0 引言
盾构对接是水下盾构隧道施工中的一项重要技术，对于降低工期成本、增加经济效益和社会效益具有重要意义。国内外地中对接技术发展缓慢，最著名的是日本东京湾海底公路隧道，对接方法为“盾构近接贯通、冷冻加固地层、最后拆机联通”，采用了8 台泥水平衡盾构分别两两相向对接施工，掘进距离最长的一台盾构长达2500 m。
另一个案例是丹麦的斯德贝尔特海底铁路隧道，采用了4 台土压平衡盾构施工，在盾构相距30 m 时冻结了两台盾构掘进机之间的地层，然后由人工将冻土挖出实现隧道贯通，盾构隧道长7260 m，而掘进距离最长的一台盾构达5700 m，可见没有充分发挥对接施工的优点。狮子洋隧道是我国首次采用盾构对接施工技术的隧道，4台气压调节式泥水平衡盾构“相向掘进、地中对接、洞内解体”施工。
为了发挥盾构对接的优势，对接位置应尽量选择在路线中部，已有案例依据岩层强度高于土层的原则，选择在岩层对接，那么最小覆岩厚度如何判断，目前尚未有此项研究。依托某海底铁路隧道工程，采用FLAC 3D 有限差分软件进行数值模拟研究，实现海中盾构对接施工过程模拟，考虑覆岩厚度对围岩稳定性的影响，将对接位置选取进行定量研究，得出最小覆岩厚度，为对接位置选取提供更多维度的可能。
1 工程概况
海底铁路隧道采用时速250 km/h 的客运专线标准。隧道全长16．2 km，盾构段长10．87 km，矿山法段长5．13 km，明挖段长0．2 km。隧道海中段主要穿越粉土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土层，局部穿越基岩层。隧址最大水深约35 m，最大水压约0．78 MPa。盾构隧道与海中最大冲刷预测控制点的净距约4．89 m。
2 海中盾构对接数值模拟研究
隧道上方的覆岩厚度对保证隧道围岩及开挖面稳定性有积极作用，本小节采用FLAC 3D 有限元软件进行数值模拟，分别建立不同覆岩厚度下隧道对接施工的三维流固耦合模型，对比分析不同覆岩厚度时围岩的稳定性，得出确保施工安全的最小覆岩厚度。
2．1 三维有限差分模型建立
2．1．1 模型尺寸及参数选取
考虑到隧道模型的轴对称特性以及边界条件，这里只取左半隧道进行建模分析( 模型应力场关于过隧道轴线的垂直面对称) 。为了减小边界效应的影响，模型的长宽设置的较大，而结构尺寸与工程实际尺寸一致，隧道直径取为14 m，模型长( X) 180 m，宽( Y) 50 m，高( Z) 66．8 m，水面高度( Hw) 为地表以上25 m，拱顶位于Z = 43 m 处。为了模拟覆岩厚度及上部土层，地层采取水平分层，分别在隧道上方0 m、0．5 m、1 m、1．5 m、2 m、3 m、4 m、6 m、8 m、10 m 进行分层，并分别划分网格，通过对各层赋予不同地层参数来模拟覆岩厚度变化及上覆土层。网格划分采用非均匀四面体网格，在结构处网格尺寸较小，而在边界处网格尺寸较大，并且设置合理的比例实现网格的均匀过度，如图1 所示。模型的边界条件为底部为固定约束，四个侧向边界为法向位移约束，模型顶面为自由面，但设有水压力。
图1 模型示意图
地层采用摩尔库伦弹塑性实体单元模拟，管片采用弹性模型实体单元模拟，管片厚度为60 cm，盾壳采用结构壳( shell) 单元模拟。土体参数根据地勘资料确定，土层根据实际地层分布设置。模型中土体、盾壳及管片的具体参数如表1 所示。流体模型参数设置( 采用常用值) 为: 流体密度= 1 000 kg /m3，流体模量Mf = 2 000 MPa。
表1 数值模型参数表
2．1．2 初始地应力计算
初始地应力场是影响土体力学性质的重要控制因素，为了模拟隧道开挖之前土体既有的应力状态，需要根据土体的物理力学参数计算初始的地应力平衡状态。
土体的原始计算条件为: 模型运行之前需计算土体竖向和侧向的初始地层应力，模型的水面位于土面以上25m，土体完全饱和，土体的初始平衡计算静止侧压力系数取0．7，即σxx =σyy = 0．7σzz，竖向和侧向应力计算公式如下
式中: ρd为土体干密度; n 为孔隙率; ρw为水密度。
设置流体模型，定义流体参数。流体参数包括单元参数和节点参数，其中单元参数主要包括渗透系数、孔隙率和比奥模量; 节点参数包括流体模量、饱和度、抗拉强度和密度。定义初始孔压分布场。之后设置收敛系数迭代求解至平衡状态，得到模型的初始的应力场、位移场和孔压场分布。
2．1．3 盾构对接施工过程模拟
计算中只关注隧道开挖支护后产生的位移变形，因此对地应力平衡计算后的模型进行位移清零。为了更清楚地得到覆岩厚度对掌子面及地层稳定性的影响，本次模拟中对接区域不进行加固。开挖通过“杀死”( 赋予空属性) 单元模拟开挖，通过激活并赋予管片属性模拟管片支护，掌子面泥水支护力通过施加面荷载模拟，盾构掘进时地应力在管片拼装前有一定的释放，土压力释放率取20%，通过节点施加反力模拟应力释放。为得到较精确的三维流固耦合模型，在计算命令中设置CONFIG fluid 渗流模式，开挖过程中同时设置挖除部分的流体模型为空。模型中管片宽度为2 m，厚度为0．6 m，盾壳长度为10 m。管片与盾壳尾部有一环管片宽度的重叠。根据实际施工过程本次对接施工模拟选取9 个典型掘进位置分析由隧道开挖引起的地层沉降、围岩变形、应力变化等。典型位置的选取依据为两台盾构的相距距离，由于前期两侧盾构相距较远，监测位置选取的较少。随着两侧盾构相距较近，监测位置选取越来越密集，监测的具体位置见表2。图2 给出了数值模型中各监测位置的盾构掘进距离示意图。
表2 数值模拟中监测位置的选取
图2 监测位置掘进距离示意图
图3 覆岩厚度0．5 m 对接模型示意图
2．2 围岩变形流固耦合分析
为了研究覆岩厚度对围岩稳定性的影响，分别建立了隧道上方岩层厚0 m、0．5 m、1 m、1．5 m、2 m、3 m、4 m、6 m、8 m、10 m 的模型，岩层上方依次为粉质黏土( 厚度11．5 m) 、细砂( 4 m) 、粉土地层( 7．8 m) ，并分别对不同覆岩厚度的模型进行流固耦合计算。图3 给出了覆岩厚度为0．5 m 的模型。本小节以覆岩0．5 m 的模型为例，具体分析围岩位移、海底地层沉降、隧道围岩变形及土压力随施工过程的变化规律。
图4 不同掘进位置时掌子面前方土体位移云图
2．2．1 不同掘进位置时地层沉降规律
图4 给出了覆土厚度为0．5 m 盾构掘进至不同位置时的围岩变形云图。位置1 时左右两台盾构机相距140 m，相互影响很小，可以看出两侧盾构前方围岩变形云图相似，拱顶位置有一定沉降，拱底区域土体出现小幅回弹隆起。从位置1 掘进到位置2 时，两台盾构相距20 m，此时右侧盾构机停机，两侧土体开始相互扰动。随着左侧盾构继续掘进，刀盘前方围岩变形云图重叠，相互影响逐渐加强，上部土体受影响范围逐渐增大。由于左侧盾构机继续掘进，右侧刀盘前方土体受到挤压作用，且未进行超前地质加固，所以开挖面土体位移较大。当掘进至位置8 时，左右两台盾构刀盘开始接触，并拆除两侧刀盘，此时两侧盾壳相距2 m，两侧盾壳未焊接时，此段地层为临空面，拱顶土体沉降突然增大至96．56 mm，如图5 所示。位置9 为两侧盾壳焊接，并浇筑对接段衬砌，土体最大位移降至94．1 mm。由此可见，对接拆机时两盾壳间的围岩变形很大，因此需要对围岩进行超前加固，并及时焊接两侧盾壳。
图5 临空面土体位移云图
2．2．2 海底地层沉降随盾构掘进变化规律
提取隧道轴线上方Z = 66．8 m 的节点沉降数据，可以得出在隧道对接过程中，隧道轴线上方海底地层沉降曲线，如图6 所示。从图中可以看出，在施工过程中，海底地层沉降变化很小，地层最大沉降为1．86 mm，说明对接施工对海底地层几乎无影响。
2．2．3 隧道围岩变形变化规律
本次模拟中围岩变形包括拱顶沉降、拱腰收敛及拱底隆起三个方面。图7—9 分别给出了盾构掘进到不同位置时，隧道拱顶沉降、拱腰收敛及拱底隆起的分布曲线。从图中可以看出，两台盾构机从相距180 m 至20 m( 位置7) 的过程中，三者变化较小，拱顶沉降、拱腰收敛及拱底隆起分别为3．5 mm、2．1 mm 及1．9 mm。盾构掘进至位置8 时，左侧盾构刀盘拆除，两盾壳间土体临空，该处拱顶沉降、拱腰收敛及拱底隆起分别陡增至96．5 mm、8．5 mm 及9 mm。由此可见，在整个施工过程中，盾构拆机后两盾壳间临空面处的围岩变形远大于其他位置，且临空面处拱顶沉降最大，施工过程中应重点关注。
图6 不同掘进位置时隧道轴线上方海底地层沉降曲线
图7 不同掘进位置时隧道拱顶沉降曲线
图8 不同掘进位置时隧道拱腰收敛曲线
图9 不同掘进位置时隧道拱底隆起曲线
3 覆岩厚度对围岩变形的影响
根据覆岩厚度的不同，共建立了10 种覆岩厚度计算模型，分别为0 m、0．5 m、1 m、1．5 m、2 m、3 m、4 m、6 m、8 m、10 m，如图10 所示。通过对覆岩厚度为0．5 m 的对接模型进行流固耦合分析可知，两侧盾壳间围岩变形随施工过程变化较大，而海底地层沉降、土压力变化较小，因此以隧道围岩变形作为围岩稳定性的控制指标进行对比分析，得出覆岩厚度对围岩变形的控制效果。本次模拟中围岩变形包括拱顶沉降、拱腰收敛及拱底隆起。
图10 不同覆岩厚度对接模型示意图
3．1 覆岩厚度对拱顶沉降的影响
图11、12 给出了拱顶最大沉降随覆岩厚度的变化规律。从图中可以看出，当盾构拆机后，两侧盾壳间围岩拱顶沉降突然增大，而其他位置处拱顶沉降相对较小。在不进行注浆加固情况下，随着覆岩厚度的增大，拱顶最大沉降减低速度逐渐放缓，当覆岩厚度大于3 m 时，拱顶最大沉降随覆岩厚度的增大基本不再减小。根据拱顶最大沉降随覆岩厚度的变化规律可知，为了维持对接施工过程中围岩的稳定性，对接位置的覆岩厚度应大于3 m。
3．2 覆岩厚度对拱腰收敛的影响
图13、14 给出了拱腰收敛随覆岩厚度的变化规律。从图中可以看出，当盾构拆机后，两侧盾壳间围岩拱腰收敛突然增大，而其他位置处拱腰收敛相对较小。在不进行注浆或冻结加固情况下，随着覆岩厚度的增加，拱腰最大收敛值变化幅度较小，约为0．25 mm，说明覆岩厚度变化对拱腰最大收敛影响很小。
图11 不同覆岩厚度拱顶沉降曲线
图12 拱顶最大沉降随覆岩厚度变化曲线
图13 不同覆岩厚度拱腰收敛曲线
图14 拱腰最大收敛随覆岩厚度变化曲线
3．3 覆岩厚度对拱底隆起的影响
图15、16 给出了拱底隆起随覆岩厚度的变化规律。从图中可以看出，当盾构拆机后，两侧盾壳间围岩拱底隆起突然增大，而其他位置处拱底隆起相对较小。在不进行注浆或冻结加固情况下，随着覆岩厚度的增加，拱底隆起值变化幅度较小，约为0．68mm，说明覆岩厚度变化对拱底隆起影响很小。
图15 不同覆岩厚度拱底隆起曲线
图16 拱底最大隆起随覆岩厚度变化曲线
4 结论
依托某海底铁路隧道工程，采用有限差分法软件FLAC 3D 建立岩层对接“地层-结构”模型，实现海中盾构对接施工过程模拟，完成两台盾构机相向掘进，盾构停机、拆机及现浇衬砌模拟，分析沿线不同位置处围岩( 指岩体或者土体) 的稳定性，为对接位置选取提供参考依据，得到以下结论:
( 1) 盾构拆机产生临空面时围岩变形骤增，且拱底沉降变化最显著，需要提前进行地层预加固。
( 2) 为了发挥两台盾构机使用价值，对接区域应选择在路线中部，考虑到围岩强度高及渗透性低，优先选择在岩层对接。随着覆岩厚度的增大，拱顶最大沉降减小速度逐渐放缓，当覆岩厚度大于3 m 时，拱顶最大沉降随覆岩厚度的增大基本不再减小，对接位置的覆岩厚度应大于3 m。