海底盾構隧道施工開倉換刀開挖面穩定性分析

王 凱

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著我國經濟社會的進步和盾構技術的發展，盾構隧道因其巨大的優勢逐漸成為地下工程穿越復雜環境的首選形式。但受地層地質因素的限制，盾構掘進過程中不可避免的會伴隨刀盤刀具的磨損及更換等問題，而開倉換刀階段開挖面的穩定性將直接影響施工的安全和效率。

針對不同地質條件下盾構隧道開挖面的穩定性問題，眾多學者開展了一系列研究。呂璽琳等[1]通過開展離心模型試驗，對干粉砂及飽和粉砂中盾構隧道開挖面的失穩破壞特性和極限支護壓力進行了研究，并分析了土體強度參數、隧道埋深及滲流對極限支護壓力的影響規律；孟憲彪[2]從防止開挖面涌水、保持開挖面穩定、土倉加壓試驗等方面對軟硬不均地層盾構機開倉換刀狀態下開挖面穩定控制技術進行了研究；王國富等[3]基于筒倉理論，推導了突變地質界面下盾構隧道開挖面的極限支護壓力，并分析了開挖面極限支護壓力隨界面距離的變化規律；趙峻[4]對泥水氣壓平衡式盾構在含礫中粗砂層和粉細砂地層中開挖面失穩的兩種現象及處理技術進行了研究。通過大量研究成果的調研可知，盾構隧道開挖面的失穩問題普遍存在于各種地質條件下，對隧道的施工安全和效率有極大的影響[5-9]。

廈門軌道交通2號線跨海區間隧道是我國首條過海地鐵盾構隧道，線路穿越地層地質條件復雜多樣，水壓力較高，盾構隧道在施工開倉換刀階段極易出現開挖面失穩問題。因此，本文依托廈門軌道交通2號線跨海區間盾構隧道工程，通過數值模擬方法，研究評價不同地層中盾構開倉換刀階段開挖面的穩定性，并對潛在的開挖面穩定風險問題進行分析，總結泥水平衡盾構開倉換刀階段維持開挖面穩定性的工程措施。

1 工程概況

廈門軌道交通2號線一期工程海滄大道站—東渡路站區間跨海隧道分為盾構段、礦山段兩部分，其中盾構段全長約2.3 km，左、右線分別采用1臺復合式泥水平衡盾構施工。不同于穿越江、河、湖等水底隧道工程相對均勻的地層地質條件，廈門軌道交通2號線跨海盾構隧道主要穿越淤泥、中、粗砂、粉質黏土、殘積土、全強風化巖層、碎裂狀強風化巖層、中等風化變質巖層、微風化變質巖層等地層，穿越地層從流塑狀淤泥至堅硬微風化石英砂巖，巖層多樣，地質情況復雜多變，堪稱“地質博物館”。

該區間內大量斷面存在上軟下硬問題，部分區段存在孤石，盾構在施工掘進中刀盤刀具磨損嚴重，需要多次進行停機換刀作業。但由于地質條件復雜、埋深較大、水土壓力高，且施工中無法準確規劃停機換刀位置，在海底換刀時容易發生涌水、涌砂、掌子面塌方等安全問題。因此，本文針對廈門軌道交通2號線跨海段穿越的地層情況，選取4種具有典型代表性的地層斷面(圖1)，對在該斷面進行開倉換刀過程中開挖面的穩定性進行分析。4個斷面地層情況如圖2所示。

圖1 線路縱斷面示意

圖2 計算斷面地層地質條件示意

2 數值分析模型

2.1 數值模型

針對盾構停機換刀階段開挖面的穩定性問題，本文利用FLAC3D軟件建立三維有限差分模型進行研究。根據設計資料，本區段盾構隧道襯砌采用標準C50鋼筋混凝土預制管片，管片內徑6.0 m，外徑6.7 m，厚度0.35 m，幅寬1.2 m?？紤]邊界效應對計算結果的影響，模型總體尺寸為90 m(X軸)×60 m(Y軸)×(38.35 m+h)(Z軸)，h為隧道斷面埋深。建立的計算模型(計算斷面1)如圖3所示。

圖3 計算模型示意(計算斷面1)

模型中假定隧道圍巖、襯砌、注漿圈均為均質、連續、各向同性的多孔介質，滿足等效連續介質模型；其中巖土體為理想彈塑性模型，遵循Mohr-Coulomb屈服準則；管片為C50鋼筋混凝土材料，采用彈性本構模型。根據廈門軌道交通2號線跨海盾構隧道區間地質勘查資料和工程設計資料，得到模型中涉及的地層及相關材料的物理力學參數如表1所示。

2.2 計算工況設定

由于本文關注盾構停機換刀階段的開挖面的穩定性，因此在計算模型中設定隧道軸向的中間開挖斷面為目標面，主要分析盾構停機換刀階段目標面的施工行為。數值模型的施工開挖循環模擬過程如圖4所示，共設置3個開挖步；其中第一步在目標面前開挖30 m(25環)，第三步在目標面后開挖28.8 m(24環)，第二步在目標斷面處開挖1.2 m(1環)，每個開挖步內模擬盾構開挖、拼裝盾構管片、壁后填充層注漿過程。同時，以梯形荷載模擬作用在開挖面上的泥水壓力。

在盾構停機換刀階段，開挖面所受到的泥水壓力大小是影響開挖面穩定性的關鍵因素。對于泥水壓力因素的考慮，本文以如圖4中所示的作用在開挖面上的梯形荷載來模擬，并定義支護應力比λ(式1)來對開挖面泥水壓力進行調整。

(1)

上式中：σs為泥水艙隔板中心點處的泥水壓力值，σ0為原始地層在開挖面中心點的靜止水平土壓力值。針對不同

表1 計算斷面1地層地質力學參數

圖4 盾構隧道開挖模擬示意

的地層條件及性質參數，通過計算得到斷面中心位置處的豎向自重應力和側向應力得到σ0值。

計算時針對不同的地層條件分析不同支護壓力比(系數)下的盾構隧道開挖面穩定性；根據施加盾構隧道的施工過程，各個斷面計算中采取的支護壓力比(系數)分別為0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0.05共計10個計算工況，對每個計算工況下的目標面的開挖穩定性進行研究比較分析。

3 計算結果分析

不同計算斷面中開挖面拱頂下沉量與最大縱向位移隨開挖面支護壓力比的變化曲線如圖5所示。由圖可知，在不同斷面地質條件下，隨著開挖面支護壓力的減小，開挖面上的豎向位移和縱向(y向)位移逐漸增大，且增長趨勢呈現出非線性；這是由于隨著支護力減小，開挖面出現塑性區，位移發展不段增大。從開挖面拱頂位移及最大縱向位移對比可以看出，開挖面在支護力減小時主要以向盾構機方向凸出為主。

圖5 開挖面變形隨支護壓力變化曲線

同時由四種地層中開挖面變形對比結果可以看出：

(1)在不同斷面地質條件下，隨著開挖面支護壓力的減小，開挖面上的豎向位移和縱向(y向)位移逐漸增大，且增長趨勢呈現出非線性。在多個計算工況中，開挖面的最大豎向位移發生在拱頂位置處，開挖面的縱向最大位移發生在隧道開挖面的中心位置處。

(2)在不同斷面地質條件下，隨著開挖面支護壓力的減小，開挖面的塑性區逐漸發展；其中在支護壓力較大的情況下，開挖面塑性區分布在隧道洞周，在支護壓力較小的情況下，開挖面塑性區范圍較大；針對不同的地層條件，隧道開挖過程中，開挖面的塑性區有一定的差異。

(3)在選取的四個地質斷面條件中，斷面3位置中隧道穿越區地層多為中砂層，圍巖穩定性差，在較小支護壓力小開挖面的變形較大，穩定性極差。

4 結論

本文針對廈門軌道交通2號線跨海段穿越復雜多樣的地質條件，選取四種典型地層條件，對開倉換刀時開挖面穩定性進行數值模擬分析，通過對不同開挖面支護壓力下開挖面位移的分析，可以發現在中砂層中開挖面面臨失穩問題，過小的支護壓力導致開挖面位移急劇增大，從而導致失穩，而在風化巖層中開挖面具有一定的自穩能力，即使在極小支護力的情況下，開挖面位移也較小，不會發生失穩問題。據此給出以下建議：

(1) 針對砂層中進行開倉換刀時，首先應在開挖面生成良好的泥膜，同時保證開倉時開挖面受到足夠的氣壓支護，通過泥膜傳遞氣壓作用在開挖面上，保證開挖面的穩定性。

(2)針對風化巖層中進行開倉換刀，雖然地層具有良好的自穩能力，但考慮到風化巖層裂隙發育，同樣需要在開倉前在開挖面形成泥膜，防止地下水透過開挖面，進而引起開挖面的破壞。