下伏溶洞對(duì)穿越上砂下黏地層隧道管片受力的影響分析

李 萍，李 威，文武雙，高詩(shī)明，陳建平

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中鐵十一局集團(tuán) 城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430074)

隨著城市化建設(shè)和地下空間開發(fā)進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的地鐵隧道穿越巖溶地質(zhì)區(qū)。在巖溶區(qū)修建地鐵隧道時(shí)，由于溶洞的存在，改變了圍巖物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)在隧道開挖過(guò)程中溶洞使得隧道的施工力學(xué)過(guò)程更加復(fù)雜[1-2]，容易造成圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，并可能導(dǎo)致隧道坍塌[3-4]。

為研究溶洞對(duì)地鐵隧道穩(wěn)定性的影響，易介民[5]針對(duì)地鐵隧道穿越土層，運(yùn)用MIDAS/GTS軟件，分析了隧道周邊溶洞對(duì)襯砌管片受力的影響；趙宏國(guó)[6]運(yùn)用FLAC 3D 5.0軟件，研究了既有地鐵隧道和不同大小的頂部溶洞對(duì)新修地鐵隧道管片受力的影響；邵勇等[7]運(yùn)用FLAC 3D 5.0數(shù)值分析軟件，研究了地鐵隧道穿越灰?guī)r時(shí)溶洞尺寸、位置等對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響；李培楠等[8]針對(duì)地鐵隧道穿越砂層，運(yùn)用MIDAS/GTS軟件，探討了溶洞的不同分布位置、尺寸大小及其與隧道間的不同凈距對(duì)襯砌管片內(nèi)力分布的影響。周禾等[9]運(yùn)用ANSYS軟件研究盾構(gòu)隧道穿越微風(fēng)化巖層段時(shí)管片的受力特征。但是目前針對(duì)隧道穿越上砂下黏地層，溶洞對(duì)地鐵隧道盾構(gòu)管片受力的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究。

本文針對(duì)武漢地鐵六號(hào)線Ⅱ標(biāo)段前馬(前進(jìn)村站—馬鸚路站)區(qū)間隧道穿越上砂下黏地層，運(yùn)用FLAC 3D 5.0數(shù)值模擬軟件，考慮了流固耦合效應(yīng)，分析盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)開挖后下伏溶洞對(duì)管片受力的影響。

1 工程概況

武漢地鐵六號(hào)線Ⅱ標(biāo)段前馬區(qū)間隧道位于漢陽(yáng)區(qū)，采用盾構(gòu)法施工，斷面呈圓形，外徑6.2 m，隧道頂板埋深9.7～17.0 m。

隧址區(qū)廣泛分布三疊系觀音山組、大冶組、二疊系棲霞組和石炭系黃龍組的灰?guī)r，上覆第四系下全新統(tǒng)的粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中細(xì)砂、中粗砂，上更新統(tǒng)的含黏性土細(xì)砂、含礫中粗砂以及中更新統(tǒng)的黏土夾碎石。場(chǎng)區(qū)灰?guī)r裂隙、溶隙發(fā)育，局部地段溶洞、溶槽發(fā)育，溶洞多為中小型溶洞，溶洞頂板厚度較薄，主要集中在基巖面以下3 m范圍內(nèi)，淺部溶洞多為半充填或全充填，充填物為黏土或黏土夾碎石。地下水位埋深4.52～7.28 m。隧道穿越該類地層時(shí)，盾構(gòu)施工過(guò)程中容易對(duì)前方土體造成較大擾動(dòng)，造成流砂甚至砂土液化[10]。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，模型尺寸取80.0 m(長(zhǎng))×1.5 m(寬)×50.0 m(高)。以隧道中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，隧道軸線方向?yàn)閥軸，水平面內(nèi)垂直隧道軸線方向?yàn)閤軸，鉛直向上為z軸建立數(shù)值計(jì)算模型，見圖1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

圖1中表層土厚6.0 m，地下水位線在地下7.0 m處，砂土層厚28.0 m，下面的黏土層厚3.0 m，隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，頂板距地表15.0 m，底板距基巖面12.8 m?？紤]盾尾注漿等對(duì)管片周圍土體強(qiáng)度的影響，根據(jù)黎春林等[11]的研究成果，注漿影響厚度取3.6 m。取單一溶洞為研究對(duì)象。假設(shè)溶洞為圓柱體，其軸線平行于隧道軸線，位于隧道正下方，溶洞與隧道空間關(guān)系見圖2。圖中d為溶洞頂與基巖面的距離，D為溶洞直徑。

巖土體的力學(xué)模型均采用Mohr-Coulomb模型，隧道開挖采用Null模型，管片采用Shell結(jié)構(gòu)單元。計(jì)算模型的邊界條件考慮了流固耦合效應(yīng)。模型左右兩側(cè)約束x方向位移，模型底面約束x,y,z方向位移，模

圖2 溶洞與隧道空間關(guān)系(單位：m)

型前后兩側(cè)約束y方向的位移，頂面為自由面。隧道開挖前孔隙水壓力為靜水壓力，滲流模式下側(cè)面及底部為不透水邊界。固定溶洞和隧道洞壁孔隙水壓力為0。

2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)分析結(jié)果，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]確定巖土體及管片物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖土體及管片物理力學(xué)參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

取拱頂、拱底、左右拱腰為特征點(diǎn)進(jìn)行受力分析。在隧道橫截面水平向右為x軸正方向，沿逆時(shí)針方向，0°處為右拱腰，90°處為拱頂，180°處為左拱腰，270°處為拱底。

2.3.1 溶洞頂與基巖面距離對(duì)隧道管片受力的影響

假設(shè)溶洞為圓柱體，固定溶洞直徑D為6.0 m，無(wú)充填，取溶洞頂距基巖面距離d為0.5，1.0，2.0，4.0，8.0 m及無(wú)溶洞6種情況，分析溶洞頂距基巖面距離對(duì)隧道管片受力的影響。

1)管片軸力

特征點(diǎn)處管片軸力及最大軸力見表2。

分析表2可知：隨著d的增大，特征點(diǎn)處管片軸力先增大后減??；d=8.0 m時(shí)特征點(diǎn)處管片軸力及最大軸力接近無(wú)溶洞時(shí)，說(shuō)明d=8.0 m時(shí)隧道管片軸力受溶洞的影響較?。还芷畲筝S力均出現(xiàn)在拱底兩側(cè)1.91 m范圍內(nèi)；溶洞的存在造成了應(yīng)力重分布，改變了管片最大軸力的分布。

表2 特征點(diǎn)處管片軸力及最大軸力

2)管片剪力

特征點(diǎn)處管片剪力及最大剪力見表3。

分析表3可知：隨著d的增大，隧道管片所受剪力總體呈增大趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度逐漸減??；左拱腰管片剪力增長(zhǎng)幅度最小，右拱腰管片剪力增長(zhǎng)幅度最大，說(shuō)明d的變化對(duì)左拱腰管片剪力影響最小，對(duì)右拱腰管片剪力影響最大；d=2.0 m時(shí)拱底左側(cè)0.87 m處管片出現(xiàn)最大剪力4.49×104N；隨著d的增大，管片最大剪力不斷向隧道拱底偏移，且均出現(xiàn)在拱底左側(cè)1.66 m范圍內(nèi)。

表3 特征點(diǎn)處管片剪力及最大剪力

3)管片彎矩

特征點(diǎn)處管片彎矩及最大彎矩見表4。

表4 特征點(diǎn)處管片彎矩及最大彎矩

分析表4可知：隨著d的增大，管片彎矩呈增大趨勢(shì)，且最大彎矩逐漸向拱底靠攏，均出現(xiàn)在拱底左側(cè)1.72 m范圍內(nèi)；d=∞(無(wú)溶洞)時(shí)，拱底左側(cè)0.3 m處管片出現(xiàn)最大彎矩2.95×104N·m；d=8.0 m時(shí)管片彎矩接近無(wú)溶洞時(shí)，可見d越大，對(duì)管片彎矩的影響越??；d=0.5 m時(shí)，拱頂、拱底、左拱腰、右拱腰管片彎矩與無(wú)溶洞時(shí)相比分別降低了45%，64%，83%，92%。

2.3.2 溶洞直徑對(duì)隧道管片受力的影響

假設(shè)溶洞為圓柱體，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況固定溶洞頂與基巖面距離為2.0 m，無(wú)充填，取溶洞直徑D為1.0，2.0，4.0，6.0，8.0，12.0 m 6種情況，分析溶洞直徑對(duì)盾構(gòu)隧道管片受力的影響。

1)管片軸力

特征點(diǎn)處管片軸力及最大軸力見表5。

分析表5可知：溶洞直徑D≤4.0 m時(shí)，特征點(diǎn)處管片軸力波動(dòng)范圍?。籇≥6.0 m時(shí)，同一溶洞直徑下拱底管片軸力大于其他特征點(diǎn)，且變化幅度最小，說(shuō)明D變化對(duì)拱底管片軸力影響最小；D=8.0 m時(shí)特征點(diǎn)處管片軸力變化顯著，說(shuō)明D增至8.0 m時(shí)對(duì)管片軸力影響較大；管片最大軸力均出現(xiàn)在隧道拱底兩側(cè)3.07 m范圍內(nèi)。

表5 特征點(diǎn)處管片軸力及最大軸力

2)管片剪力

特征點(diǎn)處管片剪力及最大剪力見表6。

表6 特征點(diǎn)處管片剪力及最大剪力

分析表6可知：D≤4.0 m時(shí)，各特征點(diǎn)處管片剪力變化幅度<1%，此時(shí)受D變化的影響較小；當(dāng)D>4.0 m時(shí)，隨著D的增大兩側(cè)拱腰管片剪力大幅增長(zhǎng),D從8.0 m增至12.0 m時(shí)左拱腰管片剪力增長(zhǎng)了1.82倍，且該處出現(xiàn)了最大剪力，此時(shí)管片結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)破壞；管片最大剪力均出現(xiàn)在拱底左側(cè)3.09 m范圍內(nèi)。

3)管片彎矩

特征點(diǎn)處管片彎矩及最大彎矩見表7。

表7 特征點(diǎn)處管片彎矩及最大彎矩

分析表7可知：D≤4.0 m時(shí)特征點(diǎn)處管片彎矩變化幅度<1%，管片彎矩受D變化的影響較??；D>4.0 m時(shí)，隨著D的增大拱腰管片彎矩總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，D從8.0增至12.0 m時(shí)，左拱腰管片彎矩增長(zhǎng)了92%；隧道管片最大彎矩均出現(xiàn)在拱底左側(cè)2.86 m范圍內(nèi)。

2.3.3 溶洞充填率對(duì)隧道管片受力的影響

假設(shè)溶洞為圓柱體，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，固定溶洞頂與基巖面距離為2.0 m，溶洞直徑為6.0 m，取溶洞充填率w為0(無(wú)充填)，0.50，0.75，1.00(全充填)4種情況，分析溶洞充填率對(duì)盾構(gòu)隧道管片受力的影響。

1)管片軸力

特征點(diǎn)處管片軸力及最大軸力見表8。

表8 特征點(diǎn)處管片軸力及最大軸力

分析表8可知：當(dāng)w增大時(shí)，隧道拱頂、拱底管片軸力先增大后減小，左右拱腰管片軸力逐漸增大；溶洞充填減少了上覆黏土顆粒的流失，在一定程度上限制了溶隙的發(fā)展，延緩了溶洞頂板的破壞，阻止了土洞的形成，最終影響隧道管片軸向受力狀態(tài)；當(dāng)w從0增至0.50時(shí)特征點(diǎn)處管片軸力增長(zhǎng)幅度<0.6×105N；當(dāng)w從0.75增至1.00時(shí)兩側(cè)拱腰管片軸力分別增大了29%，27%；隨著w的增大，隧道管片最大軸力出現(xiàn)位置由拱腰向拱底移動(dòng)，且均出現(xiàn)在拱底兩側(cè)3.08 m范圍內(nèi)。

2)管片剪力

特征點(diǎn)處管片剪力及最大剪力見表9。

表9 特征點(diǎn)處管片剪力及最大剪力

分析表9可知：隨著w的增大，拱底管片剪力呈增大趨勢(shì)，其他特征點(diǎn)處管片剪力先減小后增大，且管片最大剪力出現(xiàn)位置由拱腰向拱底移動(dòng)，均出現(xiàn)在拱底左側(cè)2.73 m范圍內(nèi)；當(dāng)w從0增至0.50時(shí)拱底管片剪力增大了95%；從0.50增至0.75時(shí)拱頂管片剪力增長(zhǎng)了1.14倍，左右拱腰管片剪力分別減小了49%，74%；w增至1.00時(shí)拱頂、拱底、左右拱腰管片剪力分別增長(zhǎng)了1.30倍、76%、40%、5.65倍。

3)管片彎矩

特征點(diǎn)處管片彎矩及最大彎矩見表10。

表10 特征點(diǎn)處管片彎矩及最大彎矩

分析表10可知：隨著w的增大，隧道管片彎矩總體先減小后增大，管片最大彎矩出現(xiàn)位置由拱腰向拱底移動(dòng)，且均出現(xiàn)在拱底左側(cè)2.73 m范圍內(nèi)；當(dāng)w從0增至0.50時(shí)右拱腰管片彎矩減小了29%；從0.50增至0.75時(shí)拱頂、拱底管片彎矩分別增大了2.17倍、1.88倍，左右拱腰管片彎矩分別減小了69%,80%；充填率從0.75增至1.00時(shí)拱頂、拱底、左右拱腰彎矩分別增長(zhǎng)了1.23倍、1.02倍、1.92倍、8.67倍。

3 結(jié)論

1)隨著溶洞頂與基巖面距離d的增大，管片內(nèi)力總體呈增大趨勢(shì)，且逐漸接近無(wú)溶洞時(shí)的受力；當(dāng)d增大時(shí)，管片最大內(nèi)力出現(xiàn)位置逐漸向拱底移動(dòng)，且均出現(xiàn)在拱底兩側(cè)1.91 m范圍內(nèi)。

2)溶洞直徑D增至8.0 m時(shí)，管片內(nèi)力受溶洞影響較大。當(dāng)D=12.0 m時(shí)，管片最大剪力出現(xiàn)在左側(cè)拱腰，此時(shí)管片可能已經(jīng)破壞。隨著D的增大，管片最大軸力出現(xiàn)位置逐漸向拱底轉(zhuǎn)移，且均出現(xiàn)在隧道拱底兩側(cè)3.07 m范圍內(nèi)。

3)隨著溶洞充填率的增大，隧道管片內(nèi)力總體呈增大趨勢(shì)；溶洞充填減少了上覆黏土顆粒的流失，在一定程度上限制了溶隙的發(fā)展，延緩了溶洞頂板破壞，從而阻止了土洞的形成，最終影響隧道管片受力狀態(tài)。當(dāng)充填率增至1.0時(shí)，管片剪力和彎矩增長(zhǎng)幅度較大，且管片最大內(nèi)力出現(xiàn)位置由拱腰逐漸向拱底移動(dòng)。

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