第 6 卷增 岩石力学与工程学报 Vol.6 Supp. 007 年 1 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.,007 泥岩大变形隧道盾构施工法的围岩稳定性分析 贾善坡 1, 陈卫忠 1, 于洪丹 1, 伍国军 1, 李香绫 (1. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室, 湖北武汉 430071;. 比利时核能研究中心, 比利时摩尔 400) 摘要 : 以比利时泥岩高放废物处置库工程为背景, 在全面分析盾构施工过程中影响围岩稳定性各主要因素的基础上, 根据有效应力分析方法, 建立泥岩弹塑性渗流 应力耦合分析理论模型, 提出一种能够模拟盾构机掘进隧道施工的三维非线性有限元模拟方法, 分析盾构推进过程中隧道围岩孔隙压力 应力场 位移场以及混凝土管片衬砌应力的分布规律 研究结果可为泥岩盾构隧道工程的施工及监控量测提供参考 关键词 : 岩石力学 ; 泥岩 ; 盾构隧道 ; 流固耦合 ; 有限元法中图分类号 :TU 45 文献标识码 :A 文章编号 :1000 6915(007) 增 3897 07 ANALYSIS OF SURROUNDING ROCK STABILITY OF MUDSTONE LARGE-DEFORMATION TUNNEL EXCAVATED BY SHIELD CONSTRUCTION METHOD JIA Shanpo 1,CHEN Weizhong 1,YU Hongdan 1,WU Guojun 1,LI Xiangling (1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan,Hubei 430071,China;. Belgian Nuclear Research Center,Mol 400,Belgium) Abstract:Taking the high-level radioactive waste repository in Belgium as background,based on the comprehensive analysis of the main factors influencing the stability of surrounding rock during tunnel excavation,an elastoplastic seepage flow-stress coupling analysis model is set up according to the effective stress analysis method;and a 3D nonlinear finite element method is put forward to simulate the excavation of tunnel by shield machine. The distributions of pore pressure,stress field,displacement field of surrounding rock and the lining stress of concrete segment are analyzed in detail. The results can provide references to construction and field measurement of mudstone shield tunnel. Key words:rock mechanics;mudstone;shield tunnel;seepage-stress coupling;finite element method 1 引言 随着盾构施工技术的不断完善, 盾构法在地下工程施工中得到了广泛的应用 盾构施工修建地下隧道已有 180 多年的历史, 目前已发展成了气压盾构 挤压式盾构 网络盾构 泥水加压盾构 局部气压盾构 土压平衡盾构等多种盾构类型, 广泛应 用于世界各国铁路 地铁 公路 市政 水电隧道工程等领域 [1] 盾构法隧道施工的研究在国内外得到了广泛的重视 1969 年 R. B. Peck 在第七届国际土力学与基础工程会议上指出, 隧道掘进引起的地表沉降曲线满足正态分布, 这是研究盾构法隧道施工变形的经典预测理论与方法 伴随着有限元法的发展, 盾构法隧道施工计算也主要集中在这种方法的应用上 收稿日期 :007 03 14; 修回日期 :007 05 14 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50579087,90510019) 作者简介 : 贾善坡 (1980 ), 男,00 年毕业于中国石油大学 ( 华东 ) 建筑工程系建筑工程专业, 现为博士研究生, 主要从事地下工程 岩土工程及工程力学方面的研究工作 E-mail:jiashanporsm@163.com
3898 岩石力学与工程学报 007 年 R. J. Finno 和 G. W. Clough [] 经现场实测表明, 可采用纵 横 个方向的二维平面有限元模拟土压平衡盾构开挖隧道的过程 K. M. Lee 和 R. K. Rowe [3] 发展了一种用于模拟施工工序 后续地层位移 隧道开挖面周围及地表的应力状态对地面沉陷影响的三维弹塑性有限元方法 R. K. Rowe 和 K. M. Lee [4] 认为, 间隙参数反映了隧道顶部的垂直位移和软土隧道施工中的地层损失的大小, 它是掌子面三维弹塑性变形 盾构机性能 衬砌的几何形状和施工工艺 [5] 的函数 易宏伟和孙钧对上海地区软土盾构隧道施工过程中不同受力阶段的土中应力 接触面上的土压力, 以及盾构开挖施工的地表沉降次固结问题 [6] 进行了有限元数值分析 朱合华等针对盾构隧道的施工阶段 注浆材料及管片接头的特性提出了有限元模拟方法, 应用于大阪地铁 7 号线盾构隧道施 [7] 工的力学分析中 王敏强和陈胜宏提出迁移法模拟盾构前行过程, 并进行了三维非线性有限元仿真 [8] 张志强等建立了模拟盾构机 ( 包括刚度 自重和推力 ) 前行掘进隧道的三维有限元模型, 并应用于南京地铁隧道工程 近十多年来, 随着西方工业发达国家核电等核工业的不断发展, 大量高放废物亟待深埋处理, 故评价高放废物处置库安全稳定性以及处理高放废物的选址等都要求对岩体进行深入细致的研究 泥岩由于其均质和低渗透性而被国际上众多国家作为可以储存高放废物的 3 种备选场地 ( 花岗岩 盐岩 泥岩 ) 之一 本文结合比利时高放废物处置库地下工程实例, 将泥岩看作多孔介质, 根据实验室的试验结果, 应用渗流理论, 建立多孔介质的渗流 应力耦合模型, 并将模型应用于泥岩的盾构开挖围岩稳定性分析, 探讨在动态施工过程中, 泥岩中地下水的流动规律以及渗流过程中岩体内应力的变化过程 岩体流固耦合分析理论 将岩体视为多孔介质, 流体在孔隙中的流动依据 Darcy 定律, 同时满足 Biot 方程, 岩体渗流 应 [9~13] 力耦合模型的控制方程为 ε v p G u ( λ + G) = 0 x x ε v p G v ( λ + G) = 0 y y (1) ε v p G w ( λ + G) + ρg = 0 z z p ε v [ k( p + γ w )] = γ w nβ w + γ w t t 式中 : 为梯度算子, = + + ;λ 为 x y z Eμ 拉梅常数, λ = ;E 为弹性模量 ;G ( 1+ μ)(1 μ) E 为剪切模量, G = ; ρ 为岩体密度 ;g 为重 (1 + μ) 力加速度 ;k 为岩体渗透系数 ; γ w 为水的容重 ;p 为孔隙压力 ;u,v,w 分别为岩体骨架沿 x,y,z 方向的位移分量 ; ε v 为体应变 ; β w 为水的体积压缩系数 ;n 为多孔介质的孔隙度 将式 (1) 在空间域和时间域离散, 其有限元增量表达式为 [ K] [ L] T [ L] Δui ΔFi = [ T ] Δpi Δti{ Qi} + Δti[ T ]{ pi 1} () 式中 :[K] 为通常的刚度矩阵,[T ] 为渗流矩阵,[L] 为耦合矩阵, Δ u i 为位移增量, Δ p i 为孔隙压力增量 ; Δ 为节点力增量, Q } 为节点汇源项 F i { i 3 三维盾构施工过程有限元动态模拟 3.1 工程概况在比利时, 第三系 Boom 泥岩层被选作处置高放废物的场址 Boom 泥岩层属于 Rupelian 构造, 下伏有 Berg 砂岩, 上面覆盖着晚第三纪含水层 1980 年在 Mol 场地 3 m 深的泥岩构造中建设了地下实验室, 调查和论证处置高放废物的可行性, 使之成为一个接近于真实条件的原地试验设施, 称为高放废物处置实验室计划 (HADES 计划 ) 自 1995 年以来, 研究计划向大型和示范性试验方向发展, CLIPEX 计划是 HADES 计划的延续, 其目的是提供开挖连接巷道时泥岩的水 力性质及相关的监测数据, 评估采用工业技术建立地下研究设施 ( 竖井和井巷 ) 的可行性, 研究开挖过程中泥岩的水 力性状 连接巷道长为 90 m, 采用盾构法进行施工 [14] 目前, 在深部泥岩地层 (3 m) 中采用盾构法施工还属首次, 没有类似的施工经验可以借鉴 另外, 由于泥岩的大变形效应, 地质环境条件非常苛刻 为有效反映施工过程中盾构推进产生的隧道结构应力场和渗流场, 根据前面介绍的流 固耦合计算原理, 本文对盾构推进过程的三维有限元仿真进行了一些尝试 3. 有限元模型根据对称性模型取 1/ 结构 ( 见图 1), 其中 Y 轴为隧道轴线方向,Z 轴为深度方向,X 轴为宽度方
第 6 卷增 贾善坡, 等. 泥岩大变形隧道盾构施工法的围岩稳定行分析 3899 图 1 有限元分析模型 Fig.1 Finite element analysis model 向, 隧道轴线埋深为.9 m, 模型长 90 m, 高 80 m, 宽 40 m, 开挖长度为 40 m 隧道开挖半径为.405 m, 衬砌的厚度为 0.4 m, 在模型中考虑了盾构, 盾构的外径为.405 m, 盾构机长为 3 m 位移边界条件 : 沿 Y 轴隧道轴线方向, 模型前后两面边界施加 Y 方向的水平约束 ; 模型关于 YZ 面对称, 则对称面上施加 X 方向的水平约束 ; 模型的右边界施加 X 方向的水平约束 ; 模型底面施加 Z 方向的竖向约束 ; 上部边界施加上部岩土体自重压力 [15] 排水边界条件 : 泥岩的渗透性较小, 盾构开挖速度为 m/d, 较快的开挖速度可假定为不排水条件, 因为在隧道施工的瞬时变形阶段, 由于变形发生的时间相对较短, 可以认为隧道开挖面来不及排水, 因此, 模型的各边界都认为是不排水的 [14] 岩体 衬砌和盾构均采用三维实体八节点单元, 泥岩采用 Mohr-Coulomb 本构模型, 泥岩的渗透率为 1.1 10-1 m/s, 孔隙度为 0.39, 水体积模量为 GPa 为考虑衬砌接头对衬砌结构刚度的影响, 将衬砌结构刚度折减 0.15 泥岩及结构材料参数见表 1 [14] 环拼装 盾尾同步注浆几个步骤 盾构前行, 实质上是盾构刚度和荷载的迁移, 假定盾构的推进是跳跃式的, 每次推进的长度 ( 纵向 ) 恰好为一个管片单元宽度, 在盾首和盾尾均设有 预设单元, 开挖面推进时, 盾首逐渐深入, 盾尾逐渐脱出 用改变单元材料类型的方法 ( 刚度迁移法 ) 来反映盾构的推进, 在有限元分析中可利用单元生死技术模拟盾构隧道的动态施工过程 为了既能反映盾构推进过程及其对围岩的影响, 又能满足计算量的要求, 避免尺寸效应带来的计算误差, 网格纵向间距取为 1 m, 模型沿纵向建立了多达 45 环的尺寸范围 基于土压平衡, 在深部泥岩地层场合下, 本文从偏于安全的角度考虑, 将盾构隧道开挖初期 管片衬砌支护前形成毛洞状态时围岩载荷释放率确定为 60%, 而将管片施作后载荷释放率确定为 40% 3.4 计算结果分析全过程施工内涵虽然为全程施工, 但并不需要将整个隧道区间或本研究所建立的 45 环管片全部模拟完成, 而应以围岩稳定性和已安装管片内力出现稳定结果为标准 由于计算机能力的限制, 本文仅模拟开挖至隧道端头 1 m 处 首先对计算模型进行初始地应力场平衡计算, 结果如图 和 3 所示 [14] 表 1 泥岩及结构材料参数 Table 1 Parameters of mudstone and structure materials [14] 介质 E/GPa μ γ /(kn m -3 ) c/mpa ϕ/( ) 泥岩 0.3 0.13 0 0.3 18 管片衬砌 30.0( 折减后 ) 0.30 5 盾构机 10.0 0.30 75 3.3 盾构隧道施工过程模拟盾构隧道开挖的实际过程为工作面开挖 衬砌 图 竖向初始有效应力云图 ( 单位 :Pa) Fig. Nephogram of vertical initial effective stress(unit:pa) 盾构的推进是跳跃式的, 每次推进的长度为一个管片单元宽度, 限于篇幅, 本文仅取几个有代表性的盾构机掘进过程进行分析, 分别为掘进 9,13, 17,1 m 3.4.1 孔隙水压力变化分析
3900 岩石力学与工程学报 007 年 图 3 初始孔隙水压力云图 ( 单位 :Pa) Fig.3 Nephogram of initial pore water pressure(unit:pa) 盾构掘进过程中, 虽然采用土压平衡式盾构, 但由于众多因素的影响, 使千斤顶掘进力不可能刚好等于岩土体产生的侧压力 ; 同时, 盾构外壳和岩土体之间存在着摩擦 挤压, 将引起岩土体的扰动, 岩土体的扰动又会引起孔隙水压力的变化, 根据有效应力原理, 孔隙水压力的变化必将引起岩土体的有效应力的变化 孔隙水压力的变化情况如图 4 所示 从图中可以看出, 盾构机的掘进使岩土体周围产生超孔隙水压力, 在掘进初期孔隙水压力随时间变化比较显著, 随着盾构的推进, 超孔隙水压力逐渐消散 当盾构掘进 9 m 时, 开挖区最大孔隙水压力为 3.134 MPa; 而当盾构推进 13,17 和 1 m 时, 开挖区最大孔隙水压力均为.585 MPa 同时还可以看出, 盾构上部孔隙水压力的变化要比下部的变化值小, 并且随着与盾构机距离的加大, 孔隙水压力的变化也逐渐变小 此外, 在盾构开挖前缘区域均出现了负孔隙水压力 3.4. 围岩塑性区分析隧道开挖后, 当岩体内斜截面的剪应力值超过破坏理论规定的滑动界限范围时, 岩体就发生剪切屈服破坏 因此, 根据围岩在隧道洞室开挖后的塑性区分布图, 可以定性地判定围岩的受力状态和破坏机制 图 5 为盾构开挖过程中围岩塑性区的变化示意图 从图中可以看出, 随着盾构掘进的进行, 盾构开挖前缘区域和盾尾空隙等部位均出现了较大范围的塑性区, 由于盾构机壳刚度较大, 盾构支护区域的围岩处于弹性状态 ; 盾尾空隙塑性区的最大延伸距离为 1.6~.5 m, 盾构开挖前缘区域塑性区的最大延伸距离为 3~4 m 图 4 盾构掘进过程中围岩孔隙水压力的变化 ( 单位 :Pa) Fig.4 Change of pore water pressure in surrounding rock during shield tunneling(unit:pa) 3.4.3 围岩变形分析从数值模拟的位移场分布 ( 见图 6) 来看, 开挖使隧道总体呈现向洞内收缩变形的特征, 开挖区侧壁由于受隧道体形的影响, 顶部下沉, 侧壁外扩, 且顶部位移大于侧壁位移 盾构前行后, 原来受盾构外壳支撑的岩土体逐渐脱出, 成为建筑空隙, 产生
第 6 卷增 贾善坡, 等. 泥岩大变形隧道盾构施工法的围岩稳定行分析 3901 图 5 盾构掘进过程中围岩塑性区的变化 Fig.5 Change of plastic zone in surrounding rock during shield tunneling 图 6 盾构掘进过程中围岩位移场分布 ( 单位 :m) Fig.6 Distribution of displancement field of surrounding rock during shield tunneling(unit:m) 较大的向隧道内的变形 盾构推进过程中, 开挖面变形为 8.~9.7 cm, 实测值约为 1 cm 同时还可以看出, 隧道洞室在不同施工阶段的收缩变化不大, 隧道围岩的径缩量为 3.~4.7 cm, 实测值约为 4 cm, 但是随着盾构的推进, 围岩的扰动区域逐渐扩大, 隧道上部的扰动区域大于下部的扰动区域, 但盾构推进到 1 m 时, 下部影响深度范围为 3~36 m 3.4.4 围岩应力分析盾构前行改变了岩土体的应力场, 围岩的变形将导致地层应力与衬砌结构受力状况的改变, 隧道围岩及开挖面前方一定范围内围岩主应力有较大变化, 由于地应力的释放, 开挖后隧道围岩附近最小主压应力减小了 1.7 MPa 开挖面由于支护压力的作用, 应力降低的幅度小于盾尾间隙围岩 盾尾间
390 岩石力学与工程学报 007 年 隙围岩应力减小的幅度最大, 该位置的最小主压应力约为 0.1 MPa 图 7 给出了盾构推进过程中最小主应力的变化 从图中可以看出, 盾构周围处围岩产生应力集中区, 其最小主应力增加了 0.8 MPa, 影响范围为隧道半径的 3 倍左右, 随着盾构的掘进, 影响范围逐步扩大 ; 盾尾的建筑空隙由于缺少支护作用产生了较大的应力释放, 该位置的最小主应力减小了 1. MPa 此外, 从图中还可以看出, 隧道侧向的应力集中程度明显大于隧道的上部和下部, 而隧道下部的应力集中程度大于上部 3.4.5 管片衬砌应力分析图 8 为盾构掘进过程中管片最大主应力云图 从图中可以看出, 管片最大主应力均为压应力, 未出现局部区域的拉应力现象, 混凝土管片环不会出现开裂现象 同时还可以看出, 管片最大主应力的最大值出现在隧道的入口处, 最小值则出现在靠近盾尾的管片处 图 8 盾构掘进过程中管片最大主应力云图 ( 单位 :Pa) Fig.8 Nephogram of the maximal principal stress of concrete lining during shield tunneling(unit:pa) 4 结论 图 7 盾构掘进过程中围岩最小主应力的变化 ( 单位 :Pa) Fig.7 Change of the minimal principal stress in surrounding rock during shield tunneling(unit:pa) 为了研究深部泥岩的水 力性质, 提供合理的监测方案及监测点布置, 消除施工引起的安全隐患, 本文以比利时高放废物处置库工程为背景, 利用数值模拟方法对泥岩盾构隧道动态施工过程进行三维有限元分析, 对隧道开挖引起的围岩变形 孔隙水压力和塑性区分布进行探讨, 得到如下结论 : (1) 在盾构开挖过程中, 隧道周围岩土体先是受到盾构的挤压作用, 而后发生应力释放, 离隧道
第 6 卷增 贾善坡, 等. 泥岩大变形隧道盾构施工法的围岩稳定行分析 3903 轴线越近的岩土体受施工扰动越大, 距离隧道轴线 5 倍洞径以外的岩土体基本不受盾构施工的影响 () 盾构机的掘进使岩土体周围产生超孔隙水压力, 随着盾构的推进, 超孔隙水压力逐渐消散 此外, 在盾构开挖前缘区域出现了负孔隙水压力 (3) 盾构前行使得岩土体应力场发生了较大的改变, 盾构附近围岩产生应力集中区, 盾尾岩土体失去支撑, 产生较大的向隧道内的位移 (4) 采用三维动态有限元能较好地综合考虑盾构施工中材料 盾构 ( 刚度 自重 推力 ) 盾尾建筑空隙 盾构与岩土体相互作用 围岩应力释放 岩土体与衬砌相互作用等因素, 能反映隧道围岩在施工过程中的变形规律 参考文献 (References): of tunnel structure for moving-forward shield[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,00,1():8 3.(in Chinese)) [8] 张志强, 何川, 佘才高. 南京地铁盾构掘进施工的三维有限元仿真分析 [J]. 铁道学报,005,7(1):84 89.(ZHANG Zhiqiang, HE Chuan,SHE Caigao. Three-dimensional finite element modeling of excavation and advancement processes of shield tunnel construction in Nanjing Metro[J]. Journal of the China Railway Society,005, 7(1):84 89.(in Chinese)) [9] 谢康和, 周键. 岩土工程有限元分析理论与应用 [M]. 北京 : 科学出版社,00:6 0.(XIE Kanghe,ZHOU Jian. Theory and application of finite element analysis of geotechnical engineering[m]. Beijing:Science Press,00:6 0.(in Chinese)) [10] 陈卫忠, 邵建富,DUVEAU G, 等. 黏土岩饱和 非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究 [J]. 岩石力学与工程学报,005, 4(17):3 011 3 016.(CHEN Weizhong,SHAO Jianfu,DUVEAU [1] 张凤祥, 朱合华, 傅德明. 盾构隧道 [M]. 北京 : 人民交通出版社, 004:1 13.(ZHANG Fengxiang,ZHU Hehua,FU Deming. Shield tunnel[m]. Beijing:China Communications Press,004:1 13.(in Chinese)) [] FINNO R J,CLOUGH G W. Evaluation of soil response to EPB shield tunneling[j]. Journal of Geotechnical Engineering,1985, 111():157 173. [3] LEE K M,ROWE R K. An analysis for three-dimensional ground movements : the Thunder Bay tunnel[j]. Canadian Geotechnical Journal,1991,8(1):5 41. [4] ROWE R K,LEE K M. An evaluation of simplified techniques for estimating three-dimensional untrained ground movements due to tunneling in soft soils[j]. Canadian Geotechnical Journal,199, 9(1):39 5. [5] 易宏伟, 孙钧. 盾构施工对软黏土的扰动机制分析 [J]. 同济大学学报,000,8(3):77 81.(YI Hongwei,SUN Jun. Mechanism analysis of disturbance caused by shield tunneling on soft clays[j]. Journal of Tongji University,000,8(3):77 81.(in Chinese)) [6] 朱合华, 丁文其, 李晓军. 盾构隧道施工力学性态模拟及工程应用 [J]. 土木工程学报,000,33(3):98 103.(ZHU Hehua,DING Wenqi, LI Xiaojun. Construction simulation for the mechanical behavior of shield tunnel and its application[j]. China Civil Engineering Journal, 000,33(3):98 103.(in Chinese)) [7] 王敏强, 陈胜宏. 盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真 [J]. 岩石力学与工程学报,00,1():8 3.(WANG Minqiang, CHEN Shenghong. Three-dimensional nonlinear finite element simulation G,et al. Constitutive model of saturated-unsaturated clay and its numberical simulation[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,005,4(17):3 011 3 016.(in Chinese)) [11] 陈卫忠, 邵建富, 杨春和, 等. 黏土岩饱和 非饱和渗流机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报,004,3(1):3 689 3 694.(CHEN Weizhong,SHAO Jianfu,YANG Chunhe,et al. Research on saturated and unsaturated flow mechanism of claystone[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,004,3(1):3 689 3 694.(in Chinese)) [1] 武文华, 李锡夔. 非饱和土的热 水力 力学本构模型及数值模拟 [J]. 岩土工程学报,00,4(4):411 416.(WU Wenhua,LI Xikui. Constitutive model and numerical simulation thermo-hydromechanical behavior in unsaturated soils[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,00,4(4):411 416.(in Chinese)) [13] 谢永利. 大变形固结理论及其有限元法 [M]. 北京 : 人民交通出版社, 1998:43 90.(XIE Yongli. Theory of large-deformation consolidation and its finite element method[m]. Beijing:China Communications Press,1998:43 90.(in Chinese)) [14] BERNIER F,LI X L,VERSTRICHT J,et al. CLIPEX:clay instrumentation program for the extension of an underground research laboratory(final report)[r]. [S.l.]:EUR0619EN,003. [15] 姜忻良, 崔奕, 李园, 等. 天津地铁盾构施工地层变形实测及动态模拟 [J]. 岩土力学,005,6(10):1 61 1 616.(JIANG Xinliang,CUI Yi,LI Yuan,et al. Measurement and simulation of ground settlements of Tianjin subway shield tunnel construction[j]. Rock and Soil Mechanics,005,6(10):1 61 1 616.(in Chinese))