双护盾TBM穿越硬岩地层掘进参数优化分析

施烨辉 张 旺 沈宇鹏 褚满帅

(1.江苏南京地质工程勘察院 江苏南京 100068；2.江苏省隧道与地下工程技术研究中心 江苏南京 100068；3.北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044；4.北京城建设计发展集团股份有限公司青岛分公司 山东青岛 266000)

1 引言

如今，TBM设计、制造、施工技术已经比较成熟，其凭借着掘进速度快、成洞质量好、综合效益高等优势在硬岩掘进隧道及大型引水工程中应用广泛。青岛地铁隧道埋深较浅，围岩以中微风化花岗岩硬质岩石为主，且隧道穿越区上方建筑物密集，穿越影响范围广，需要控制施工产生的沉降变形。鉴于传统矿山法爆破振动难以控制，选择采用TBM作为开挖方式，双护盾TBM技术国内首次被应用于青岛地铁隧道施工中。

掘进循环流程为:开始掘进→撑靴支撑推进→管片安装、回填、灌浆→撑靴收回换步→再开挖掘进。TBM掘进参数众多，选择合理的掘进参数可有效提高施工效率、控制地表沉降、提高隧道整体稳定性[1-2]。

近年来，相关学者对双护盾TBM在城市轨道交通工程中的应用开展了大量研究。刘小刚等[3]结合青岛地铁2号线某双护盾TBM区间工程，基于实测资料对TBM掘进参数之间、掘进参数与岩石抗压强度进行回归拟合分析，提出了优化的掘进参数。洪开荣等[4]以某TBM工程为背景，通过开展一系列TBM滚刀磨损试验，提供了TBM关键参数的计算依据。任琨[5]以实际工程为背景，探讨了盾构隧道埋深、掘进压力、应力释放系数等因素对地表沉降的影响，提出了各因素对地表沉降的影响程度。

近些年，双护盾TBM在城市轨道交通工程中的应用得到了很大重视，并且对其研究也取得较大进展，但研究内容多为双护盾TBM刀盘设计、施工地层稳定性及与围岩相互作用机制，对于双护盾TBM在硬岩地层掘进参数的优化分析相对较少。

本文依托青岛地铁1号线瓦贵区间TBM隧道工程，将仿真计算与现场监测相结合，分析不同掘进参数下地表及支护结构的变形特征。同时，在控制地表及管片结构变形前提下，探讨合理的TBM掘进参数。

2 工程概况

瓦贵区间陆域段采用2台DSUC双护盾TBM开挖，线路穿越了多处居民小区及其他用地。区间隧道主要穿越地层为中风化～微风化花岗岩。地层从上至下依次分布着杂填土、粉细砂、花岗岩等地层，土层总体呈层状，地质构造简单。根据相关的勘察资料，地下水发育，地下水位贫乏，因为花岗岩稳定性比较好，其水文地质条件较好，故本研究不考虑地下水位的影响。

3 评价指标

为便于分析TBM掘进过程中新建隧道的安全性及为后续掘进参数优化分析提供评价标准，参考《城市轨道交通工程监测技术规范》及相关学术文献[6]，对TBM掘进过程中地表及新建隧道的变形限值整理如表1所示。其中，D表示隧道开挖直径。

表1 变形控制指标

根据表1的规定，在不超出限值的前提下，选取地表沉降变形、管片拱顶竖向沉降、管片拱腰水平位移作为各项掘进参数的评价指标。

4 双护盾TBM掘进参数分析

4.1 模型建立

里程K31＋354～K31＋474区段土体层状分布显著，且隧道埋深较浅，TBM掘进对地表沉降影响较大，具有一定的代表性。采用有限元软件对该区段TBM掘进进行仿真计算，分析掘进过程中地表及管片的变形特征。

隧道开挖洞径为6.3 m，左右线净距为8.0 m。考虑到边界效应的影响，模型取适当大小即可，隧道外边缘至模型边界距离为开挖洞径的3～5倍[7]；隧道下边缘至模型底部距离为开挖洞径的2倍；最终确定模型总尺寸为80 m×30 m×40 m。数值模型如图1所示。

图1 数值整体半透明模型

地层及模型材料力学参数如表2所示。考虑到实际施工过程中施工堆载、车辆动载的存在，在地表施加均布超载20 kPa。

表2 地层及模型材料力学参数

4.2 施工步序

TBM掘进模拟过程中以管片幅宽1.5 m为开挖进尺。施工全过程的模拟，大体可划分为如下几个阶段:

阶段一，设置初始应力场并位移清零。

阶段二，掌子面施加掘进推力进行开挖，同时进行管片拼装。

阶段三，进行下一阶段的掘进及管片拼装。同时，对上一阶段管片背后进行豆砾石及注浆回填，激活注浆压力。

重复阶段二及阶段三，直至隧道贯通，模型共设置23个施工步骤，具体模拟工序如表3所示。

表3 施工模拟工序

4.3 计算荷载

影响地表及管片结构变形的因素众多，以地层条件、隧道埋深及掘进推力、注浆压力、撑靴压力等掘进参数为主。

掘进推力即为前盾刀盘推力，通过施加在掌子面上的面荷载来模拟；进行管片背后豆砾石及注浆回填过程中，对管片产生注浆压力，通过施加在管片上的面荷载来模拟；TBM掘进过程中，通过施加在隧道围岩上的面荷载来模拟，其位于滞后掌子面4.5 m的1.5 m范围内，作用在开挖中心与水平方向上下两侧各成30°的范围内。荷载模拟如图2所示。

图2 荷载模拟

结合实际设计资料及相关文献[8-9]，基于掘进推力0.4 MPa、注浆压力0.22 MPa、撑靴压力3 MPa设置如表4所示工况进行数值模拟，对比分析不同荷载工况下地表及管片结构的变形特征。

表4 计算荷载工况 MPa

4.4 模型验证

为验证数值模拟的可靠性及便于后续的变形特征分析，选取地表截面1(见图2)。

工况9的TBM掘进完成后地表沉降模拟值与监测值对比如图3所示。

图3 沉降模拟值与实测值对比

图3分析可得，地表沉降模型模拟值和实测值在距离O(即双隧道中心在地表对应位置)点较远地方上基本一致，大体的变化趋势具有很高的相似性。考虑到现场施工复杂，各种影响变形的因素相互交织，可认为建立的模型进行数值模拟是可靠的。

4.5 结果分析

4.5.1 掘进推力

TBM掘进过程中，刀盘开挖区域内岩石产生弹性变形而逐渐达到弹性变形极限，随着垂向破岩力的增大，岩石受到剪切力而沿最优角方向产生崩碎，最终在滚刀的相互作用下完成破岩过程[10]。若掘进推力太低则导致无法破岩，若掘进推力太高则导致岩石受到较大扰动而影响开挖安全性。对前述4.3节工况1、2、3、4四种工况进行仿真计算。

图4是掘进施工完成后地表截面1沉降槽，分析曲线可得，TBM掘进引起的地表响应服从Peck沉降曲线。上述三种工况沉降槽有大致相同的变化趋势，随着掘进推力的增大，地表沉降逐渐增大。掘进推力为0.5 MPa时，O点沉降值最大为3.37 mm。

图4 不同掘进推力截面1沉降槽

图5是掘进施工完成后管片拱顶沉降槽及管片拱腰收敛曲线。分析两曲线可得，四种工况下管片拱顶沉降及拱腰收敛有大致相同的变化趋势。随着掘进推力的增大，刀盘破岩对围岩的扰动越大，引起的管片拱顶沉降及管片拱腰水平收敛越大。掘进推力为0.5 MPa时，管片拱顶最大沉降值为5.95 mm，管片拱腰最大水平收敛值为1.83 mm。

图5 不同掘进推力管片变形曲线

考虑到当距离起始开挖面较近时，掘进推力越大，管片拱顶沉降及水平收敛较大，且掘进推力应满足破岩而不宜过小，掘进推力取0.4 MPa为宜。

4.5.2 注浆压力

双护盾TBM管片壁后回填面积较大、连通性较强、衬砌管片稳定性较差。若注浆压力过小，则会引起豆砾石吹填不密实、注浆压力不均、回填效果较差，严重时会导致管片错台及渗水严重；若注浆压力过大，则会使管片产生较大收敛而影响其安全性[11]，TBM掘进过程中选择合理的注浆压力至关重要。对前述4.3节工况9、10、11、12四种工况进行仿真计算。

掘进施工完成后地表截面1沉降槽和掘进推力相似，不同工况下差异较小。TBM掘进引起的地表沉降槽曲线近似呈正态分布，O点沉降值最大，由O点向两侧沉降值逐渐减小。随着注浆压力的增大，地表沉降逐渐增大，当注浆压力为0.28 MPa时，O点沉降值最大为3.40 mm。

图6是掘进施工完成后管片拱顶沉降槽及管片拱腰水平收敛曲线。分析两曲线可得，管片拱顶沉降及拱腰水平收敛整体上沿隧道掘进方向逐渐减小，四种工况下管片拱顶沉降及管片水平收敛有大致相同的变化趋势。随着注浆压力的增大，管片拱顶沉降及拱腰水平收敛逐渐增大。注浆压力为0.28 MPa时，管片拱顶最大沉降值为5.97 mm，管片拱腰最大水平收敛为1.84 mm。

考虑到注浆压力过大引起管片变形过大，而注浆压力过小容易引起管片背后回填不密实，注浆压力取0.22 MPa为宜。

4.5.3 撑靴压力

TBM掘进过程中，撑靴紧撑洞壁为主推进油缸提供反力，装备前进动力、刀盘扭矩以及TBM自身重力都是通过TBM与围岩的接触进行传递的[12]。若撑靴压力过大而超过围岩抗压强度，则会导致撑靴紧撑的围岩受压破坏而出现打滑现象；若撑靴压力过小，则撑靴作用在围岩上产生的静摩擦力不足以使TBM向前推进。适宜的撑靴压力是TBM正常掘进的关键因素。对前述4.3节工况5、6、7、8四种工况进行仿真计算。

图7是施工完成后不同撑靴压力地表截面1沉降槽，分析曲线可得，不同撑靴压力下沉降槽曲线有相同的变化趋势，均以两隧道中心线为对称轴，由隧道中心线向两侧地表沉降逐渐减小。与一般双隧道沉降槽出现两个峰值而呈“W”形不同，上述曲线为单峰沉降槽，分析其原因是两隧道净距较小，当双线隧道净距小于等于三倍隧道直径时，左、右线掘进引起的地表沉降叠加分布与单线隧道掘进引起的地表沉降分布相似，仅出现一个峰值[13]。随着撑靴压力的增大，地表沉降逐渐增大。撑靴压力为5 MPa时，O点沉降值最大为3.89 mm。

图7 不同撑靴压力截面1沉降槽

图8是掘进施工完成后管片拱顶沉降槽及管片拱腰水平收敛曲线。分析两曲线可得，管片拱顶沉降及拱腰水平收敛整体上沿隧道掘进方向逐渐减小，四种工况下管片拱顶沉降及管片水平收敛有大致相同的变化趋势。随着撑靴压力的增大，管片拱顶沉降及拱腰水平收敛逐渐增大。撑靴压力为5 MPa时，管片拱顶最大沉降值为7.65 mm，管片拱腰最大水平收敛为3.48 mm。

图8 不同撑靴压力管片变形曲线

考虑到当撑靴压力为2 MPa时，管片拱顶沉降曲线及拱腰水平收敛曲线出现了突变，而撑靴压力过大容易引起围岩受压破坏，合理的撑靴压力为3 MPa。

5 结论

(1)双线TBM掘进引起的地表响应服从Peck沉降曲线。地表沉降槽仅出现一个峰值，并不符合典型双线隧道掘进后地表“W”形双峰沉降槽曲线。分析其原因是双线隧道净距较小，掘进引起的地表沉降叠加分布与单线隧道掘进引起的地表沉降分布相似。

(2)掘进推力越大，地表沉降、管片拱顶沉降及拱腰水平收敛越大，合理的掘进推力取0.4 MPa为宜。

(3)注浆压力越大，地表沉降、管片拱顶沉降及拱腰水平收敛越大，合理的注浆压力取0.22 MPa为宜。

(4)撑靴压力越大，地表沉降、管片拱顶沉降及拱腰水平收敛越大，合理的撑靴压力为3 MPa。