盾构隧道结构坍塌机制探究

赵铎

中国铁路设计集团有限公司，天津300308

摘要：一般来讲,盾构法施工采用盾构机开挖掘进,在密闭的盾壳内拼装管片,脱出盾尾的管片衬砌与周围地层相互支撑约束形成稳固的支护结构体系,是一个相对安全的地下工程建造方法。但在实际工程中,盾构隧道施工导致地面塌陷、隧道坍塌事故仍屡有发生。基于此，本文就盾构隧道结构坍塌机制进行简要探讨。

关键词：盾构；隧道结构；坍塌机制；

1 研究背景

现阶段，在隧道施工过程中，坍塌是一种常见的围岩失稳破坏形式及工程灾害类型。而隧道坍塌的因素很多，其中，地面堆载是一种常见的起因。青岛、大连、厦门、南京等城市地铁建设以典型的土岩复合地层（俗称“上软下硬”地层）为主，由于软、硬地层的差异性，两者发生坍塌的方式及渐进破坏的模式也存在较大差异。因此，针对堆载作用下的土岩复合地层，只有明确土岩复合地层隧道坍塌演变及特征规律，才能对隧道坍塌的预防控制作出积极有效的应对。对于隧道坍塌规律的研究，目前主要采用模型试验和数值模拟的方法。模型试验优点在于可重复性、可视化以及节约试验成本等，可较好地复现、预演隧道坍塌实际过程。考虑围岩破裂、坍塌是非连续性的，数值模拟多采用离散元分析。离散元软件的优势在于既可“集散为整”，又可“化整为散”，能直观获取围岩渐进破坏过程。对于隧道坍塌演变及特征规律的研究，张成平等借助模型试验得出深埋和浅埋软岩隧道具有不同的坍塌模式，并拟合得到塌落拱的形状特征。孔超等通过软岩隧道模型试验，提出围岩渐进破坏过程为裂隙出现—裂隙发展—裂隙贯通—围岩坍塌。张成平等通过模型试验研究了施工扰动下含空洞地层的破坏演变过程，得出在不同工况条件下的围岩破裂角、破裂面等形态特征会随之改变。高峰等应用离散元软件ＵＤＥＣ模拟隧道实际坍塌过程，研究表明埋深主要影响隧道拱顶坍塌的范围，而围岩参数同时影响坍塌范围和坍塌形式。针对地面堆载影响下的地层响应的研究，ＨＵＡＮＧ等通过模型试验发现堆载作用下浅埋隧道坍塌拱顶处最为严重，并借助ＦＬＡＣ－ＰＦＣ数值耦合验证试验结果的合理性。梁发云等通过理论计算得出上软下硬地层受堆载影响下的地层变形规律。吴庆等通过模型试验探究不同埋深隧道受地面堆载作用的变形影响。以上研究主要从模型试验及数值模拟论证了堆载作用不可忽略及隧道坍塌演变有规可循。然而，现有成果多从荷载条件、位移情况、坍塌过程及裂隙发展状况等方面研究隧道坍塌，对于以坍塌特征为切入点的研究较少且多是针对单一工况、单一地层。本文结合土岩复合地层，研究了不同岩跨比工况下的隧道坍塌演变过程，分析了破裂形状、破裂角、破裂口径等一般性规律，以期为隧道坍塌防控提供参考。

2　隧道结构坍塌分析方法

2021年6月，某隧道突然涌出大量泥砂,随后地面塌陷,塌陷范围如图 1 所示,塌陷面积 3850m2,塌陷区域沿线路方向长度约 81.3m,垂直线路方向约 81.5m。该事故造成了6人死亡、8 人受伤、1人失联。本研究针对隧道结构坍塌,提出了基于数值分析的一种定量分析方法,如图2所示。首先,根据事后的现场补勘调查结果,确定隧道结构坍塌范围。其次,利用有限元分析法(FEM)建立荷载结构(壳弹簧)模型,根据事发现场记录选取关键状态,通过调整隧道坍塌范围内的地基弹簧与荷载参数进行拟合分析,模拟现场的围岩地层掏空及变形情况。最后,通过FEM分析分步模拟不同条件下的结构破坏状态,逐步揭示隧道结构坍塌发生条件及形成机制。

图 1　 地面塌陷平面图

图 2　 隧道结构坍塌定量分析方法

3　分析结果与讨论

3.1　隧道结构破坏分析

根据管片混凝土拉压破坏与结构稳定性综合判断隧道结构破坏情况。首先判断材料破坏情况,当混凝土的最小主应力超过抗压强度fcu=50MPa则认为混凝土压坏,最大主应力超过混凝土抗拉强度ft=3.12MPa则认为混凝土开裂破坏;其次,根据衬砌材料破坏情况来判断结构稳定性,当衬砌上下左右都发生大面积的混凝土破坏而形成四个塑性铰,根据自由圆筒结构稳定原理,则可判断隧道结构失稳而坍塌。

3.2　隧道坍塌形成机制

根据地质资料显示,隧道范围上部约40%为淤泥质粉土,下部60%为粉砂层(事故位置最厚处达4m左右),下伏地层为富含承压水的圆砾层;而且周边水系发达,距坍塌区域左侧仅40m左右为与线路平行的澳边涌,这为承压富水砂砾石层提供了充足的水源。事后调查结果表明隧道衬砌结构破坏范围在15环左右,根据以上条件及隧道坍塌模拟分析,可推测围岩掏空及结构坍塌机制:盾尾透水前,在盾构机千斤顶推力及上部土压荷载作用下,隧道结构处于稳定状态;由于盾尾刷存在磨损,盾尾密封止水性能下降,盾尾密封被外部水土压力击穿,同时，在高水压冲刷作用下,下部的土层被掏空,盾尾及前端衬砌不断下沉、涌入泥水量增大；随着隧道失去右侧围岩、两侧完全处于无约束状态,在全覆土压力及盾构机荷载耦合作用下,衬砌结构发生典型的横鸭蛋变形,拱顶、拱底与左右拱腰的混凝土被压坏,发生结构塑性失稳破坏。

3.3　防灾减灾措施

根据坍塌机制分析,为复杂地质条件下的盾构隧道工程,从勘察、设计、施工到避难逃生提出如下防灾措施建议:(1)提高勘察设计水平,重点探明隧道沿线的不良地质条件及地下水的分布情况。可通过多次钻探提高勘查精度。对于不良地质区间或复杂地形区域,可发展利用水平钻探技术,采用水平和竖向钻探结合获取隧道沿线更多、更精准地质情况。(2)改良结构设计。由于围岩掏空,衬砌结构失去支撑约束而发生塑性失稳破坏。因此,管片衬砌设计应充分考虑最不利地质条件下的作用荷载及边界,进行管片结构分析。此外,还应提高管片设计安全系数,考虑不同风险及结构破坏模式,加强隧道的结构韧性设计,合理设计管片及接头形式,尤其应注意高水压作用下的盾构隧道结构失稳,避免发生结构整体坍塌破坏。(3)提高隧道施工技术。在盾构施工过程中,可通过添加泥浆、膨润土等改良土仓渣土性能,防止泥水溢出,维持开挖面均匀受压,同时采用自动化检测技术监测土仓压力的动态变化情况;为提高衬砌结构稳定性,采用快凝、少收缩浆液,及时充填脱出盾尾的管片与地层之间的空隙,形成地层注浆层管片复合结构。(4)提高防、堵漏水技术。在盾构施工过程中,提高盾尾防水及堵漏技术尤为重要。(5)在隧道施工前规划设计隧道逃生避难方案。在隧道中修建逃生设备、紧急避难器具、逃生管道等,并在其中存放食物、手电、呼吸器,通信设备等。当隧道发生坍塌破坏,施工人员可以进入逃生管道或紧急避难器具中躲避、等待救援,同时,紧急通信设备有助于外界判断隧道内部情况,提高救援效率。

结论

(1)建立了一种分析隧道结构坍塌破坏的数值模拟分析方法,成功分析并推测了隧道结构坍塌形成机制:在高压富水地质条件下,盾尾渗漏水诱发了隧道左侧承压透水层的突涌水,高压水裹带泥沙逐步掏空围岩地层,致使管片衬砌结构失去支撑约束降低了承载性能,最后,衬砌结构在上下左右四个截面破坏,形成塑性铰发生失稳坍塌。(2)本文提出的分析方法,基于软土地层管片结构特点,重点考虑了衬砌接头及围岩非线性影响,可定量的探明隧道结构的破坏模式与形成机制,可作为隧道结构坍塌破坏研究的有效分析方法。

参考文献：

［1］孔超，侯志强，朱晓雨，等.大断面地铁车站隧道软弱围岩渐进破坏规律模型试验研究［J］．中国铁道科学，2020，41（01）：178-179．

［2］梁发云，袁强，李家平，等．堆载作用下土体分层特性对地铁隧道纵向变形的影响研究［J］．岩土工程学报，2021，20（05）：183-185．

［3］刘宏扬，罗强，周鑫，等．路基压实粉质黏土水平残余应力估算方法探讨［J］．岩石力学与工程学报，2022，10（03）：199-200．