灰岩与砂土复合地层盾构隧道施工开挖面稳定性分析

摘要 ： 采用理论分析和数值模拟相结合的方法，对灰岩-砂土复合地层地铁隧道盾构施工的开挖面在渗流作用下的稳定性进行分析，探讨了2种复合地层模式下不同埋深和渗流系数对隧道开挖面变形的影响。

   研究结果表明：①当地层上层为灰岩，下层为砂土时，隧道开挖面变形主要集中于砂土层，埋深和支护力比越大，开挖面的水平位移越小；埋深10、20和30m下对应的临界支护力比 λ 为0.4、0.3和0.1；不同渗透系数下，隧道开挖面均在支护力比 λ ≤0.3时出现变形突变，且随渗透系数增加，水平位移量也随之增加，并在开挖面下部3m左右出现最大水平位移。②当地层上层为砂土，下层为灰岩时，隧道开挖面变形也主要集中于砂土地层，埋深10、20和30m下对应的临界支护力比 λ 为0.4、0.3和0.2；不同渗透系数下，当支护力比 λ ≤0.2时，在开挖面中心上部1~2m出现最大水平位移。

   近些年来，我国的城市建设取得了非凡成就，城镇化建设的同时也带来了诸多问题，如交通拥挤、环境污染等。为了缓解地面交通压力，城市交通逐渐向地下空间挺进，地铁与轨道交通应运而生，北京、上海、南京、广州等38个城市相继兴起地铁工程建设。截至2019年，我国地铁运营总里程已突破5000km，见图1。

   盾构法施工是城市地下隧道的主要施工方法之一，但是由于地质情况复杂，开挖面的稳定性预测和控制是一项非常困难的工作。因此，开展不同地质条件下盾构隧道施工开挖面的稳定性研究对于地铁建设具有重要的现实意义。

    地铁隧道开挖，不仅对地表建筑物有扰动影响，也会对既有隧道产生干扰，如何合理安排施工成为地铁建设的重要课题。经多方研究表明，不同的地质条件下，盾构施工开挖面的破坏形式及受力状况是不同的，需要针对具体情况作相应的分析计算。地下岩层在渗流作用下其强度和稳定性会大大降低，对于盾构开挖面的稳定性影响也十分显著，工程实践表明渗流破坏是隧道建设的主要危害之一，对此，王闯、冯立坡等采用流固耦合方法对盾构隧道施工开挖面的稳定性进行了探讨分析，获得了一些有用的研究成果。

   含水复合地层的力学行为十分复杂，在渗流作用下对于开挖面的稳定性影响更加复杂，本文选择最常见的灰岩-砂土复合地层作为地铁隧道施工的对象，并考虑渗透水作用，对盾构隧道施工开挖面的稳定性进行数值模拟分析，以期为类似工程提供参考。

1. 工程概况

   某市 X  号地铁线处于冲洪积平原和丘陵山地地区，地铁区间线路主要采用盾构法施工，沿线地层均为复合地层，其中：K17+100~K20+710段主要为黏土-卵石-砂层；K20+710~k21+610段主要为灰岩-砂土层，局部地层有地下渗水；K21+610~K26+230段主要为黏土-卵石-细砂层，该段砂土层的主要特征为呈棕褐色，砂质不纯不均，含水率高，密度较大；灰岩的主要特征为风化程度较高，岩溶、节理发育明显，存在裂隙水，自稳性较差。故本文选取典型的砂土-灰岩复合地层进行开挖面稳定性分析。

2. 数值分析模型的建立

   利用FLAC3D数值分析软件进行建模分析，模型的长( x  方向)×宽( y  方向)×高( z 方向)=60m×50m×85m，采用六面体单元划分网格，模型共计包括52880个单元以及56040个节点，见图2。

   模型边界条件设置如下：模型表面为自由面且施加水压力，对隧道轴线施加 y 方向的水平约束，对 yz 对称面施加 x 方向的水平约束，在模型底部施加 z 方向的竖向约束；隧道衬砌边界设置为不透水的边界，开挖面边界则设置为透水型边界；计算中土体本构模型选取Morh-coulomb模型，衬砌选用线弹性模型。在分析时，调整灰岩层和砂土层的上下关系，即上硬下软地层为灰岩-砂土，下硬上软地层为砂土-灰岩，盾构直径为10m，砂土、灰岩以及管片的材料设置参数见表1。

3. 结果分析

3.1 灰岩-砂土复合地层分析

   取隧道埋深分别为10、20和30m进行分析，得到了不同支护力比 λ （ λ 为盾构隧道开挖面的支护力与盾构隧道开挖前总侧压力之比）下开挖面 水平位移的变化情况，见图3。其中，竖向直径为隧道开挖直径，以中心为圆点，向上半径为正，向下半径为负。从图3可以看出，上硬-下软复合地层隧道开挖面变形主要集中于砂土地层；同等埋深下，支护力比越大，开挖面的水平位移越小；在相同支护力比情况下，埋深越大，开挖面的水平位移值越小；当埋深为10m，支护力大于等于0.5时，其水平位移较小，可忽略不计，但当支护力比小于等于0.4时，水平位移值急剧增加，且最大变形位置处于?4m（开挖面下方3m）处；当埋深为20m，支护力比大于等于0.4时，其水平位移较小，但当支护力比小于等于0.3时，水平位移值急剧增加，且最大变形位置处于?3m处；当埋深为30m，支护应力大于等于0.2时，其水平位移较小，但当支护力比小于等于0.1时，水平位移值急剧增加，且最大变形位置处于?3m处。

   对开挖面极限支护力进行统计，结果如表2所示。从表2可以看出，随着隧道埋深比的不断增加，隧道开挖面的极限支护力逐渐降低，基本呈线性减小，破坏位置有向上变化的趋势，但不明显。

   在渗流作用下，不同渗透系数 k  时开挖面的水平位移见图4。从图4可以看出，不同渗透系数下，极限支护力比均为0.3，且破坏位置均位于开挖面下方约3m处；当渗透系数小于等于1e-6m/s时，在极限支护力比下，最大位移量仅为615mm；当渗透系数大于1e-6m/s时，极限支护力比的最大水平位移量为1250mm左右。

3.2 砂土-灰岩复合地层分析

   同理，仍然取隧道埋深分别为10、20和30m进行分析，得到了不同支护力比λ下开挖面水平位移的变化情况，见图5。从图5可以看出，当隧道处于上软下硬复合地层时，隧道开挖面的主要变形仍然集中于砂土地层，但是灰岩层的变形较上硬下软地层时大；同等埋深下，支护力比越 大，变形越小；相同支护力比下，埋深越大，变形量越小；埋深为10、20和30m时，隧道开挖面水平位移发生突变的极限支护力比分别为0.4、0.3和0.2，对应的破坏位置分别为开挖面以上1m、中心线上以及开挖面以上1m。

   对开挖面极限支护力进行统计，结果如表3所示。从表3可以看出，随着埋深比的不断增加，隧道开挖面的极限支护力逐渐降低，也基本呈线性减小，破坏位置位于开挖面上方0~1m，但规律不是特别明显。

   经分析得到的不同渗透系数下开挖面的水平位移情况见图6。由图6可知，不同渗透系数下，开挖面的最大水平位移位于开挖面中心上部约1-2m处；渗透系数越大，隧道开挖面水平位移量越大；当渗透系数小于等于1e-6m/s时，其水平位移量变化不大；当渗透系数大于1e-6m/s时，水平位移快速增加；当渗透系数为1e-4m/s时，最大水平位移量达2310 mm，约为k=1e-6m/s时的2倍。

4. 盾构施工开挖面稳定控制措施

   城市轨道交通一般埋深较浅，地层变化较快，围岩自稳性较差，在地下水渗流作用下，更易发生局部不稳定现象（如流土流砂），从而造成开挖面坍塌事故。根据多年工程经验并结合前人研究成果，笔者认为应从以下几个方面进行控制：

   1）采用最新的TRT技术（地震波反射追踪技术）进行超前地质预报，准确掌握复合地层、不良地层的性质、位置和规模等信息；

   2）采取一定措施，对溶洞、软土层等进行超前地质加固；

   3）盾构刀盘尽量选择复合刀盘，并配置全盘滚刀，定期进行检测，以保证可以顺利通过软硬岩地层；

   4）对土仓压力和出土量进行严格控制；

   5）对渣土进行改良，将泡沫注入方式由管路混合改为混合箱混合；

   6）采取管片双液注浆法；

   7）对地表沉降、周围建筑物、围岩情况等进行实时监测，并根据监测结果及时调整施工参数。

5. 结论 

   1）当为上硬下软地层时，盾构开挖面的变形主要集中于砂土层，破坏位置在开挖面以下3~4m；当为上软下硬地层时，破坏位置位于开挖面 中心以上0~2m。

   2）相同埋深下，支护力比越大，隧道开挖面水平位移越小；相同支护力比下，埋深越大，隧道开挖面水平位移量越小；上硬下软地层不同埋同埋深下对应的极限支护力比为0.4、0.3和0.1，上软下硬地层时为0.4、0.3和0.2。

   3）随着渗透系数的增加，隧道开挖面的变形量逐渐增大，2种复合地层对应的临界渗透系数均为1e-6m/s，若渗透系数大于此值后，隧道开挖面变形量显著增加。