考虑蠕变效应的大埋深城际铁路盾构隧道卡机分析

孙玮佳

中铁二十局集团海外事业部工程部，陕西西安，710016

0 引言

近年来，国内外地下工程发展蓬勃，隧道向着更深、更长及更大断面的趋势发展。我国在建或拟建的大型隧道项目中，深埋长大隧道亦是关键控制性工程。针对以上工程，传统的矿山法具有明显的局限性，有鉴于TBM在造价、工期、适用条件及技术等方面具有明显的优势[1]，TBM工法在大埋深隧道工程的应用已成为趋势。然而，众多工程实践表明：高地应力状态下的围岩在开挖之后往往会呈现蠕变特性，易发生大变形，盾构机在长时间停机状态下会导致卡机灾害。

针对大埋深盾构/TBM隧道停机状态下的卡机灾害问题，有许多学者和工程师进行了相关研究。Hasanpour等[2]研究了双护盾TBM与围岩的相互作用机理。黄兴等[3]依托引大济湟工程基于挤压大变形本构模型，通过数值软件模拟盾构机穿越断层，对短期内的卡机风险进行了分析。在程建龙等[4]的研究中，分析了双护盾TBM在不同复合地层掘进过程中护盾锥度、扩挖间隙、侧压系数、护盾长度等。

对围岩与双护盾TBM相互作用的影响。温森等[5]研究了侧压系数及回填材料参数对双护盾TBM卡机控制影响。在刘泉声等[6]的研究中，利用FLAC3D分析了挤压性地层卡机机理并提出卡机判据。薛永庆[7]针对引汉济渭秦岭输水隧洞岭北工程，介绍了TBM穿越断层破碎带时刀盘和护盾发生卡机脱困技术。

针对TBM卡机问题的研究成果斐然，但在分析卡机机理时未充分考虑围岩的蠕变效应，就工程实际而言，围岩蠕变是盾构长时间停机以致卡机的突出原因，针对这类工程事故，本文结合广佛环线东环隧道大源站~太和站区间工程，选取隧道全断面穿越泥岩为分析对象，开展了在不同埋深下的双模式盾构因停机导致的卡机风险分析，可为大埋深盾构/TBM隧道的设计施工工作提供参考。

1 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46.7km。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，隧道主要采用盾构法施工，建筑长度6816m，区间盾构隧道总长6144m。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8.8m，管片厚400mm，幅宽1.8m，采用“6+1”分块模式，管片混凝土强度等级为C50、C60。

东环隧道大源站~太和站区间工程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21~135m，隧道埋深十余米至上百米不等，最大覆土厚度超过130m。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、泥岩等，围岩风化程度高、强度差异较大、渗透性差异显著，工程中采用单护盾TBM、土压双模混合盾构掘进施工，这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[8]。

2 数值模拟

为预测不同埋深下东环隧道双模式盾构机在停机过程中的卡机风险，本文利用有限差分软件FALC3D对盾构停机时段进行数值模拟，分析TBM在此过程中围岩与护盾的相互作用，进而判断TBM的卡机情况。

2.1 围岩蠕变参数

结合东环隧道的工程地质特点，本文针对隧道全断面穿越大埋深泥岩地层工况进行分析。泥岩是具有代表性的软岩，具有强度低、遇水软化、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[9]。限于本文依托工程尚未开展岩石室内蠕变实验，现以类似工程项目的岩石室内单轴压缩蠕变实验为依据，选取合理的蠕变参数，采用的岩体物理力学如表1及表2[10]所示。

表1 岩体塑性力学参数

2.2 数值模型

本文的数值模型在建模过程中，为消除模型的边界效应对计算结果的影响，计算模型尺寸定为：100m×72m×90m（X*Y*Z）。

在建模过程中以符合Mohr-coulomb的正六面体实体单元模拟前期未考虑蠕变效应的土体，在进行蠕变计算时，土体则采用可以模拟岩土粘弹、粘性、粘塑性行为的Cvisc模型。为行之有效地模拟护盾与围岩的滑移及分离过程，护盾采用liner单元施作长度为15m，并将其与超挖层的粘聚力和抗拉强度都设置为0。在实际掘进过程中，由于刀盘的直径始终大于管片的外径，在建模过程设置刚度极小的超挖层（活化退化）模拟这一工程实际，对于壁后填充层，将其概化为均质、等厚、弹性的等代层，对于拼装式管片衬砌，将其视为均值圆环结构，并考虑管片接头存在降低了管片刚度故引入刚度系数η=0.75进行折减。由于隧道埋深较大，初始地应力采用在模型x、y、z向施加构造应力的方法进行模拟，并考虑模型自重，不考虑地下水的影响，模型中只建立部分上部覆盖岩体，在模型上表面施加不同的垂直力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相位移约束条件。模型中护盾、壁后间隙、超挖部分的位置关系如图1所示，对于盾构机护盾结构，考虑其内部机械设施的重量，将盾构机的自重换算成为盾壳材料的等效重度。模型中盾构隧道护盾、管片衬砌、壁后注浆填充层均被视为具有线弹性变形特征的材料，服从Elasticaity变形特征，护盾模拟的相关设置参数如表3所示。

表3 TBM护盾物理力学参数

2.3 模拟方法

如图2所示为此次数值模拟的开挖示意图。首先不考虑盾构机的开挖过程，一次性开挖36m，然后模拟管片衬砌、护盾、壁后间隙、超挖部分的施作以进行力学计算，最后进行蠕变计算分析在时间效应下护盾与围岩的相互作用、护盾的位移及卡机情况。

计算中针对盾构隧道的不同埋深H设置了5种计算工况，分别为：H=80m、H=100m、H=120m、H=150m及H=200m。通过分析围岩的位移与护盾的法向位移，对不同埋深条件下的软岩盾构停机卡机风险进行了研究。

3 卡机结果分析

3.1 护盾与围岩的相互作用

数值计算之后通过FLAC3D内置的Fish语言提取图2中3个监测点在不同停机时间下的围岩位移，其中监测点A位于与护盾顶部接触的围岩上，监测点B位于与护盾腰部接触的围岩上，监测点C则是位于与护盾底部相接触的围岩上，得到结果如图3所示。

从图3可以发现：在相同停机时间t下，监测点A与监测点C的竖向位移都随埋深的增加而增加，且增加幅度也随之增大，监测点B的水平位移由正值变为负值，即围岩由初始的相外扩张变为向内收敛。初期开挖之后，隧道顶部围岩发生向下的位移，底部产生向上的位移，而随着t的增加，顶部及底部围岩都产生向下的位移且越来越大。监测点A在停机0d时的竖向位移最小值为H=80m，其值为3.16mm，而超挖间隙为17mm，故围岩未与护盾接触，H=200m工况下监测点A在相同时间的竖向位移为8.34mm，也未超过超挖间隙，而随着停机时间t的增加，护盾最先与围岩接触为H=200m、t=3d，最晚的是H=80m、t=5d，对护盾产生挤压力，随t的增加，挤压力增加。由监测点B得到的数据可知围岩的水平位移最大为4.07mm，故水平方向上围岩未与护盾接触。

3.2 护盾变形分析

TBM开挖之后，当围岩的某处位移超过超挖间隙，则围岩将与护盾接触，与此相对应护盾会受到来自围岩的挤压力产生变形，通过提取盾尾的位移变量计算结果如图4所示。

根据上述的计算结果可知：对同一埋深盾构隧道，一次性开挖之后护盾的顶部和底部受压产生向内的位移，两帮因顶部和底部受压发生向外的挤压变形，随着停机时间的增加，护盾顶部法向形变程度不断增大，底部竖向形变和两侧拱腰水平变形变化不明显，这与围岩的位移变化规律一致，并且可以看到护盾整体产生接近刚性的下沉。对不同埋深的盾构隧道，随着埋深的增加盾构整体沉降也随之增加，最大值发生在埋深200m停机60d的护盾顶部数值为11.36cm，而相对于0d的竖向位移增加了10.48cm，水平位移也随着埋深的增加而增加，最大值发生埋深200m停机60d之后的拱腰位置，其值为0.42cm，这与图3中围岩的位移变化规律相对应。由此可以看出因围岩蠕变效应护盾发生挤压位移远大于初期开挖之后产生的位移，且竖向形变增加程度远大于水平形变。

3.3 护盾卡机判据

在盾构施工过程中，护盾上摩擦阻力主要是由围岩施加在其上的荷载以及自身的重力与底部围岩挤压产生的，当TBM自身所能提供的最大推力不足以克服护盾受的摩擦阻力时，将发生护盾卡机事故。参考已有的研究，现利用卡机状态判别公式，见式（1），判断盾构的卡机行为[6]。

式中：Fr为克服护盾所受摩阻力所需要的推力；Fb为机器正常连续掘进开挖所需的推力；F1为TBM推进系统所能提供的额定推力。其中利用FLAC3D软件中的Fish语言可得到Fr，相应的计算方法如式（2）所示。

如上式，Rfs为围岩挤压变形对护盾产生的摩擦力；fW为TBM自重产生的摩阻力；R为护盾直径；Ps（y）为护盾所受的围岩挤压力，其值可从数值模拟结果liner结构单元中提取；f为护盾与围岩间的摩擦系数；W为盾构机的自重。

利用式（1）和（2）对不同埋深条件下护盾的卡机风险进行判断，结果如图5所示，其中Rf*为护盾临界阻力阈值，其值为81.9MN。

由图可知，各种埋深工况下，TBM停机40天左右时，围岩与护盾的相互作用趋于稳定，此后，围岩作用在盾构上的荷载基本不变，因此护盾所受的摩擦阻力也基本不变了。在同一停机时间下，盾构隧道埋深越大护盾所受摩阻力也越大，且增加幅度也随之增大。当埋深小于120m时，即使考虑围岩蠕变效应下的护盾也不会出现卡机事故，当隧道埋深超过100m后将会出现护盾受到的摩阻力大于临界阻力阈值的情形，埋深越大护盾所受摩擦力达到护盾临界阻力阈值所需要的时间越短，H=120m的TBM护盾所受摩擦阻力在停机44d时将大于护盾临界阻力阈值，H=200m的仅停机5d就会发生上述情况，且随着TBM停机时间的增长，护盾所受摩擦阻力越大，TBM卡塞越来越严重，脱困也越来越困难，将造成巨大的经济损失。

4 结语

本文对不同埋深下东环隧道双模式盾构机在停机状态下的卡机风险进行了数值模拟，得到的结论如下：

（1）TBM开挖初期，隧道顶部围岩沉降，底部发生隆起，随着停机时间的增加，围岩整体产生沉降，且沉降程度越来越大，但增加幅度却随埋深增加而减小。

（2）停机时间一定时，随着埋深的增加TBM开挖对围岩的扰动也随之增大，围岩作用在护盾上的挤压力也越大，护盾所受的摩擦阻力越大，发生卡机事故的概率也随之增加。

（3）停机时间小于5d时，由于围岩的变形量小于超挖间隙，未与护盾接触，故文章所设工况皆未出现卡机情况，但随着卡机时间的增长，护盾所受摩擦阻力越来越大，埋深200m的盾构隧道在停机5d时，摩擦阻力大于护盾临界阻力阈值，埋深120m则在停机44天时会出现上述情况。

针对上述卡机情况，应结合盾构机施工参数及地层信息对停机安全时间进行评估，将停机时间严格控制在此范围内以防卡机事故的发生。

本章建立考虑盾构隧道施工全过程的数值分析模型，分析了围岩蠕变作用下的大埋深盾构隧道管片结构受荷特性，并从软岩隧道赋存应力场环境方面研究了围岩蠕变作用下隧道埋深对管片结构变形、内力和接触压力的影响。主要研究结论如下：

（1）开挖初期，隧道顶部围岩沉降，底部发生隆起，隧道埋深越大，管片衬砌整体变形越发显著，在考虑围岩的蠕变效应后，管片衬砌整体发生沿竖直向下的变形。围岩衰减蠕变阶段的拱顶竖向位移变化率远大于稳定蠕变阶段。

（2）随隧道埋深的增大，弯矩与轴力、接触压力均逐渐增大。在岩体未发生加速蠕变的情况下，围岩蠕变过程中管片衬砌的内力和接触压力的变化规律基本相同，有衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段。隧道埋深越大，围岩蠕变过程中管片衬砌受荷特征受岩体蠕变的影响越大。