盾构穿越破碎带区域隧道变形特征研究.docxVIP

软弱破碎带夹层是地下工程中常见的一种复杂地质条件，具有地层结构复杂、抗压强度较低、易发生变形和塌陷等特点。对于穿越软弱破碎带夹层的隧道建设来说，地质风险和技术难度都非常高，给盾构技术的性能和稳定性提出了更高的要求。因此，针对软弱破碎带夹层隧道建设的技术研究一直是地下工程领域的一个热点问题。随着盾构技术的不断发展和进步，越来越多的破碎带区域隧道项目采用盾构技术实施。因此，对于盾构穿越软弱破碎带夹层隧道的技术研究和探索变得尤为重要。

以青岛某隧道为例，通过数值模拟分析了盾构隧道下穿破碎带区域隧道的变形情况，并采用超前支护作为隧道变形的控制手段，分析了隧道拱顶沉降、拱底隆起、掌子面挤出变形及塑性区分布情况。

1?工程概况

海川路站–海安路站区间是地铁隧道的一段，使用TBM机器进行施工。右线全长为978.843?m，起点里程为YSK36+421.820，终点里程为YSK37+400.663。左线全长为974.236?m，起点里程为ZSK36+421.820，终点里程为ZSK37+402.163，其中包括一个短链段，长度为6.107?m。隧道轨面埋深在18~27?m，使用复合式衬砌支护，为单洞单线分离式隧道，线间距为13.5?m，在YSK36+959处设有1处联络横通道。TBM机器从海安路站开始启动，向海川路站掘进，然后继续向徐家麦岛站掘进，本区间内没有TBM的吊出井。

2?数值模拟分析

2.1?有限元模型建立

采用有限元软件midasGTS分析盾构隧道下穿破碎带，该模型尺寸为32?m×15?m×40.5?m（长×宽×高），其中破碎带区域（破碎带）位于风化岩之间，计算模型如图1所示。

图1?有限元模型示意

隧道采用盾构法施工，隧道拱底距地表为16?m，隧道外径和内径分别为6.2?m和5.5?m。模型的顶部为自由面，底部施加z方向的约束，左右两侧面和前后面分别施加x方向和y方向的约束，满足约束条件的限制。

模型中土体和注浆加固区采用实体单元，符合摩尔–库伦屈服准则，盾壳和注浆层采用同一实体，通过改变属性可以相互转换，管片采用板单元模拟，符合线弹性模型。

2.2?模型参数

根据地质勘探结构显示，隧道主要位于风化岩地区。因此，为简化模型采用单一土体模拟，各物理力学参数，见表1。

表1?材料物理力学参数

2.3?施工过程

（1）对开挖断面施加掘进力80?kPa，开挖进尺为管片宽度2.5?m，开挖完成后需要改变注浆层属性为盾壳属性以模拟盾构机进入隧道。

（2）盾构机继续开挖，直到完全进入地层（盾构机长度为7.5?m）。

（3）盾构向前推进一个管片单位，将第一环的盾壳改为注浆属性，激活管片单元，完成衬砌支护。同时，为反应注浆体的冷凝过程，在延后3次盾构推进后，将其改变为稳定注浆。

（4）重复以上步骤直到施工完成，如图2所示。

图2?盾构法施工过程示意

3?计算结果及分析

3.1?模型验证

选取隧道正上方地表作为监测对象，施工结束后提取地表最终沉降值，如图3所示。开挖完成后，位于隧道洞口处的地表沉降较小，监测值最小为4.09?mm，模拟值最小为4.2?mm，位移出口处的地表沉降较大，监测值最大为5.1?mm，模拟值最大值为5.2?mm，在破碎带区域处地表沉降突增，监测值由4.13?mm增加到4.9?mm，增加约0.77?mm，模拟值由4.33?mm增加到5.03?mm，增加约0.7?mm。监测值和模拟值的差值较小，变形趋势基本相似，在破碎带区域处的增大值较为接近，模拟值和监测值的吻合程度较高，验证了模型的可行性。

图3?地表沉降对此分析

3.2?位移分析

选取风化岩和破碎带区域交界处的隧道断面作为监测断面，分析该断面处隧道拱顶沉降和拱底隆起的变化以及对该断面处掌子面的挤出情况进行分析，对比未支护和支护后的隧道位移。由模型结果知，在隧道开挖过程中，隧道水平方向的变形较小，因此，对隧道水平方向位移的变化不再分析。

3.2.1?拱顶沉降分析

随着隧道开挖，拱顶沉降也随之增大，可分为3个变形阶段：稳定阶段、突变阶段和加剧阶段。稳定阶段主要是从开始施工至开挖到监测断面处（风化岩和破碎带区域交界处），在这一阶段隧道拱顶沉降较少，隧道结构较为稳定，采用超前支护下的隧道拱顶沉降比未采用支护的拱顶沉降约减少了0.02?mm。因此，再这一阶段隧道开挖可不采用超前支护，减少施工步骤。当隧道开挖至监测断面时（突变阶段），拱顶沉降突然增大，增大值为1.8?mm。这是因为开挖至破碎带区域时，由于土体参数的变化和破碎带区域的不稳定，使得隧道拱顶周围围岩的发生了较大的扰动而导致的沉降。当开挖继续时，由于在破碎带区域处开挖完后没有及时支护以及破碎带区域的力学性质较差和后续开挖土体的影响，此时变形进入加剧阶段，监测断面处的拱顶沉降逐渐增加。在这一阶段拱顶沉降较大，最大值为8.8?mm