不同方位溶洞對(duì)盾構(gòu)施工隧道位移影響研究

許 坤，曾林瑤，張文豪，劉思楠，李明卓，謝建斌，3*

(1.云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，昆明 650500； 2.云南大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，昆明 650500； 3.昆明軍龍巖土工程有限公司， 昆明 650500)

近年來(lái)，我國(guó)地鐵建設(shè)取得快速發(fā)展，盾構(gòu)法作為隧道開挖最常用的方法，具有掘進(jìn)速度快、施工勞動(dòng)強(qiáng)度低、對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵建設(shè)中被廣泛應(yīng)用.我國(guó)巖溶分布廣泛，不良巖溶發(fā)育區(qū)眾多，盾構(gòu)開挖不可避免的將穿越這一特殊地層.溶洞存在嚴(yán)重影響隧道穩(wěn)定性，其對(duì)施工安全的影響也成為了諸多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn).

巖溶處理方面，李治國(guó)[1]依據(jù)國(guó)內(nèi)外巖溶隧道施工經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常見(jiàn)的安全問(wèn)題，提出以疏為主、堵排結(jié)合的巖溶水處置原則.盾構(gòu)技術(shù)方面，嚴(yán)曉周[2]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)選擇全斷面滾刀型刀具及超前加固處理，可有效保障巖溶區(qū)盾構(gòu)機(jī)平穩(wěn)推進(jìn).謝鴻輝[3]通過(guò)對(duì)盾構(gòu)施工前處理以及盾構(gòu)過(guò)程中掘進(jìn)速度、注漿工藝、管片拼裝等進(jìn)行研究，為實(shí)際工程提供了參考.郭森華等[4]通過(guò)泥水平衡和土壓平衡兩種盾構(gòu)施工狀態(tài)的模擬，發(fā)現(xiàn)雙模式盾構(gòu)在復(fù)雜地層及江河地區(qū)更為安全、高效.數(shù)值模擬作為巖溶區(qū)隧道常用的研究方法，周輪[5]總結(jié)得出不同溶洞形態(tài)對(duì)隧道圍巖位移變化的影響規(guī)律，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出隧道周圍隱伏溶洞預(yù)測(cè)方法.烏健[6]通過(guò)模擬巖溶區(qū)隧道施工，分析了隧道不均勻沉降原因，并總結(jié)出巖溶區(qū)盾構(gòu)時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化規(guī)律.師海等[7]基于突變理論，研究得出不同尺寸溶洞與掌子面斜交和正交空間狀態(tài)下的安全距離計(jì)算公式.雷金山[8]依托實(shí)際工程，探討了不同大小溶洞對(duì)巖溶地基以及地表沉降的影響.郭明[9]基于多耦合場(chǎng)模擬軟件，建立不同隱伏溶洞狀態(tài)工況下隧道模型，從滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)三個(gè)方面來(lái)分析了圍巖水平、溶隧間距離、水壓、溶洞大小以及溶洞方位對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響.此外，郭而東[10]，高壇等[11]，呂璽琳等[12]均對(duì)巖溶區(qū)盾構(gòu)施工過(guò)程圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了相應(yīng)研究.

巖溶地基影響因素眾多，盾構(gòu)施工擾動(dòng)機(jī)理復(fù)雜，相關(guān)研究有待深入.基于此，本文以昆明軌道交通4號(hào)線為工程背景，通過(guò)Midas GTS NX建立有限元模型，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)定性定量分析，探討了巖溶區(qū)隧道盾構(gòu)施工過(guò)程中，不同方位及尺寸溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響.

1 工程概況

昆明地鐵4號(hào)線全長(zhǎng)43.4 km，從昆明西北的五華區(qū)普吉陳家營(yíng)到昆明火車南站，途經(jīng)高新、五華、盤龍、官渡、經(jīng)開，再到呈貢，線路走向及工程分布見(jiàn)圖1，圍巖等級(jí)以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主，沿線可溶巖段落長(zhǎng)度總計(jì)3 690.00 m，多為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r及白云巖等覆蓋型可溶巖，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，勘探中203個(gè)探孔有27個(gè)遇溶洞，鉆孔見(jiàn)洞率達(dá)13.30%，線路內(nèi)溶洞大多呈全填充狀，溶洞(隙)洞頂面埋深22.1～77.3 m，洞高為0.4～8.8 m，溶洞大小不一，發(fā)育不規(guī)律.線路內(nèi)，金鼎山站-蘇家塘站區(qū)間、蘇家塘車站、蘇家塘站-小菜園站區(qū)間、聯(lián)大街站-呈貢東站區(qū)間巖溶中等-強(qiáng)烈發(fā)育，溶洞及溶蝕破碎帶十分發(fā)育，具體參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 線路走向及工點(diǎn)分布圖

表1 巖溶中強(qiáng)發(fā)育區(qū)間參數(shù)表

2 計(jì)算模型

2.1 模型概況

隧道模型如圖2(A)所示，模型尺寸：X×Y×Z=80 m×48 m×80 m,隧道埋深40 m,開挖面直徑6.4 m，隧道管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，寬1.2 m，盾殼及襯砌厚度均為0.1 m.溶洞為硬塑狀黏土全填充正方體，分別位于隧道上方、下方、右側(cè)3 m處，邊長(zhǎng)依次取2、4、6、8、10 m，其空間示意圖見(jiàn)圖2.圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，圍巖及填充黏土側(cè)壓力系數(shù)k0取0.6，模型中各類單元參數(shù)見(jiàn)表2.建模時(shí)管片、盾殼及注漿層采用線彈性本構(gòu)， 圍巖選用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)，單元方面，盾殼及注漿層采用三維殼單元，圍巖采用三維實(shí)體單元.

表2 各材料物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 三維網(wǎng)格劃分圖

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)模擬

模型盾構(gòu)施工共分26步進(jìn)行，每次向前掘進(jìn)2.4 m(2個(gè)管片寬度)，具體施工步驟模擬如下，圖3為隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中圍巖壓力變化圖.

圖3 盾構(gòu)施工過(guò)程圍巖壓力圖

1)邊界條件設(shè)置：盾構(gòu)開挖模擬前，為初始應(yīng)力場(chǎng)平衡，在模型底部施加豎向約束，在模型四周施加水平約束并對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算.

2)開挖模擬：隧道開土體開挖沿Y軸正方向進(jìn)行，每一施工步掘進(jìn)2.4 m，共 26步.

3)初期支護(hù)及壁后注漿：每二環(huán)土體開挖后，進(jìn)行管片拼裝，隨后撤出盾殼，立即進(jìn)行壁后注漿.

3 結(jié)果及分析

3.1 位移變化規(guī)律

在進(jìn)行位移分析前，首先對(duì)巖溶區(qū)圍巖位移機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹.一方面，實(shí)際工程中，溶洞填充物以硬塑狀黏土為主，彈性模量遠(yuǎn)低于圍巖，溶洞的存在對(duì)隧道圍巖剛度起削弱作用，穩(wěn)定性顯著下降，進(jìn)而存在圍巖結(jié)構(gòu)破壞，位移增大的可能；另一方面，溶洞本身存在的屏蔽作用使得圍巖內(nèi)部應(yīng)力減小，相較于無(wú)溶洞工況，位移將隨之減少.因此各類工況下，上述二類位移變化量的比較將直接決定隧道圍巖位移的變化[13].圖4為無(wú)溶洞工況下盾構(gòu)施工完成后，隧道模型整體位移云圖，可以看出，隧道拱頂發(fā)生沉降，拱底隆起，拱腰處基本無(wú)豎向位移，水平方向上，拱腰處位移最大，拱頂、拱底位移較小可忽略不計(jì).以下分別對(duì)各類工況拱頂、拱底豎向位移，拱腰處水平位移進(jìn)行分析.

圖4 無(wú)溶洞工況下模型位移云圖

圖5為各類工況下，盾構(gòu)施工過(guò)程中隧道拱頂豎向位移變化曲線.可以看出溶洞的尺寸及空間方位對(duì)盾構(gòu)施工時(shí)隧道圍巖穩(wěn)定性影響巨大.其中上部溶洞對(duì)拱頂位移影響最為明顯，側(cè)部溶洞次之，下部溶洞最小.無(wú)溶洞時(shí)，拱頂發(fā)生沉降，達(dá)3.41 mm.溶洞位于隧道上方及下方時(shí)，沉降相對(duì)減小，且隨著溶洞尺寸的增大，減少量不斷增加，溶洞位于隧道側(cè)部時(shí)，沉降則隨溶洞尺寸的增大不斷增加.當(dāng)溶洞尺寸較小時(shí)，拱頂位移無(wú)明顯變化，值得注意的，當(dāng)上部溶洞尺寸達(dá)8 m時(shí)，拱頂發(fā)生隆起，說(shuō)明在掘進(jìn)壓力作用下，隧道頂板圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，產(chǎn)生了向上位移.當(dāng)溶洞尺寸達(dá)10 m時(shí)，上方及下方的溶洞使得拱頂沉降分別減少了3.31、1.06 mm，側(cè)部溶洞使得拱頂沉降增加了2.59 mm.圖6展示了隧道拱底的位移變化.可以看到溶洞位于下方時(shí)對(duì)拱底隆起影響最為明顯，側(cè)部次之，上部最小.無(wú)溶洞工況盾構(gòu)施工時(shí)，隧道拱底隆起3.58 mm，略大于拱頂沉降.上部及下部溶洞對(duì)拱底隆起明顯的屏蔽作用，隨著尺寸的增大，拱底位移逐漸減少，溶洞尺寸達(dá)10 m時(shí)，拱底位移分別減少了0.90、9.98 mm.當(dāng)溶洞位于隧道側(cè)部時(shí)，拱底則因圍巖剛度降低，隆起隨溶洞尺寸不斷增大，溶洞達(dá)10 m時(shí)，拱底隆起增加了2.16 mm.

圖5 不同工況下拱頂豎向位移

圖6 不同工況下拱底豎向位移

無(wú)溶洞時(shí)，隧道左右拱腰收斂位移相等，遠(yuǎn)小于拱頂拱底位移，僅1.62 mm，從圖7中的曲線可以看出，溶洞位于隧道側(cè)方時(shí)對(duì)拱腰收斂影響最大，下部次之，上部影響最小.溶洞位于隧道上方及下方時(shí)，隨著溶洞尺寸的不斷增大，收斂不斷增加，溶洞尺寸達(dá)10 m時(shí)，拱腰的收斂分別增加了1.08、2.79 mm.

通過(guò)圖7(C)與圖7(D)對(duì)比，側(cè)方溶洞對(duì)較近處拱腰位移影響極為明顯.當(dāng)溶洞尺寸達(dá)6 m時(shí)，右拱腰便出現(xiàn)反向位移，向外擴(kuò)張，發(fā)生這一現(xiàn)象主要因隧洞間圍巖剛度降低，在盾構(gòu)掘進(jìn)壓力作用下，圍巖發(fā)生塑性貫通，產(chǎn)生傾向空洞的位移.當(dāng)溶洞尺寸達(dá)10 m時(shí)，右側(cè)拱腰向外擴(kuò)張7.98 mm，位移量變化達(dá)9.60 mm.

3.2 塑性區(qū)變化規(guī)律

盾構(gòu)開挖時(shí)，隧道圍巖應(yīng)力重新分布，形成塑性區(qū).圖8提取了部分工況下隧道軸向24 m處圍巖截面等效塑性應(yīng)變?cè)茍D.

圖7 不同工況下拱腰水平位移

圖8 各類工況下圍巖塑性應(yīng)變?cè)茍D

盾構(gòu)施工時(shí)隧道周圍形成環(huán)形塑性區(qū)，溶洞位于不同方位時(shí)，溶隧間塑性區(qū)范圍均隨溶洞尺寸增大而擴(kuò)張.通過(guò)與相同方位較小尺寸溶洞塑性圖的對(duì)比，當(dāng)8 m溶洞位于隧道上方，6 m溶洞位于隧道下方，4 m溶洞位于隧道側(cè)部時(shí)，相應(yīng)的隧道拱頂，溶洞頂板，隧道拱腰出現(xiàn)最大塑性應(yīng)變，這表明溶隧間隔板圍巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了塑性破壞，實(shí)際施工過(guò)程中，將出現(xiàn)圍巖坍塌，盾構(gòu)機(jī)頭陷落、偏頭等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅盾構(gòu)掘進(jìn)的安全運(yùn)行.在其他影響因素相同時(shí)，側(cè)部溶洞對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性影響最大，下部次之，上部影響最小.

4 結(jié) 論

1)無(wú)溶洞盾構(gòu)開挖時(shí)，隧道拱頂沉降3.31 mm，拱底隆起3.58 mm，拱腰收斂1.62 mm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)基本吻合.溶洞對(duì)距離較近處隧道結(jié)構(gòu)位移影響明顯，不同方位溶洞對(duì)溶隧形心方向上位移起屏蔽作用，位移隨尺寸增大顯著減少，與溶隧方向正交的位移則因圍巖剛度的削弱而增加.

2)隧道上方為8 m溶洞時(shí)，拱頂出現(xiàn)隆起，隧道下方為6 m溶洞時(shí)，拱底圍巖坍塌沉降，隧道右側(cè)為4 m溶洞時(shí)，拱腰發(fā)生向外擴(kuò)張.

3)對(duì)于相同尺寸溶洞及溶隧距離，盾構(gòu)掘進(jìn)工程中，側(cè)部溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響最大，下部溶洞次之，溶洞位于隧道頂部時(shí)影響最小.工程中應(yīng)優(yōu)先對(duì)側(cè)部、底部溶洞進(jìn)行處置.