盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程中溶洞對(duì) 圍巖變形影響的數(shù)值模擬

王生武 李碩

摘 要：針對(duì)大連地鐵 5 號(hào)線某巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)段盾構(gòu)隧道開(kāi)挖，運(yùn)用 ABAQUS 軟件建立三維數(shù)值計(jì)算模型，分析盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中不同方位的溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明：溶洞的存在對(duì)隧道圍巖變形影響顯著，隧道圍巖有向溶洞存在方位傾斜的趨勢(shì);隧道開(kāi)挖完成后，塑性區(qū)隧道與上部、側(cè)部溶洞圍巖未貫穿，下部溶洞產(chǎn)生貫穿塑性區(qū)，為掘進(jìn)過(guò)程中的最危險(xiǎn)部位。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu)隧道;溶洞;圍巖變形;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U451.1

盾構(gòu)法作為安全、環(huán)保、快速的建設(shè)手段，在地鐵隧道修建中得到了廣泛應(yīng)用[1]。同時(shí)，在巖溶發(fā)育區(qū)開(kāi)展盾構(gòu)施工已是難以避免的工程難題，溶洞使隧道開(kāi)挖過(guò)程易發(fā)生盾構(gòu)機(jī)偏頭、栽頭，甚至圍巖坍塌。溶洞的處理對(duì)隧道工程的施工進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)成本、人生安全影響巨大。

近幾年，關(guān)于溶洞對(duì)隧道施工的影響有關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始了一定的仿真研究。如，宋戰(zhàn)平等[2-5]研究了溶洞的不同分布位置、溶洞的尺寸大小及隧洞凈距對(duì)隧道施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。賴永標(biāo)等[6-9]以隧洞間巖層塑性區(qū)貫穿及突變?cè)頌槠茐囊罁?jù)，通過(guò)圍巖參數(shù)等級(jí)、溶洞尺寸、隧道埋深等影響因素，建立了智能預(yù)測(cè)模型對(duì)溶洞與隧道間的安全距離開(kāi)展了研究，并將模擬結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際工程中。但是，現(xiàn)有的研究大多針對(duì)隧道開(kāi)挖完成后進(jìn)行數(shù)值模擬，而關(guān)于在開(kāi)挖過(guò)程中溶洞對(duì)盾構(gòu)隧道圍巖變形影響的研究甚少。開(kāi)挖完成后的變形與開(kāi)挖過(guò)程中局部區(qū)域的變形之間存在一定的甚至比較明顯的區(qū)別，盾構(gòu)機(jī)偏頭、栽頭現(xiàn)象易發(fā)生在隧道開(kāi)挖過(guò)程中。本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同分布位置的溶洞對(duì)盾構(gòu)隧道圍巖變形影響規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

大連地鐵5號(hào)線工程線路全長(zhǎng)23.8km，設(shè)車(chē)站18座，全線采用地下線敷設(shè)，本文對(duì)泉水東站—前鹽站區(qū)間盾構(gòu)施工進(jìn)行模擬。泉前區(qū)間設(shè)計(jì)范圍里程為K19 + 803.339～K20 + 607.607，右線長(zhǎng)804.268m，左線長(zhǎng)813.947m，隧道埋深17.2～23.6m。

隧道穿過(guò)中風(fēng)化頁(yè)巖、中風(fēng)化石灰?guī)r，其中，中風(fēng)化頁(yè)巖巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育嚴(yán)重，中風(fēng)化石灰?guī)r巖體破碎～較破碎。石灰?guī)r為可溶巖，溶隙、溶溝發(fā)

育[10-11]。勘察各鉆孔內(nèi)均揭示石灰?guī)r，其中有27個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)有溶洞，溶洞發(fā)育不規(guī)律，洞高0.30～19.50m，洞頂埋深1.80～37.70 m，洞頂標(biāo)高-5.90～28.80m，洞底標(biāo)高-15.40～25.10 m。場(chǎng)地可溶巖區(qū)鉆孔見(jiàn)洞隙率為41.5%，線巖溶率4.8%，巖溶發(fā)育等級(jí)為強(qiáng)烈發(fā)育。

2 盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬

2.1 模型建立

理論與實(shí)踐表明，地下洞室開(kāi)挖后，應(yīng)力應(yīng)變僅在洞室周?chē)嚯x洞室中心點(diǎn)3～5倍開(kāi)挖高度或?qū)挾鹊姆秶鷥?nèi)存在實(shí)際影響[12]，根據(jù)隧道埋深18 m，隧道外徑6.48 m，采用ABAQUS有限元軟件建立模型外部尺寸66 m×60 m×60 m（寬度方向X×隧道長(zhǎng)度方向Y×埋深方向Z），巖土體分3層，分別是3.4 m、3.1 m、53.5 m。

模型共建有巖土體、盾構(gòu)機(jī)殼、襯砌管片、注漿漿體等4個(gè)部件，盾殼外徑6.48 m，厚度0.2 m，長(zhǎng)度8.4m;襯砌外徑3.1 m，厚度0.35 m;注漿漿體等代層外徑3.24 m，厚度0.14 m。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地質(zhì)資料，在隧道上方、下方、側(cè)方各設(shè)有1個(gè)直徑3 m、長(zhǎng)6 m的圓柱形溶洞，與隧道凈距均為2 m。上部溶洞位于Y = 12～18m（Y表示隧道長(zhǎng)度方向），側(cè)部溶洞位于Y = 24～30 m，下部溶洞位于Y = 36～42m。隧道與溶洞空間的相對(duì)位置如圖1所示。

巖土體采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體完全積分單元（C3D8），對(duì)于隧道圍巖及溶洞周?chē)鷧^(qū)域加密網(wǎng)格，最小單元邊長(zhǎng)為0.375 m。盾構(gòu)機(jī)殼單元采用四節(jié)點(diǎn)曲面通用殼（S4）。注漿等代層、襯砌管片采用更適合于環(huán)狀的八節(jié)點(diǎn)線性六面體非協(xié)調(diào)單元（C3D8I）。模型共劃分單元87100個(gè)。邊界約束為，上頂面自由邊界，下底面施加Z向約束，左右兩側(cè)面施加X(jué)向約束，前后面施加Y向約束。有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 巖土及盾構(gòu)機(jī)材料參數(shù)選取

Komiya[13]提出用圓筒形殼體模擬盾殼，將材料彈性模型取10倍鋼材的彈性模量來(lái)等效考慮盾構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的增強(qiáng)作用，注漿等代層彈性模量4MPa[14]。本文選取材料參數(shù)[15-17]如表1所示。

2.3 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)模擬

選取實(shí)際盾構(gòu)管片寬度1.2 m為一次掘進(jìn)步長(zhǎng)，進(jìn)行58次掘進(jìn)模擬。掘進(jìn)50次刀盤(pán)到達(dá)邊界，57次盾構(gòu)機(jī)殼完全離開(kāi)巖體，掘進(jìn)58次注漿完成。

（1）初始地應(yīng)力平衡模擬。隧道開(kāi)挖前，先進(jìn)行己有溶洞地層的巖土體自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算[18-20]，以達(dá)到含巖溶地層的初始位移平衡。

（2）進(jìn)行開(kāi)挖模擬。采用生死單元法，殺死掌子面前方土體，激活盾構(gòu)機(jī)殼，施加掌子面壓力;前方激活，后方殺死，保持機(jī)殼8.4 m。

（3）支護(hù)及同步注漿。激活襯砌和注漿等代層單元，模擬盾構(gòu)機(jī)的同步注漿。

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖變形分析

圖3給出了有、無(wú)溶洞工況下，盾構(gòu)掘進(jìn)26.4 m（開(kāi)挖22次）時(shí)，Y = 27.6 m橫斷面上隧道圍巖水平側(cè)移云圖。由圖3可見(jiàn)，在無(wú)溶洞情況下，隧道圍巖水平側(cè)移呈對(duì)稱分布，最大水平側(cè)移位置在隧道側(cè)拱處;存在側(cè)部溶洞時(shí)，隧洞圍巖靠近溶洞側(cè)出現(xiàn)更大水平側(cè)移區(qū)域，隧道向溶洞側(cè)傾斜;側(cè)部溶洞左腰拱處水平側(cè)移1.9mm，較無(wú)溶洞時(shí)增加了48%。

圖4給出了盾構(gòu)掘進(jìn)37.2 m（開(kāi)挖31次）時(shí)隧道圍巖沉降云圖。由圖4可見(jiàn)，存在下部溶洞時(shí)，位于刀盤(pán)底部A點(diǎn)沉降5.5 mm，無(wú)溶洞時(shí)沉降3.5 mm，增加了2.0 mm;受下部溶洞影響，掌子面前方巖體向下移動(dòng)區(qū)域范圍增加，盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生栽頭趨勢(shì)。

圖5給出了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖完成后隧道圍巖整體沉降云圖。由圖5可見(jiàn)，有、無(wú)溶洞2種情況最大沉降值均為15.8 mm;有溶洞時(shí)最大隆起值23.9 mm，較無(wú)溶洞時(shí)減小0.1 mm。可見(jiàn)，溶洞對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖完成后最大沉降和隆起值影響較小，上部溶洞對(duì)沉降產(chǎn)生比較明顯的屏蔽作用，而下溶洞對(duì)隧道仰拱隆起產(chǎn)生了一定的屏蔽作用;沿隧道長(zhǎng)度上沉降的差異是由于掌子面推力造成。

3.2 典型部位沉降分析

圖6給出了Y = 15.6 m橫斷面位置的隧道拱頂點(diǎn)（位于上部溶洞的正下方），在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的沉降曲線。為排除邊界效應(yīng)影響，取掘進(jìn)距離8.4m，即以盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入巖土體為開(kāi)始，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)60m為結(jié)束。在整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程中，無(wú)溶洞時(shí)拱頂點(diǎn)的沉降較有上部溶洞時(shí)更大，這是由于上部溶洞的屏蔽作用所致。在掘進(jìn)到13.2m時(shí)，受掌子面推力影響，隧道拱頂點(diǎn)有輕微上抬趨勢(shì)。由于盾構(gòu)機(jī)殼及刀盤(pán)重力影響，從14.4 m掘進(jìn)到15.6 m時(shí)隧道拱頂點(diǎn)沉降顯著增加;從15.6 m到掘進(jìn)24 m時(shí)，沉降基本保持不變，此時(shí)處于盾構(gòu)機(jī)殼掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)殼剛度大不易變形，產(chǎn)生了盾構(gòu)殼長(zhǎng)度8.4 m的穩(wěn)定階段;當(dāng)掘進(jìn)到25.2 m時(shí)，拱頂點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)于盾尾空隙，從而使得沉降迅速增大，有上溶洞時(shí)沉降15.4 mm，無(wú)溶洞時(shí)沉降17.3 mm。此后，由于同步注漿作用，拱頂點(diǎn)沉降值減小5%。

圖7給出了Y = 39.6 m橫斷面位置的隧道拱底點(diǎn)（位于下部溶洞的正上方），在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的沉降曲線。在掘進(jìn)過(guò)程中，下部溶洞減小了隧道拱底點(diǎn)的隆起。在掘進(jìn)到37.2 m時(shí)，受刀盤(pán)推力和重力影響，隧道拱底點(diǎn)沉降最大，有下部溶洞時(shí)沉降6.0 mm，無(wú)溶洞時(shí)沉降4.9 mm;由于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的遠(yuǎn)離，從掘進(jìn)38.4 m到39.6 m時(shí)，隧道拱底點(diǎn)沉降有所減小;掘進(jìn)48 m到49.2 m時(shí)，拱底點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)于盾尾空隙，從而使得隆起迅速增大，有底部溶洞時(shí)隆起增加至13.6 mm，較無(wú)溶洞時(shí)隆起18.9 mm減小28%。

開(kāi)挖完成后，在隧道全長(zhǎng)度范圍，對(duì)隧道拱頂和隧道拱底位置的沉降變化進(jìn)行了分析。

圖8給出了隧道拱頂沉降與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。為減少邊界效應(yīng)影響，隧道長(zhǎng)度取10.8 m到50.4 m。隧道長(zhǎng)度10～20 m范圍，由于上部溶洞屏蔽作用的影響，沉降有所減小;在隧道長(zhǎng)度14.4 m，有溶洞時(shí)拱頂沉降12.9 mm，較無(wú)溶洞時(shí)沉降14.5 mm減小了11%;隧道長(zhǎng)度20～30 m范圍，側(cè)部溶洞使隧道圍巖豎向剛度減小，有溶洞時(shí)隧道拱頂沉降較無(wú)溶洞時(shí)有所增加;隧道長(zhǎng)度30～50 m范圍，由于下部溶洞存在，相當(dāng)于增加了隧道高度，隧道圍巖橫向剛度減小，受?chē)鷰r擠壓，拱頂沉降有所減小。

圖9給出了隧道拱底沉降與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。隧道長(zhǎng)度10～20 m范圍，上部溶洞使隧道圍巖橫向剛度減小，受?chē)鷰r擠壓作用，拱底隆起有所減小;隧道長(zhǎng)度20～33 m范圍，由于側(cè)部溶洞存在，隧道豎向剛度減小，隆起較無(wú)溶洞時(shí)有所增加;隧道長(zhǎng)度33～43 m范圍，由于下部溶洞存在，隧道圍巖產(chǎn)生塑性變形，隆起值18.9 mm，較無(wú)溶洞時(shí)下沉了4.2 mm。

3.3 圍巖塑性變形分析

圖10給出了盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，隧道圍巖橫斷面塑性應(yīng)變?cè)茍D，由圖10可見(jiàn)，隧道周?chē)捎谡谱用嫱屏_動(dòng)，產(chǎn)生了環(huán)狀塑性變形區(qū)，溶洞位于隧道上部、側(cè)部、下部3種情況均在隧道拱底產(chǎn)生最大塑性應(yīng)變。上部溶洞存在時(shí)，最大塑性應(yīng)變值0.027，側(cè)部溶洞存在時(shí)，最大塑性應(yīng)變值為0.025。這表明，溶洞靠近隧道側(cè)腰拱處塑性應(yīng)變較大，但隧洞圍巖塑性區(qū)域并未貫穿;下部溶洞存在時(shí)，最大塑性應(yīng)變值為0.022，表明溶洞拱頂產(chǎn)生明顯塑性變形，溶洞頂板產(chǎn)生貫穿塑性區(qū)。

圖11 給出了隧道圍巖縱斷面塑性應(yīng)變?cè)茍D，由圖11可見(jiàn)，隧道拱底靠近下部溶洞邊界處產(chǎn)生明顯塑性變形，最大塑性應(yīng)變值為0.027。這表明，溶洞靠近開(kāi)挖側(cè)的邊界最易產(chǎn)生貫通塑性區(qū)，為最危險(xiǎn)部位，因此，在盾構(gòu)開(kāi)挖臨近下部溶洞邊界時(shí)應(yīng)加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止盾構(gòu)機(jī)發(fā)生載頭現(xiàn)象。

4 結(jié)論及建議

（1）受溶洞影響，開(kāi)挖過(guò)程中隧道圍巖向溶洞存在方位傾斜。側(cè)溶洞靠近隧道側(cè)腰拱部位較無(wú)溶洞情況下水平側(cè)移增加48%。掘進(jìn)時(shí)，隧道下部的溶洞會(huì)使盾構(gòu)機(jī)掌子面有向下栽頭趨勢(shì)，掘進(jìn)完成后，上部溶洞對(duì)圍巖沉降產(chǎn)生屏蔽作用。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，受掌子面推力影響，仰拱點(diǎn)發(fā)生輕微上抬，底部輕微下沉;由于盾殼剛度大，圍巖位移基本不變;受盾尾空隙影響，圍巖頂、底均向隧道中心收斂;注漿加襯砌使圍巖頂?shù)资諗口厔?shì)減小，盾尾空隙對(duì)圍巖最終的位移變化具有較大的影響，實(shí)際施工應(yīng)加強(qiáng)同步注漿的質(zhì)量監(jiān)控。

（3）隧道拱頂、底沉降曲線表明，開(kāi)挖完成后，上部溶洞的屏蔽作用使隧道頂部圍巖沉降有所減小;側(cè)溶洞存在使隧道豎向剛度減小，隧道頂?shù)紫蛑行氖諗?下部溶洞使隧道底部圍巖沉降發(fā)生明顯塑性變形，多下沉了4.2 mm。

（4）盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，隧道周?chē)捎诙軜?gòu)機(jī)刀盤(pán)推力擾動(dòng)，產(chǎn)生了環(huán)狀塑性區(qū)。存在上部溶洞時(shí)，溶洞腰拱部位產(chǎn)生輕微塑性變形;有側(cè)部溶洞時(shí)，溶洞靠近隧道側(cè)圍巖出現(xiàn)明顯塑性區(qū)，但塑性區(qū)并未貫穿;有下部溶洞時(shí)，溶洞頂部產(chǎn)生明顯塑性變形，隧洞圍巖產(chǎn)生貫穿塑性區(qū)，下部溶洞最易出現(xiàn)圍巖坍塌，為危險(xiǎn)部位，建議把底部、側(cè)部溶洞作為優(yōu)先處理對(duì)象。

參考文獻(xiàn)

[1]何川，封坤，方勇.盾構(gòu)法修建地鐵隧道的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，2（1）.

[2]宋戰(zhàn)平.溶洞對(duì)隧道圍巖–支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（6）.

[3]宋戰(zhàn)平， 綦彥波， 李寧. 頂部既有溶洞對(duì)圓形隧道穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2007（增）.

[4]譚代明，漆泰岳，莫陽(yáng)春. 側(cè)部巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析與研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009（9）.

[5]李培楠，劉俊，蘇鋒. 溶洞對(duì)地鐵隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].路基工程，2013（4）.

[6]雷金山. 廣州地鐵隱伏型巖溶地基穩(wěn)定性分析及充填處理技術(shù)研究[D].湖南長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014.

[7]賴永標(biāo). 溶洞與隧道間安全距離及其智能預(yù)測(cè)模型研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[8]曹茜. 巖溶隧道與溶洞的安全距離研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[9]謝琪. 盾構(gòu)隧道與溶洞安全距離及溶洞處治技術(shù)研究[D].廣西南寧：廣西大學(xué)，2017.

[10] 李鴻博，賈峰，李靖，等. 大連地鐵 5 號(hào)線跨海隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J].巖土力學(xué)，2017（6）.

[11] 周華貴，何一韜. 海底巖溶盾構(gòu)隧道勘察、設(shè)計(jì)及巖溶處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)，2018，38（11）.

[12] 余樂(lè). 盾構(gòu)下穿拱橋數(shù)值模擬及安全措施研究[D].四川成都：西南交通大學(xué)，2018.

[13] DoNA，DiasD，OresteP，etal. Three-dimensional numerical simulation of a mechanized twin tunnels in soft ground[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)A輯（應(yīng)用物理與工程）（英文版），2014，15（11）.

[14] 張?jiān)疲笞跐?，徐永? 盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（3）.

[15] 賈善坡，陳衛(wèi)忠，楊建平. 基于修正 Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型及其數(shù)值實(shí)施[J].巖土力學(xué)，2010（7）.

[16] 沈珠江. 關(guān)于破壞準(zhǔn)則和屈服函數(shù)的總結(jié)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1995（1）.

[17] 沈珠江. 幾種屈服函數(shù)的比較[J]. 巖土力學(xué)，1993（1）.

[18] 代汝林，李忠芳. 基于ABAQUS的初始地應(yīng)力平衡方法研究[J]. 重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（9）.

收稿日期 2019-01-16

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Numerical simulation of influence of karst tunnel on deformation of surrounding rock in shield tunneling

Wang Shengwu， Li Shuo

Abstract： In view of shield tunneling in a serious karst developed section of Dalian metro line 5， a three-dimensional numerical calculation model is established by using ABAQUS software， and this paper analyzes the influence patterns of different directions of the karst caves on the tunnel surrounding rock deformation in the process of shield tunneling. The results show that the karst caves have significant influence on the tunnel surrounding rock deformation， and the tunnel surrounding rock has the trend of inclining to the karst caves. The most dangerous part in the tunneling process is when the tunnel is through， the tunnel in the plastic area is not through the surrounding rock of the upper and side karst caves， and the lower karst cave is through into the plastic area.

Keywords： subway， shield tunnel， karst cave， surrounding rock deformation， numerical simulation