巖溶區(qū)溶洞分布對盾構隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究

代永文 李建強 梁 杰 向 華 楊 銳

(中國水利水電第七工程局有限公司 四川成都 610213)

1 引言

我國是巖溶分布最廣的國家，近年來隨著城市軌道交通發(fā)展，穿越巖溶地區(qū)的地鐵隧道數(shù)量日益增加。溶洞填充物松軟使地基承載力減小，增加了圍巖不穩(wěn)定因素，甚至會造成盾構沉陷、地表沉降過大等嚴重后果[1]。因此巖溶對地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性的影響不可忽視。

圍巖穩(wěn)定是隧道安全施工的重要基礎，國內外學者針對巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性的研究方法主要有立足于工程經(jīng)驗并結合力學理論的理論分析法[2]、基于假定條件建立相似模型的試驗法[3-4]、通過經(jīng)驗類比和綜合分析建立數(shù)學模型的數(shù)值分析法[5]。相較于理論及模型試驗，數(shù)值模擬具有經(jīng)濟成本低、效率高、可變因素靈活等優(yōu)點。邵勇[6]采用二維數(shù)值分析研究溶洞尺寸、與隧道位置關系等因素對圍巖穩(wěn)定性的影響。謝琪[7]采用三維有限元模擬，針對溶洞數(shù)量及排列方式從盾構隧道開挖引起的位移場、應力場和塑性區(qū)三方面分析圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律。雷金山[8]依托廣州地鐵工程對隧道巖溶集中區(qū)進行三維模擬，分析盾構隧道建設中溶洞大小、位置、形狀及與隧道間距離對圍巖變形規(guī)律的影響。李結全[9]結合南寧地鐵2號線巖溶區(qū)段，建立數(shù)值模型分析盾構隧道施工過程中圍巖位移、應力及地表沉降的變化規(guī)律，提出隧道結構外0.5倍洞徑范圍內的巖溶處治范圍。

上述研究僅在二維條件下分析了巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性問題，或在三維模擬中將溶洞簡化為與隧道等長的空腔，忽略了溶洞的三維尺寸，僅考慮溶洞為空洞狀況。工程實際中大多數(shù)溶洞處于全填充或半填充狀態(tài)，且填充程度、填充物的差異性較大，由此導致數(shù)值模擬結果與實際工程差異較大。本文以南京至句容城際軌道交通工程巖溶集中段為背景，采用三維有限元模擬，考慮盾構機自重以及盾構隧道開挖工序帶來的影響，研究盾構隧道施工過程中充填型溶洞尺寸及溶洞與隧道間距對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響及其規(guī)律。

2 工程概況

南京至句容城際軌道交通工程麒麟鎮(zhèn)-白水橋東站區(qū)間長739.1 m，其隧道埋深范圍為12.9～23.44 m，地面無重要建筑物。選用鐵建重工DZ422復合式土壓平衡盾構機，隧道開挖直徑為6 410 mm。

根據(jù)勘察資料，盾構掘進范圍內地層主要為③-1ab1-2層粉質黏土、T2z-3中風化泥質灰?guī)r(局部破碎)、T2z-3-1中風化泥質灰?guī)r(破碎)及γ-3-1中風化花崗巖(破碎)。區(qū)間在里程K2＋527～K3＋020范圍內穿越中風化泥質灰?guī)r巖溶區(qū)段，圍巖等級以Ⅳ～Ⅴ級為主。區(qū)間內巖溶發(fā)育，鉆孔巖溶遇洞率為86.86%，體積小于50 m3的溶洞占已勘明溶洞數(shù)量的76%，高度在0～3 m內的溶洞占84%，溶洞平均充填率達75%，充填物主要為軟塑～可塑狀黏土及粉質黏土，局部夾泥質灰?guī)r碎塊。區(qū)間內地下水類型主要為孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶裂隙水，且各類型地下水間水力聯(lián)系不密切。

3 數(shù)值模型及工況設定

3.1 模型構建

結合上述工程情況建立三維有限元數(shù)值模型，見圖1。相關理論分析及實踐表明，隧道開挖過程僅對其周圍距離隧道中心3～5倍開挖高度或寬度范圍內的應力應變存在實際影響[10-11]。為減小分析誤差，模型尺寸選擇為:x×y×z＝40 m×42 m×50 m。結合地勘資料，模型地層由上至下依次設置為雜填土(3.4 m)、粉質黏土(7.6 m)和中風化泥質灰?guī)r(39 m)，地層均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。地層及隧道結構物理力學參數(shù)見表1。隧道埋深為21.9 m，隧道內徑為5.5 m，襯砌厚度為0.35 m，注漿層厚度為0.105 m，開挖面直徑為6.41 m，盾構機主機長度為8.4 m。為模擬盾構機主體自重，用相同的盾殼質量替代盾構機主體質量。模型中巖土體、襯砌、注漿層及盾殼均采用C3D8R單元類型。

圖1 底部溶洞與隧道空間關系

表1 各土層及結構物理力學參數(shù)

3.2 開挖工況模擬

以拱底圍巖豎向變形為例，當溶洞尺寸為a×b×c＝4 m×4 m×6 m時，圍巖豎向位移為32.87 mm，相較于溶洞尺寸a×b×c＝2 m×2 m×6 m時的20.49 mm增加60.42%?？梢娙芏闯叽鐚鷰r變形存在影響，即溶洞尺寸越大，拱底圍巖豎向位移也越大，但該影響小于溶洞與隧道距離帶來的影響。

（11）全旗已育成各種樹苗八百五十多畝，營造防風固沙林三千八百畝，在草原上筑成一道道綠色屏障。 （1970·《人民日報》）

我記得近代畫家李苦禪畫過一幅寬368厘米、高580厘米、面積達21平方米的巨作《盛夏圖》。對于這件通幅寫意荷花的作品，媒體這樣推介：“李先生邊畫邊說：‘只有我偉大中華民族之文明才能有這樣偉大的寫意畫藝術，把她拍下來叫后世子孫、叫世界看看！’題之《盛夏圖》則意在企盼我‘華夏’興盛，誠乃苦禪老人一生愛國情懷之表現(xiàn)”。

表2 模型計算工況

隧道施工分18次動態(tài)開挖，每次向前掘進1.2 m，溶洞位于開挖至18 m處。隧道與溶洞剖面見圖2。具體模擬步驟如下:

(1)初始地應力平衡及邊界條件(Step 1):施加相應邊界條件，開挖前先進行已有溶洞地層的巖土體自重應力場計算以達到模型的初始應力平衡。

除了機遇，周邊景區(qū)也對廬山西海的客源市場有較大的競爭力(例如廬山,星子,黃山等具獨特的文化旅游資源的景點)。在全國都在加大旅游開發(fā)的形勢下,廬山西海風景區(qū)還要面臨來自中部地區(qū)旅游景區(qū)的競爭。除此之外，地方保護主義和地域的條塊分割等弊端也會對廬山西海風景區(qū)的客源有一定的分流。

(2)指定開挖位置并設置盾構機(Step 2～3):為防止開挖對邊界條件的影響，從距邊界6 m處開挖，移除相應位置土體，激活注漿層及襯砌，隨后移除與盾構機主機等長的土體，激活盾殼。

經(jīng)計算得知，在3*3式密碼中，折線經(jīng)過的點數(shù)為4時有1624種情況，經(jīng)過的點數(shù)為5有7152種，經(jīng)過的點數(shù)為6有26016種，經(jīng)過的點數(shù)為7有72912種，經(jīng)過的點數(shù)為8和9均有140704種?？傻茫?*3圖形的密碼排列情況共389112種。

圖2 底部溶洞與隧道剖面

4 溶洞分布對圍巖穩(wěn)定性影響分析

根據(jù)溶洞沿Y軸正方向的分布形狀，選取與前文相同情況下溶洞左邊界、中部及右邊界三個斷面對應的圍巖位移進行對比，如圖4所示。

4.1 溶洞存在對圍巖穩(wěn)定性的影響

(1)盾構掘進對圍巖變形的影響

你說說，時為國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技術部主任的鄧永輝會缺錢嗎？肯定不缺！然而，鄧永輝卻以買房缺錢的名義，向北京澤源惠通科技公司老板劉某提出借款300萬元。劉某當然清楚，這是鄧永輝在訛他，明知是個當也得裝憨去上哇，因為他要依靠鄧永輝在國家電網(wǎng)的地位牽線做業(yè)務。因此，劉某先后5次送給鄧永輝362萬元和一套價值34.7萬元的紅木家具。

選取溶洞左邊界對應的關鍵圍巖節(jié)點(隧道拱底、左拱腰、拱頂)及相應位移，分析有無溶洞情況下圍巖位移隨加載步的變化規(guī)律，即隧道底部溶洞存在(溶洞尺寸a×b×c＝4 m×4 m×6 m，與隧道距離d＝1 m)對圍巖穩(wěn)定性的影響，見圖3。

圖3 溶洞左邊界對應圍巖變形隨加載步變化曲線

由圖3a可知，拱底圍巖豎向位移受溶洞的影響大且其數(shù)值變化和盾構掘進過程有關。根據(jù)盾構機主體與溶洞的相對位置，可將盾構推進過程分為4階段:①盾構機未推至溶洞，溶洞對拱底圍巖豎向位移影響較小；②盾構機主體經(jīng)過溶洞，隧道所處巖體質量(74.23 t/m)部分被盾構機主體質量(37.43 t/m)取代，溶洞存在使拱底圍巖豎向位移增加；③盾構主體經(jīng)過溶洞，襯砌和注漿層施加，隧道所處盾構機主體質量被襯砌和注漿層質量(9.48 t/m)取代，溶洞存在使拱底圍巖豎向位移顯著增加(從3.14 mm提高為19.18 mm)，對圍巖穩(wěn)定性的影響最大；④盾構主體完全離開溶洞，拱底圍巖豎向變形趨于穩(wěn)定。

圖3b、圖3c中左拱腰圍巖水平位移及拱頂圍巖豎向位移隨盾構掘進過程呈相同變化規(guī)律，但溶洞存在對其影響較小，減小幅度分別為21.3%及6.6%。

(2)溶洞尺寸對隧道圍巖變形的影響

(3)開挖模擬(Step 4～21):模擬盾構機主體沿y軸正方向推進過程，每推進一環(huán)移除相應土體單元，激活盾殼單元，移除位于盾尾的盾殼單元并激活該處的襯砌層及注漿層，推進過程中保持已激活的盾殼單元長度8.4 m不變。

(2)溶洞縱向尺寸對圍巖變形的影響

盾構掘進過程中圍巖穩(wěn)定性分析主要從圍巖強度、變形量、變形速率及圍巖塑性區(qū)四個方面考慮。其中圍巖位移是圍巖力學形態(tài)變化和圍巖穩(wěn)定性的最直接體現(xiàn)，本文就溶洞分布對圍巖變形的影響規(guī)律作詳細分析[12]。

圖4 不同斷面對應拱底圍巖位移隨加載步變化曲線

由圖4可知，當盾構機主體離開相應測量點后，其拱底圍巖豎向變形便趨于穩(wěn)定，此時溶洞中心對應處圍巖豎向位移最大，溶洞左邊界次之。由此可得溶洞縱向尺寸對圍巖的影響不可忽略，盾構掘進過程中，隧道底部溶洞對圍巖穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為溶洞中心對應處拱底圍巖的豎向變形增加，即底鼓現(xiàn)象更明顯。

4.2 溶洞與隧道距離及尺寸對圍巖穩(wěn)定性的影響

(1)溶洞與隧道距離對隧道圍巖變形的影響

保持溶洞尺寸不變，改變溶洞與隧道間距離(d＝1～6 m)，研究此間距對圍巖變形的影響。圖5～圖7為溶洞中心對應的圍巖變形情況。

圖5 溶洞與隧道間距離對拱底圍巖變形的影響

圖6 溶洞與隧道間距離對左拱腰圍巖變形的影響

圖7 溶洞與隧道間距離對拱頂圍巖變形的影響

從圖5a可見，當距離d＝1 m時，拱底圍巖豎向位移為32.87 mm，相較于無溶洞時的位移3.09 mm增加了963.75%；當距離d＝5 m時影響較小。將其關系繪制成圖5b，隨著溶洞距離隧道越近，拱底圍巖變形增加。

圖6中，針對左拱腰圍巖水平位移，當距離d＝1 m時其數(shù)值為2.22 mm，相較于無溶洞時的位移2.84 mm減小21.83%；當距離d＝2.5 m時影響較小。即溶洞距隧道越近，隧道拱腰圍巖變形越小。

從圖7可知，當距離d＝1 m時，拱頂圍巖豎向位移為-3.71 mm，相較于無溶洞時的位移-3.92 mm減小5.36%；當距離d＝1.5 m時影響較小。即溶洞與隧道間距離減小，隧道拱頂圍巖變形也隨之減小。

綜上，隧道底部溶洞存在將增加拱底圍巖豎向位移，減小拱腰水平位移和拱頂豎向位移。隧道底部溶洞對圍巖各部位的位移影響程度排序為:拱底＞拱腰＞拱頂。

保持溶洞與隧道間距離不變，研究溶洞尺寸對圍巖變形的影響。圖8為溶洞中心對應處各圍巖節(jié)點變形情況。

盾構隧道開挖過程中，針對溶洞尺寸及與隧道間距離對圍巖穩(wěn)定性的影響進行模擬，見表2。本工程中已勘明溶洞的平均充填率為75%，故模型中采用“空場力學模型”簡化溶洞，并對填充物密度及彈性模量折減25%模擬充填率的影響。本文主要研究隧道下方溶洞對圍巖穩(wěn)定性的影響。

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圖8 溶洞尺寸對圍巖變形的影響

溶洞尺寸對拱腰及拱頂圍巖變形呈現(xiàn)出相同的影響規(guī)律，當溶洞尺寸增加，拱腰圍巖水平位移量減小，拱頂圍巖豎向位移量也隨之減小。

5 結論

本文從盾構隧道圍巖穩(wěn)定性問題出發(fā)，結合實際工程，從圍巖變形方面對比分析充填型溶洞尺寸以及溶洞與隧道間距離對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律并得出以下結論:

(1)隧道底部溶洞的存在對圍巖變形存在影響，拱底圍巖的豎向位移受其影響較大，拱腰和拱頂次之，且圍巖變形與盾構隧道掘進過程相關。

(2)溶洞縱向尺寸對圍巖變形存在影響，表現(xiàn)為溶洞中部對應圍巖豎向位移大于溶洞兩側。

（2）非心理詞典通路。根據(jù)形、音對應規(guī)則朗讀者接受書面的文字視覺刺激直接獲得語音，并直接將語音輸送至語音緩沖器。這一通路完全不需要心理詞典的信息，借助拼音文字所特有的形——音對應規(guī)則就可以獲得書面刺激的語音（畢鴻燕、翁旭初，2006）。

(3)隨溶洞與隧道間距離減小，拱底圍巖豎向位移增加，拱腰圍巖水平位移減小，拱頂圍巖豎向位移減小，在一定范圍內，圍巖變形與距離呈較好的線性關系。

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(4)隨溶洞尺寸增加，拱底圍巖豎向位移增加，拱腰圍巖水平位移減小，拱頂圍巖豎向位移減小。溶洞尺寸對圍巖穩(wěn)定性的影響小于溶洞與隧道間距離的影響。