为下方岩土体的支持力；T1' 为滑动面A'B'D'E' 和O'C'G'F' 上的剪力；T2' 为滑动面B'O'F'E' 和A'C'G'D' 上的剪力。

TBM迎坡掘进时由于坡度的影响，当掘进力P一定时，斜向掘进力可按水平、竖直方向分解为2个分力P1、P2，而平坡开挖时，没有坡度的影响，开挖面处只受到水平方向的掘进力P' 。因此迎坡掘进时，在竖向分力P2作用下楔形体竖向的受力增大；又由于TBM存在向下滑动离开开挖面的趋势，楔形体有倾向开挖面的趋势，则滑动面的剪力T1、T2也会增加。联合式（1）与式（2）可知，在TBM迎坡掘进时，坡度增大会造成楔形体受到水平、竖直方向的力增大，通过力的传递作用，下滑楔形体所带动的上部岩土体受到水平、竖直方向的力也同时增大，故而会破坏原有地层的平衡状态，使围岩产生水平和竖向的位移。

2.3 地表沉降分析

地表沉降是由于隧道掘进时围岩发生变形，变形向上传递至地表形成的。当TBM迎坡掘进时，综合上述对围岩的稳定性分析可知：①由于坡度的增大，TBM存在向下滑动的趋势，导致隧道周围围岩产生位移；②由于掘进力竖向分力的增加，会对上覆岩土体有向上推动的作用。综合上述2种分析可知：由于坡度不同导致的围岩变形不同，故地表沉降的大小也将受到隧道掘进坡度的影响。

3 三维模型的建立

3.1 模型尺寸及基本假定

本文采用Midas GTS NX有限元软件模拟TBM迎坡掘进对围岩及地表的影响，根据图1中的地质剖面图构建模型，选取图1中3-3～4-4区间内30 m长隧道，由于所选取的隧道大部分位于中风化砂岩内，岩土层只选取素填土层以及中风化砂岩层，故将模型的尺寸选为X×Y×Z= 90 m×30 m×60 m。

为方便三维模型的建立，设3种基本假定：

（1）将地层视为半无限空间体；

（2）不考虑施工过程中的特殊土体，认为岩土体均匀分布；

（3）只考虑自重应力场，不考虑地下水的渗流作用。

3.2 具体模型构建

（1）定义模型属性，将岩土层定义为三维实体单元，其材料属性定义为各向同性的莫尔库伦；管片定义为二维板单元，其材料属性定义为各向同性中的线弹性材料。

（2）将坐标系Y轴正方向视为隧道迎坡掘进方向，隧道迎坡掘进坡度初次设定为10‰，隧道拱顶埋深设为26～27 m，隧道断面设为内径5.9 m的圆形断面，迎坡隧道空间位置如图5a所示。

（3）根据管片宽度，选取隧道掘进进尺为1.5 m。

（4）对第一层素填土、第二层中风化砂岩及隧道内开挖土进行网格划分，并对2D管片进行析取单元，模型的网格划分如图5b所示，隧道的迎坡方向如图5c所示。

图5 迎坡隧道三维模拟

（5）设置施工阶段，一次开挖2环，首先进行左线隧道的开挖，钝化左线隧道内开挖土体，同时激活管片；重复上述步骤，进行右线隧道的开挖，最后进行计算分析。

3.3 模型计算参数的选取

TBM迎坡掘进隧道所在的地层基本为中风化砂岩以及砂质泥岩，上层土层为素填土。岩土层及管片的主要物理力学参数如表2所示。

表2 岩土层及管片的主要物理力学参数

3.4 边界条件及工况界定

由于隧道在开挖过程中其上方岩土体相对于下方岩土体有向下的运动，下方岩土体较为稳定，故需要在模型的左右表面（方向同X轴正向）和前后表面（方向同Y轴正向）加约束，以及模型顶部即地表面设为自由面不限制其位移。考虑到岩土体自重应力的作用，重力荷载系数取9.807 m/s2。

由于9号线1期工程刘家台—鲤鱼池区间隧道纵坡坡度为20‰～46‰，为全面分析坡度对TBM隧道围岩及地表的影响，本文选取隧道纵坡坡度分别为10‰、30‰和50‰建立模型，并对模型进行计算结果分析。

4 三维模拟计算结果分析

4.1 围岩应力分析

TBM迎坡掘进会对隧道围岩造成扰动，导致隧道周围不同位置及不同埋深处的围岩应力不尽相同。选取左右线隧道全部开挖完成后，隧道Y= 30 m的截面位置处的围岩应力云图，如图6所示，并将隧道截面处关键位置点的围岩应力进行统计对比，如表3、表4所示。

由图6及表3、表4可得出以下几点结论。

表3 左侧隧道（先开挖）围岩各关键位置点围岩应力值 kN/m2

表4 右侧隧道（后开挖）围岩各关键位置点围岩应力值 kN/m2

图6 围岩应力云图（单位：kN/m2）

（1）3种不同坡度下，TBM迎坡掘进时围岩应力云图大致相同，隧道附近的围岩应力受坡度影响其变化趋势不尽相同，各地层应力近似呈层状分布，且埋深越大应力越大。

（2）双线隧道施工过程中，隧道围岩的应力沿两隧道距离的中线呈对称分布，由于隧道的开挖对上部土体有卸荷作用，故围岩应力在双线隧道的拱顶处均发生急剧变化，且拱顶位置处围岩所受应力较同一埋深处围岩的应力小。

（3）两隧道中间位置处围岩的应力较两侧围岩的大，且隧道坡度对拱顶位置处围岩的应力影响也大。随着坡度的增大，拱顶位置处围岩的应力呈递减趋势，拱底位置处围岩的应力呈递增趋势。

4.2 围岩变形分析

4.2.1 隧道坡度对围岩竖向变形影响

根据前文分析可知，围岩应力变化较明显的位置为隧道的拱腰、拱顶以及拱底，而围岩应力会引起围岩变形，因此选取左右线隧道全部开挖后，隧道Y= 30 m的截面位置处围岩竖向（即Z向）变形云图（围岩主要产生竖向位移），如图7所示。由于云图中竖向位移在隧道拱顶、拱底变化明显，故将两隧道截面处拱顶、拱底围岩竖向位移值进行统计对比，如表5所示。

由图7及表5可知：

图7 围岩竖向位移云图（单位：mm）

表5 两隧道围岩各关键位置点围岩竖向位移 mm

（1）3种不同坡度下，TBM迎坡掘进时，两隧道截面位置处围岩的竖向变形主要表现为拱顶处围岩出现下沉，拱底出现隆起，竖向位移云图出现“双峰”，隧道拱顶处为竖向位移值的峰值；

（2）隧道围岩在3种坡度下的竖向位移沿两隧道距离的中线呈对称分布，且由于隧道上部岩土体开挖卸荷作用明显，拱顶处的围岩应力发生急剧变化，故两隧道拱顶位置处的围岩竖向位移值较同一埋深处的竖向位移值大；

（3）两隧道拱底由于围岩应力的重新分布，拱底竖向位移值同样较同一埋深处的竖向位移值大；

（4）TBM迎坡掘进的坡度越大，隧道拱顶围岩的竖向位移值越小。

根据定性分析的规律可知，隧道坡度的增大使TBM掘进力的竖向分力增大，故岩土体受到较大的竖向分力作用，对岩土体起到了隆起作用，从而降低了围岩的竖向位移值，且拱顶位置处最为明显。该计算结果得出的规律与围岩应力的分布规律一致，围岩应力及围岩竖向变形均在拱顶与拱底处出现变化，也验证了该模型的准确性。

4.2.2 隧道坡度对围岩横向位移的影响

选取左右线隧道全部开挖后，隧道Y= 30 m的截面位置处围岩横向（即X向）变形云图（围岩主要产生横向位移），如图8所示。由于云图中横向位移在隧道拱腰变化明显，故将两隧道截面处拱腰围岩横向位移值进行统计，如表6所示。

由图8及表6可知：

表6 两隧道围岩各关键位置点围岩横向位移 mm

图8 围岩横向位移云图（单位：mm）

（1）3种不同坡度下，TBM迎坡掘进时两隧道截面位置处围岩的横向位移最大值出现在拱腰处，左侧隧道左拱腰围岩沿X轴负向收敛变形明显，右侧隧道右拱腰围岩沿X轴正向收敛变形明显；

（2）隧道围岩在3种坡度中的横向位移沿两隧道距离的中轴线呈中心对称分布，两隧道距离中心点处的横向位移基本为零；

（3）由于TBM掘进坡度的不同，隧道拱腰围岩位置处的横向位移值不同。

从对围岩应力的分析可知，迎坡隧道开挖时，围岩应力由于转移集中在拱腰位置处，且围岩横向位移变化规律与围岩应力的分布规律基本一致，同样也验证了该模型的准确性。

综合分析围岩竖向及横向变形可知，围岩竖向和横向位移的最大值分别为5.14 mm、3.359 mm，故隧道坡度的大小对围岩的横向及竖向变形都存在一定的影响，且变形主要集中在隧道拱顶、拱底共2处关键位置点，并与围岩应力变化规律相对应。

4.3 TBM 迎坡掘进引起的地表变形分析

TBM迎坡掘进时会对地表造成扰动，地表竖向位移是隧道稳定性分析的一项重要指标，若沉降（即竖向位移负值）过大会对隧道上部建筑物造成损坏，因此在上述3种不同纵坡坡度下选取左右线隧道全部开挖后，隧道Y= 30 m的截面位置处地表竖向位移云图，如图 9所示。根据云图将地表竖向位移值利用Origin软件绘成折线图如图10所示，并进行深入分析。

由图9和图10可知：

图9 地表竖向位移云图（单位：mm）

图10 不同坡度下地表竖向位移折线图

（1）3种不同坡度下，TBM迎坡掘进时地表出现明显的沉降槽，沉降槽形式为“单峰”形式，且沉降曲线形状近似高斯曲线；

（2）地表沉降曲线呈轴对称分布，在两隧道距离中轴线处地表沉降值达到最大值，远离两隧道距离中轴线的位置处沉降值逐渐减小；

（3）TBM掘进坡度越大，地表沉降值越小，尤其是地表沉降峰值变化最为明显；

（4）根据地表沉降折线图分析，坡度对地表沉降表现为坡度每增加20‰，地表沉降最大递减量为0.05 mm。

根据上述分析可知，TBM掘进时坡度的大小会对地表沉降存在一定的影响，且坡度越大，地表沉降值越小。另外，由定性分析可知，坡度的增大会使TBM掘进力的竖向分力增大，对隧道上部岩土体有顶起作用，又因岩土体均匀分布，竖向分力继而传至地表，故坡度对地表沉降的影响规律与对围岩竖向变形的影响规律一致。

5 结论

本文依托重庆市轨道交通9号线1期工程刘家台—鲤鱼池区间的工程背景，采用Midas GTS NX以及Origin软件对不同隧道坡度引起的隧道周围地层稳定性进行分析，得出以下结论。

（1）对于TBM迎坡掘进的隧道而言，围岩应力最大值主要集中出现在两隧道拱腰位置处，且两隧道中间岩柱处围岩应力较隧道两侧的大；另外，由于隧道对上部岩土体的开挖卸荷作用，隧道拱顶位置处也出现围岩应力的急剧变化。上述规律即为形成迎坡隧道地表沉降曲线的力学机理。

（2）根据模型的计算结果可得，TBM迎坡掘进时产生的围岩竖向位移及地表竖向位移均呈现随着坡度的增大而减小的趋势，且两者均沿两隧道距离中线呈轴对称；而围岩的横向位移沿两隧道距离中线呈中心对称，且坡度对围岩的横向变形影响较小。

（3）由于迎坡隧道与平坡隧道开挖对地表竖向位移的影响不同，则隧道上方同一位置处建筑物也会出现不同的响应，因此在应对地表竖向位移对建筑物的损坏时采用的措施也存在差异性；另外，一定坡度的迎坡隧道开挖会使地表沉降值减小，但若迎坡坡度过大再加之隧道埋深较浅，导致地表隆起，同样会造成周围建筑物的损坏，故迎坡隧道的开挖要适当控制坡度。