TBM隧道围岩应力与沉降预测

陈京林

(广东水电二局股份有限公司，广州 511340)

0 引 言

近年来，随着软土开挖方法的逐步改进，隧道施工变得更加经济实用，因此我国隧道工程正朝着长距离、大埋深方向发展[1-2]。在隧道施工过程中，其风险远大于其他工程，在施工中要充分考虑地层情况、地下水、地面建筑物等各种复杂因素。如高地应力、高磨蚀性、断层破碎带、富水等不良地质，地质复杂性也是TBM施工面临的重大工程风险，易造成TBM卡机、装备故障等事故，不仅对工程进度产生巨大影响，对施工安全、工程质量、工程投资等都有非常大的影响[3]。伴随着施工机械化水平的提高，同时为了减少地表沉降，TBM在隧道建设中逐步趋于主流[4-5]。众多学者对TBM施工过程中的变化情况进行了相关研究。如王飞阳等[6]依托实际铁路隧道工程，采用FLAC3D数值模拟软件，建立TBM隧道施工掘进模型，基于力流理论对TBM隧道开挖过程中的围岩应力分布特征及弹性应变能进行分析，以弹性应变能大小为指标对隧道岩爆位置进行预测。刘赟君等[7]通过FLAC3D建立数值模型，分析TBM施工过程中引起建筑物沉降的变化规律。

隧道施工过程中，需要正确估计施工引起地表位移的大小和分布情况，因为这直接影响着相邻结构的安全。本文为了准确预测TBM施工期间隧道围岩的应力分布和地表沉降，建立三维有限元模型进行相关分析。

1 试验研究

本文试验通过建立三维有限元模型进行相关研究，模型由不同组件构成，如土壤参数、土层、掘进机、液压千斤顶、隧道衬砌的应用和尾部空隙灌浆。

1.1 模型尺寸

通过数值解进行计算，利用有限元法对隧道施工过程进行模拟，考虑隧道模型的对称性，选择模型一半作为参考进行相关分析。假设隧道直径D等于8.5 m，隧道长9 m，隧道顶部位于1D的深度，隧道的几何结构和网格离散见图1。

1.2 土壤参数

本文隧道模型土壤参数数据均基于广东省粤东地区的榕江关埠引水工程，该区域土层见图2。

本文研究中用于描述土壤特性的模型为摩尔-库仑模型。土壤相关参数从项目土壤钻孔的基本试验中获得，数据见表1。

图1 隧道的三维模型

图2 隧道三维模型的土层

表1 摩尔-库仑模型的土壤参数

1.3 材料参数

全断面隧道掘进机(TBM)在模型中为平板单元，假设其长为9 m，隧道管片衬砌也采用板元模型。全断面隧道掘进机(TBM)的参数见表2。

表2 TBM参数

假设每个混凝土衬砌段的宽度等于1.5 m，则全断面隧道掘进机(TBM)在分期开挖时每步均推进1.5 m，而混凝土衬砌管片采用服从各向同性线弹性本构的结构单元进行建模。衬砌构件的材料特性见表3。

在本文研究中，面压力的大小是根据土壤沉积物重量产生的垂直应力来确定的，其与膨润土悬浮液的单位重量有关。灌浆压力的大小是通过增加隧道顶部的面压力来确定的，根据灌浆材料的单位重量，灌浆压力随隧道顶部压力的增大而线性增加。全断面隧道掘进机(TBM)通过前6个开挖步骤，在隧道上共推进9 m。用指定的全断面隧道掘进机(TBM)材料激活壳体元件，然后将衬砌材料指定给相应的壳体元件进行衬砌安装。

表3 混凝土衬砌构件的材料特性

2 隧道应力

本文通过应用全断面隧道掘进机(TBM)对隧道围岩应力进行分析，包括土壤的开挖和混凝土衬砌段的安装。根据土体破坏准则，采用有限元法对土质隧道应力进行分析，所得结果为摩尔-库仑模型(MC模型)。图3和图4分别为原生土体在垂直方向和水平方向的应力-深度曲线。在垂直截面上，应力-深度曲线均受隧道上部位置和下部位置的影响。图3中，总垂直应力和有效垂直应力与深度几乎成线性关系，可表示为一个单位重量的常数。此外，由于土层从黏土变化到砂土，导致总水平应力和有效水平应力在深度15m处存在偏差，见图4。

图3 原生土体的垂直应力-深度曲线图

图4 原生土体的水平应力-深度曲线图

2.1 位于隧道周边第一部分的应力变化规律

隧道周边第一部分表示通过隧道或非常接近隧道中心线的位置，即x=0时隧道区域内的数据。根据数据绘制图5，图5(a)和5(b)分别表示x=0时隧道施工期间的总垂直应力和水平应力。从图5可以看出，各阶段的总应力表现基本相同，但由于第一阶段是全断面隧道掘进机(TBM)隧道开挖的初始阶段，因此第一阶段与其他阶段的应力表现略有差异，其他阶段的应力变化与原生土体应力的变化相差不大。

2.2 位于隧道周边第二部分的应力变化规律

隧道周边第二部分表示与隧道中心线存在偏差的位置，即x=5 m时隧道区域内的数据。根据数据绘制图6，图6(a)和6(b)分别表示x=5 m时隧道施工期间的总垂直应力和水平应力，显示了隧道施工阶段的应力曲线分布规律。在这种情况下，x=5 m时的应力-深度曲线非常接近隧道边缘，而隧道边缘距离隧道中心线2 m左右。从图6(a)可以看出，虽然全断面隧道掘进机(TBM)的第一阶段是隧道初始开挖阶段，但第一阶段、第二阶段和其他阶段之间的差异较小，所以各阶段的总垂直应力变化规律基本相同。而总水平应力和有效应力受到土壤性质系数和施工期间隧道掘进机振动的影响，见图6(b)，虽然第一阶段和其他阶段之间略有差异，但从整体出发，所有阶段的变化规律也基本相同。

2.3 位于隧道周边第三部分的应力变化规律

隧道周边第三部分表示距离隧道施工区域较远且偏离隧道中心线的位置，即x=8 m时隧道区域内的数据。根据数据绘制图7，图7(a)和7(b)分别表示x=8 m时隧道施工期间的总垂直应力和水平应力。由于该区域距离开挖区较远，因此施工期间各阶段之间的偏差较小，且各阶段的应力-深度曲线都收敛于原生土体。

图5 x=0时隧道施工期间应力分布图

图6 x=5 m时隧道施工期间应力分布图

图7 x=8 m时隧道施工期间应力分布图

从图7(a)和7(b)中均可以清楚地观察到，所有阶段的总垂直应力和水平应力的变化规律都相同，且第一阶段和其他阶段之间的差异也非常小。这是因为第一阶段为全断面隧道掘进机(TBM)隧道开挖的初始阶段，相当于原生土体的变化规律，而其他阶段都收敛于原生土体，故差异非常小。但图7(b)中，隧道中部钻孔区域的应力在施工阶段和原生土体之间的总水平应力还存在一定偏差。

3 隧道地表沉降

隧道施工期间，周围地面的移动会导致地表发生沉降。本文通过有限元法估算的地表沉降值见图8，图8显示了所有阶段的地表沉降值。第一阶段的地表沉降值最高为10 mm，位于隧道上方x=0处，且第一阶段地表沉降值远大于其他阶段地表沉降值。如果在全断面隧道掘进机(TBM)隧道的上部区域已经建造了部分基础，则隧道上方的结构中可能会出现不均匀沉降。而其他阶段的地表沉降值基本相同，这是因为除第一阶段外，其他阶段在隧道施工期间全断面隧道掘进机(TBM)的推进值均为1.5 m。

图8 隧道施工期间的地表沉降图

4 结 论

本文通过研究发现，土壤剖面类型、拟建结构类型、与TBM隧道的距离等因素将对隧道施工产生不同程度的影响。结合三维有限元分析结果，得出以下结论：

1) 靠近隧道周边第一部分时，第一阶段的应力变化和其他阶段的应力变化存在不同程度差异。

2) 靠近隧道周边第二部分、第三部分时，第一阶段的应力变化与其他阶段的应力变化基本相同。

3) 第一阶段的地表沉降值最高，其他阶段的地表沉降值基本相等。