1、-38-齐晓明，朱家毅，罗百胜，吴燕开，李树光：TBM穿越滨海硬岩不同倾角破碎带技术TBM 穿越滨海硬岩不同倾角破碎带技术齐晓明1，朱家毅2，罗百胜1，吴燕开2，李树光1（1.中铁三局集团第四工程有限公司，北京 102300；2.山东科技大学，山东 青岛 266590）摘要：采用数值模拟软件 ABAQUS 建立掘进场区的仿真 TBM 施工分析模型，通过对比 TBM 穿越不同工况破碎带时的地表沉降以及隧道左右线施工竖向位移数据，发现地表沉降受控于地层硬度以及地面荷载；隧道左右线呈现出不同的沉降形态，且沉降量主要集中于右线隧道；TBM 通过的破碎带倾角越大，隧道拱顶的沉降就越来越大。关键词：TBM
2、；拱顶沉降；数值模拟；破碎带；地表沉降中图分类号：U231.1 文献标识码：B Technology of TBM crossing coastal hard rock fracture zones with different inclinationsQI Xiaoming 1,ZHU Jiayi 2,LUO Baisheng 1,WU Yankai 2,LI Shuguang 1（1.The Fourth Engineering Co.,Ltd.,of China Railway Third Bureau Group,Beijing 102300 China;2.Shandong Univ
3、ersity of Science and Technology,Shandong Qingdao 266590 China）Abstract:The numerical simulation software ABAQUS is used to establish several fine simulation TBM construction analysis models in the excavation site area.By comparing the surface settlement of the TBM through the broken zone under diff
4、erent working conditions and the vertical displacement data of the tunnel construction on the left and right lines,it is found that the surface settlement is controlled by formation hardness and ground load.The left and right lines of the tunnel show different settlement patterns,and the settlement
5、is mainly concentrated in the right line tunnel.The greater the inclination of the broken zone through which the TBM passes,the greater the settlement of the tunnel vault.Key words:TBM;vault settlement;numerical simulation;broken zone;surface settlement引言在地铁工程施工中，运用全断面隧道掘进机TBM 是一种有效方法，尤其适用于以岩石地层为主的城
6、市地铁工程，TBM 可发挥很大作用。但是由于 TBM 能较快在岩土体中开挖形成大的临空面，因此TBM 施工会引发一定的地表沉降。当 TBM 进入岩石破碎带区段时，岩石节理受到扰动，在掘进过程中，可能会使地表沉降和拱顶沉降加大，导致 TBM 卡机，耗费大量的人力物力。目前，国内外诸多学者通过研究大量工程实践，总结了几种 TBM 在破碎带中掘进的技术手段，但对通过不同节理类型的破碎带施工特点的总结过少。1 工程概况青岛市地铁 2 号线轮渡站泰山路站区间，线路长度约 3.9 km，线路穿越地区的地貌类型主要包括剥蚀斜坡（残丘）、剥蚀堆积、侵蚀堆积及滨海岸滩。三站三区间，在轮渡站小里程端设站前折返线。
7、线路起于市南区的轮渡站，终止于市北区的泰山路站，主要沿着四川路、莘县路、新冠高架路西侧向北进行铺设，在金茂湾购物中心东侧设轮渡站，在惠民路路口南侧广场设小港站；出小港站后向西下穿地块拐入邮轮港启动区，在规划港兴路设国际邮轮港站，然后线路向东下穿新冠高架、胶济铁路接入在建泰山路站。在施工过程中能够影响 TBM 掘进比较大的断裂为沧口断裂的派生断裂。该断裂构造对地铁 2 号线的影响主要表现于岩体节理裂隙发育，砂土状和块状碎裂岩等构造岩发育，构造裂隙水发育，形成相对不均匀的岩石地基，对施工产生很大影响。场区内分布有 5 条构造破碎带，编号为 F3、F4、F5、基金项目：中铁三局集团有限公司科研项目，
8、项目编号：K20-重大-01。收稿日期：2022-04-16作者简介：齐晓明（1983），男，内蒙古包头人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为隧道建设应用。2022 年第 6 期山东交通科技-39-F6 及 F7。构造带的走向以 NE 向为主构造带倾角约4590。推测构造破碎带影响带宽1570 m左右。构造破碎带对区间洞室的影响主要表现在岩体破碎，掌子面及竖井侧壁形成多组不利结构面，施工时可能存在掉块及小范围坍塌的现像。且构造破碎带及节理发育带地段地下水相对较丰富，岩体破碎，渗透系数变大，洞身通过该段时可能会发生渗水或涌水现象。选取其中一条破碎带的不同工况进行研究，破碎带的实际工况见表 1。表
9、 1 破碎带工况破碎带倾角/（）隧道平均深度/m宽度/mF3-1453325F3-2603325F3-3903325在场区的土层分布由上到下分别为素填土、杂填土、粗砂、淤泥质粉细砂、淤泥质粉质黏土、粗砾砂、强风化粗粒花岗岩、中等风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩。2 有限元模拟为了研究 TBM 通过不同工况破碎带时的地表沉降与隧道左右线拱顶沉降。模拟 TBM 通过不同节理角度的仿真模型，总结规律。根据青岛地铁 2 号线实地工程的构造带走向以 NE 向为主构造带倾角约 45 90。因此建立 3 个破碎带倾角分别为45、60、90的模型。三个模型的计算参数见表2。表 2 数值模型计算参数名称密度/（
10、gcm-3）弹性模量/MPa泊松比摩擦角/（）黏聚力/kPa素填土1.808.50.401210粗砂层1.90200.20384强风化上亚带2.501500.1843500中风化花岗岩2.6350000.17554 200微风化花岗岩2.65100000.15657 500管片 c502.505000.2010-2.1 模型一：破碎带 45模型模型一的几何尺寸 70 m70 m81 m。模型网格采用 8 节点 6 面体单元，共计划分 247 288 个单元，263 536 个节点。整个土体模型采用摩尔库伦模型，破碎带的倾角为 45，土层分布由上到下分别为素填土、杂填土、粗砂、粗砾砂、强风化粗粒
11、花岗岩、中等风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩。2.2 模型二：破碎带 60模型模型二的几何尺寸为 70 m70 m80 m。模型网格采用 6 面体结构单元，共计划分 226 482 个单元，242 368 个节点。整个土体模型采用摩尔库伦模型，破碎带的倾角为 60，土层分布由上到下分别为素填土、杂填土、粗砂、粗砾砂、强风化粗粒花岗岩、中等风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩。2.3 模型三：破碎带 90模型模型三的几何尺寸为 70 m70 m80 m。模型网格采用 6 面体结构单元，共计划分 236 458 个单元，255 438 个节点。整个土体模型采用摩尔库伦模型，破碎带的倾角为 90，土层分
12、布由上到下分别为素填土、杂填土、粗砂、粗砾砂、强风化粗粒花岗岩、中等风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩，所有模型工况见图 1。（c）90破碎带模型（b）60破碎带模型（a）45破碎带模型图 1 不同工况模型所有模型上表面为地表，将上方构筑物等简化为均布荷载施加在上表面，大小为 20 kPa，左右及前后表面受水平方向位移约束，下表面采用固定约束。隧道开挖采用生死单元法，隧道模型左线先行开挖，左线开挖并衬砌完成后右线开挖，开挖步每步开挖 3 m，根据 TBM 设计图纸，衬砌在隧道开挖3 个开挖步后激活，衬砌模型见图 2。图 2 衬砌模型三个模型的衬砌都是一样的，采用的都是三维实体的结构，在其上采用
13、6 面体结构单元，共计划分了 8 423 个单元，9 564 个节点。3 计算结果3.1 地表沉降三个模型之中，隧道的中心距离地表埋深 35 m,齐晓明，朱家毅，罗百胜，吴燕开，李树光：TBM 穿越滨海硬岩不同倾角破碎带技术-40-虽然破碎带的角度不同，但是都存在于沿着开挖方向 35 m 处。从三个模型的计算结果来看，在左右线隧道全部开挖完之后的地表沉降最大发生在两隧道开挖到破碎带附近。当破碎带节理角度为 30，在隧道全部开挖完之后的地表最大沉降为 6.22 mm，当破碎带节理角度为 45时，在隧道全部开挖完之后的地表最大沉降为 7.52 mm，当破碎带节理角度为 60时，在隧道全部开挖完之后
14、的地表沉降为 10.53 mm。3.2 拱顶沉降当 TBM 的左右线开挖加衬砌进行支护之后，施工断面附件的围岩由于开挖面限制，无法完全释放位移，围岩的应变会随着开挖方向发展，这种现象成为“空间效应”，孙钧等10-12用位移释放率分析此效应。=Ur（Zi）/Ur（）（1）式中：Ur（Zi）距离监测面远时，隧道拱顶的径向变形量，mm；Ur（）距离监测面足够远时，隧道拱顶的径向变形量，mm。为研究三个模型所得掌子面拱顶沉降以及空间效应，因为 TBM 埋深较浅，在硬岩中穿越沉降较小，因此取将要进入破碎带时 Y=24 m 的纵断面为监测断面，L 为 1 倍的开挖洞径，将三个模型左右线开挖时拱顶沉降随推进
15、的变化关系记录，见表 3 和表 4，三个模型拱顶沉降以及随着开挖围岩的变形释放系数变化规律见图 5 和图 6。表 3 TBM 左线拱顶沉降随推进变化关系距离/m45破碎带拱顶沉降/mm60破碎带拱顶沉降/mm90破碎带拱顶沉降/mm45变形释放系数/%60变形释放系数/%90变形释放系数/%0 L0.421.601.802.709.5010.101 L1.702.322.6311.0013.8014.802 L15.2014.20 11.9098.7084.5067.203 L15.3015.2015.6099.3090.4088.104 L15.4016.8016.50100.00100.0
16、096.005 L15.4016.8017.00100.00100.00100.00从图 3 可以看出，所有模型的开挖面拱顶的沉降随着 TBM 机头刚进入破碎带时开始发生明显的变化。随着 TBM 穿越的破碎带角度增加，隧道拱顶沉降值迅速增加，但变形释放系数随着角度的增加而减小，所以在刚进入破碎带时，穿越角度越小的破碎带时，拱顶沉降的变化幅度越大，越容易导致 TBM 卡盾。当 TBM 完全进入破碎带时，随着穿越的破碎带角度增加，最大拱顶沉降值随着开挖的深入而增加。其中 45模型的左线拱顶最大沉降值 15.4 mm，60模型的右线拱顶最大沉降值为 16.8 mm，90模型的右线拱顶最大沉降值为 17 mm。随着TBM 开始穿出和远离破碎带后，拱顶沉降变化基本趋于稳定，洞顶最大处也基本上不产生变形了。（b）变形释放系数（a）拱顶沉降图 3 破碎带左线围岩变化规律表 4 TBM 右线拱顶沉降随推进变化关系距离/m45破碎带拱顶沉降/mm60破碎带拱顶沉降/mm90破碎带拱顶沉降/mm45变形释放系数/%60变形释放系数/%90变形释放系数/%0 L0.851.702.005.209.9011.
