TBM穿越中风化花岗岩最小覆岩厚度研究.pdf

总第 期交通科技 第期 收稿日期：第一作者：刘邦（），男，高级工程师。穿越中风化花岗岩最小覆岩厚度研究刘邦（中国水利水电第八工程局有限公司长沙 ）摘要文中基于 对全断面隧道挖掘机穿越中风化花岗岩的最小覆岩厚度进行研究，通过个不同地质断面条件和改变覆岩层厚度分析隧道与地表位移特征。结果表明，在隧道与地表横向地层竖向位移特征中，拱顶同高度处横向地层竖向位移表现为覆岩层厚度越大，最大沉降值越小，隧底同高度处横向地层竖向位移与覆岩层无关，横向地表竖向位移表现为覆岩层厚度越大，最大沉降值越小，最大沉降值出现在左、右线隧道中间；在隧道与地表纵向竖向位移特征中，覆岩层上部土层厚度越大，隧道拱顶沉降越大，隧底隆起值越大，地表沉降值越大；覆岩层越厚，隧道拱顶沉降越小，隧底隆起值越大，地表沉降值越小。文中在个不同地质断面条件下在覆岩层厚度取值为 犇、犇、犇、犇（犇为隧道外径）时位移特征均满足规范要求，因此 穿越中风化花岗岩最小覆岩厚度可取 犇。关键词下穿中风化岩层最小覆岩厚度位移特征中图分类号 随着经济发展，盾构隧道在城市交通工程建设中越来越常见。其中当盾构隧道覆盖层厚度较小时，由于成拱效应的降低，可能引发塌方和涌水事故；覆盖层厚度较大则会加大隧道长度，增加工期和造价，而全断面隧道掘进机（，）掘进过程中，围岩应处于 级围岩中，因此对 隧道的最小覆岩厚度开展研究很有意义。目前学者主要对盾构隧道最小覆盖层厚度进行了研究。郭彩霞等针对水下隧道长期赋存于富水环境中，围岩的力学性质较差，地层成拱能力降低的特点，综合考虑水、土、注浆浆液的动态影响，通过对颗粒流数值模拟结果进行分析，给出了水下盾构隧道合理覆土厚度和最小覆土厚度临界值的判定依据和条件；等基于尖点突变理论，研究了不同软土厚度和开挖跨度下的最小覆盖厚度；李云鹏等通过简化计算法、改进计算方法和修正考虑注浆力计算法研究了覆土厚度的取值范围，表明了改进计算方法和修正考虑注浆力计算法较为合理；李金等依托位于孟加拉湾入海口的某大直径盾构隧道，根据经验及分析确定糙率、流量等参数，通过数值模拟并基于多种规范要求得到了满足抗浮要求的最小覆土厚度；程长清等针对传统的最小覆盖层厚度算法的不足，提出基于采用弹塑性力学方法的优化算法，该优化算法综合考虑了黏聚力、内摩擦角、地质强度指标、施工扰动等因素的影响，得到了更加符合实际情况的最小覆盖层厚度；杨自友等通过综合考虑中间主应力系数狀、渗流体积力狆及剪胀系数等的影响，采用统一强度理论和犇 犘准则，根据应力、位移连续性条件，计算得到了最小覆盖层厚度犺；陈小羊等以土体压缩基本概念，通过假定盾构推进过程中进入土舱的土体全部来自于盾构机上方影响范围内的土体且将土舱全部填满，理论计算得出了盾构上覆土层最小厚度的计算公式。以上学者通过工程对比、理论计算和数值模拟已经得到了许多计算最小覆盖层厚度的方法，但是以上研究中很少涉及最小覆岩层厚度，为了研究盾构穿越中风化岩层的最小覆盖岩层厚度，本文以期利用数值模拟通过调整隧道埋深得出最小覆岩厚度。工程背景穗莞深城际机场至前海段西乡站宝安站区间，左线线路长 ，右线线路长 ，区间隧道净距 ，原计划投入台 复合土压平衡盾构施工，自宝安站始发，于西乡站接收。本文选取 穿越地层的个断面进行研究，穿越地层的地质剖面图见图。图地质剖面图隧道管片外径、内径、厚 、环宽。隧道顶部埋深 ，由上至下地质为杂填土淤泥质黏土中粗砂全风化花岗岩强风化花岗岩（碎块状）中风化花岗岩微风化花岗岩，隧道主要穿越地质为全风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。由于实际工程工期不足，为了加快进度，现拟调整为 双模盾构，采用 模式掘进全断面硬岩地层，预计全断面硬岩地层综合掘进指标将由 月提高至 月，可显著节省全断面硬岩的掘进工期。隧道采用双模盾构 模式掘进时，遇上尺寸较小的块状强风化 凹槽，为节约工期及成本，不进行模式转换，而是采取先注浆加固使其具备自稳能力再通过。为了确定在 模式下穿越中风化花岗岩的稳定性，本文通过调整隧道埋深对 穿越中风化花岗岩的最小覆岩厚度进行研究。数值模拟本文采用 建立三维有限元模型进行数值模拟。模型以隧道掘进方向为犡轴，垂直掘进方向为犢轴，竖向为犣轴建立计算坐标系。为充分考虑边界效应，确定犡向取，犢向取 ，犣向取，总体模型图见图。图总体模型图下文将通过调整隧道埋深以确定最小覆岩层厚度，将中风化花岗岩视为硬岩，其他岩土层均视为土层，图中岩面线为中风化花岗岩与其他岩土层的分界线。岩土体采用摩尔库仑模型，根据现场勘探数据，个地层断面属性见表，分别按照个不同断面的实际地层进行数值建模，同时地层分别按照表的实际数据分层赋予参数。表断面岩土物理力学参数表断面土层名称层厚重度（）变形模量 泊松比黏聚力 内摩擦角（）杂填土 中粗砂 砂质黏性土 全风化花岗岩 中风化花岗岩 杂填土 粉质黏土 中粗砂 砂质黏性土 全风化花岗岩 中风化花岗岩 杂填土 中粗砂 砂质黏性土 全风化花岗岩 强风化花岗岩 中风化花岗岩 杂填土 粉质黏土 砂质黏性土 全风化花岗岩 强风化花岗岩 中风化花岗岩 刘邦：穿越中风化花岗岩最小覆岩厚度研究 年第期结果分析 不同埋深下隧道拱顶位移特征图为断面断面左线隧道拱顶竖向位移图，由于右线隧道的先行开挖，导致围岩松动，会加大左线隧道的竖向位移，所以本文只分析左线隧道特征位移，图中曲线分别对应不同覆岩层厚度工况。图左线隧道拱顶竖向位移图图）为土体厚度为 下，覆岩层厚度为（犇 犇，犇为隧道外径）时左线拱顶竖向位移情况，拱顶最大沉降从 减小为 ；图 ）分别为土体厚度为 ，、覆岩层厚度为（犇 犇）时左线拱顶竖向位移情况，由图可见，覆岩厚度为 犇时拱顶最大沉降分别为 ，覆岩厚度为 犇时拱顶最大沉降为 ，。图为土体覆盖层厚度 下，隧道横断面拱顶同高度处地层竖向位移图。图断面处左、右线隧道拱顶同高度处横向地层竖向位移图由图可知，在隧道距岩面线 （犇）时左线隧道拱顶最大沉降为 。同时还发现土层厚度越大，拱顶沉降越大，覆岩层越厚，拱顶沉降越小，但以上个断面下覆岩层厚度 犇 犇时，拱顶最大沉降均小于 城市轨道交通工程监测技术规范要求的，因此最小覆岩厚度可取（犇）。不同埋深下隧道隧底位移特征图为断面断面不同覆岩层厚度下，左线隧道底部竖向位移图，图中曲线分别对应不同下覆岩层厚度，分别为土体厚度 ，下、覆岩层厚度取 （犇 犇）时左线隧道底部竖向位移情况。年第期刘邦：穿越中风化花岗岩最小覆岩厚度研究图左线隧道底部竖向位移图由图可见，覆岩厚度为（犇）时，隧底最大隆起值分别为 ，覆岩厚度为（犇）时，隧底最大隆起值分别为 ，。图为土体覆盖层 下，隧道横断面隧底同高度处地层竖向位移图。图断面处左右线隧道隧底同高度处横向地层竖向位移图由图可 见，在 隧 道 距 岩 面 线 （犇）时左线隧道隧底最大隆起为 。从图）及图可见，土层覆盖厚度越大，隧底隆起值越大，覆岩层厚度越厚，隧道隆起越大，但以上个断面下，覆岩层厚度为 犇 犇时，隧底最大隆起均小于规范要求的，因此最小覆岩厚度可取（犇）。不同埋深下左、右线中间地表位移特征图为土体厚度 ，下、覆岩层厚度取（犇 犇）时，左、右线隧道中间地表沉降情况。图左右线隧道中间地表沉降图由图可见，覆岩层厚度取（犇）时，地表最大沉降分别为 ，覆岩层厚度取（犇）时，地表最大 沉 降 分 别 为 ，。图为土体覆盖层 下，隧道横向地表竖向位移图。刘邦：穿越中风化花岗岩最小覆岩厚度研究 年第期图断面处左、右线隧道横向地表竖向位移图由图可见，横向地表竖向位移最大处于左、右线隧道中间，为 。土层厚度越大，地表沉降值越大，覆岩层厚度越大，地表沉降越小，但个断面下，所取个覆岩层厚度值均小于规范 要求的，因此最小覆岩厚度可取（犇）。结论）通过对不同地质断面进行数值模拟，得到左线隧道在不同土层厚度、不同覆盖硬岩厚度下，（犇 犇）的隧道与地表位移特征，发现在硬岩厚度为 犇时，位移特征达到最大，拱顶最大沉降值为 ，隧底最大隆起量为 ，地表最大沉降量为 。）断面地质条件下，隧道与地表位移特征最大，在此条件下，对隧道与地表横向特征位移进行分析，该断面处隧道拱顶同高度处地层横向竖向位移出现“双峰”，且覆岩层厚度越大，最大沉降值越小。出现“双峰”覆岩层对最大隆起值无影响。断面处地表横向竖向位移出现“单峰”，覆岩层厚度越大，最大沉降值越小，最大沉降值出现在左、右线隧道中间。对隧道与地表纵向特征位移进行分析发现，土层厚度越大，隧道拱顶沉降越大，隧底隆起值越大，地表沉降值越大；覆岩层越厚，隧道拱顶沉降越小，隧底隆起值越大，地表沉降值越小。文中个断面地质情况下隧道与地表位移特征均未超过城市轨道交通工程监测技术规范要求，因此，本工程最小覆岩厚度可取（犇）。参考文献蒋树屏，刘元雪，谢锋，等重庆市朝天门两江隧道越江段盾构法合理覆盖层厚度研究岩石力学与工程学报，（）：郭彩霞，王梦恕，孔恒，等水下盾构隧道的合理覆土厚度数值模拟分析中国公路学报，（）：，：李云鹏，乔国龙，李旭辉，等海底盾构隧道最小覆土厚度选取探讨土木工程学报，（增刊）：李金，舒恒，周建银，等孟加拉湾入海口深厚淤积地层盾构隧道合理覆土厚度研究现代隧道技术，（增刊）：程长清，杨自友，殷海波，等有压隧洞围岩最小覆盖层厚度弹塑性力学分析地下空间与工程学报，（）：杨自友，程长清，孙天宇，等多因素影响下水工隧洞最小覆盖层厚度力学分析重庆交通大学学报（自然科学版），（）：陈小羊，张浩，林在清，等基于孔隙比的盾构隧道最小覆盖层厚度分析及验证现代隧道技术，（增刊）：城市轨道交通工程监测技术规范：北京：中国建筑工业出版社，犛 狋 狌 犱 狔狅 狀犕 犻 狀 犻 犿 狌 犿犗 狏 犲 狉 犫 狌 狉 犱 犲 狀犜 犺 犻 犮 犽 狀 犲 狊 狊狅 犳犠 犲 犪 狋 犺 犲 狉 犲 犱犌 狉 犪 狀 犻 狋 犲 犻 狀犜 犅犕犜 狉 犪 狏 犲 狉 狊 犻 狀 犵犔 犐 犝犅 犪 狀 犵（，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，年第期刘邦：穿越中风化花岗岩最小覆岩厚度研究 ，；，；，犇，犇，犇 犇，犇 ，犇犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；（上接第 页）孙兴平，陈建本，孙涛，等深井软岩高应力巷道过超大落差断层破碎带围岩控制技术煤矿安全，（）：李宁，陈蕴生，陈方方，等地下洞室围岩稳定性评判方法新探讨岩石力学与工程学报，（）：陈尚远穿越断层破碎带的大埋深隧洞支护机理与计算分析济南：山东大学，刘雨萌，张俊儒，何冠男，等基于强度折减法的高铁隧道全断面机械化作业围岩稳定性分析及支护优化研究隧道建设（中英文），（）：韩荣杰，欧湘萍，闫志濠，等初期支护参数对断层破碎带隧道围岩稳定性的影响研究武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：唐晓松，郑颖人，王永甫有限元强度折减法在隧道施工稳定分析与控制中的应用现代隧道技术，（）：，犛 狋 狌 犱 狔狅 狀狋 犺 犲 犐 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犲狅 犳犛 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犪 犾犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳犘 犺 狔 犾 犾 犻 狋 犻 犮犛 犾 犪 狋 犲狅 狀狋 犺 犲犛 狋 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔狅 犳犜 狌 狀 狀 犲 犾 犛 狌 狉 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵犚 狅 犮 犽犠犃犖犌犛 犺 犻 狇 犻 犪 狀 犵，犔 犐 犝犢 狅 狀 犵，犣犎犃犖犌犆 犺 犲 狀 犵，犣犎犃犖犔 犻（，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；刘邦：穿越中风化花岗岩最小覆岩厚度研究 年第期