溶洞注漿加固對地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)的影響研究

謝海旭，陳 榕

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

由于盾構(gòu)法施工具有安全、高效、機(jī)械化程度高、對城市地面交通干擾小等優(yōu)勢，是目前大部分城市軌道交通的首選施工方法.盾構(gòu)隧道穿越城市巖溶區(qū)時，溶洞等典型巖溶產(chǎn)物多具有高隱蔽性，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)滲透性增大、巖體力學(xué)參數(shù)降低，尤其在施工擾動作用下，造成隧道突涌水、巖溶地基承載力不足、滲漏水、地表巖溶塌陷、盾構(gòu)機(jī)栽頭等工程災(zāi)害頻發(fā).針對巖溶地質(zhì)災(zāi)害的治理一系列問題，國內(nèi)外學(xué)者研究進(jìn)行了大量的研究.徐海清等[1]以武漢地鐵六號線工程為例，研究了沙漏型巖溶地面塌陷機(jī)理及計(jì)算模型；于淼等[2]利用三維建模技術(shù)對地質(zhì)進(jìn)行了更加準(zhǔn)確、直觀、有效的解譯；馮國森[3]采用"洞砟回填+上部注漿"加固方式處理溶洞得到了此技術(shù)可行，沉降可控的結(jié)論；張祥等[4]采用袖閥管注漿法進(jìn)行回填體加固，實(shí)現(xiàn)了安全高效；Xu Z H等[5]和Li S C[6]等在簡化Bishop方法的基礎(chǔ)上，提出了一種創(chuàng)新的填充介質(zhì)整體滑動穩(wěn)定性分析方法；劉義山[7]根據(jù)長沙地鐵3號線對復(fù)雜巖溶水底隧道關(guān)鍵技術(shù)體系進(jìn)行了研究，成功解決了穿越水下巖溶地層等問題；邸成等[8]結(jié)合工程實(shí)例，研究分析了多種隧道穿越巨型巖溶空腔的工程處理方案；何翊武等[9]以溫克爾彈性地基梁理論為基礎(chǔ)，對巖溶地區(qū)隧道底部溶洞影響襯砌受力進(jìn)行研究，簡化并推導(dǎo)出隧道拱腳部分等代梁的內(nèi)力和位移計(jì)算公式.Wang J等[10]研究了鉆孔雷達(dá)圖像預(yù)處理和對隱蔽巖溶洞穴進(jìn)行特征參數(shù)提取.肖元平[11]驗(yàn)證了盾構(gòu)掘進(jìn)前對溶洞進(jìn)行處理的必要性深圳地鐵16號線巖溶規(guī)模大、變化大、發(fā)育形態(tài)不一等特點(diǎn)，極易引起地鐵盾構(gòu)工作面失穩(wěn)、管片成環(huán)難以及突水突泥、盾構(gòu)機(jī)具載頭等事故發(fā)生，亟需明確危害地鐵建設(shè)安全的巖溶處理范圍，并制定與其相應(yīng)的處理原則.

為此，結(jié)合深圳地鐵16號線巖溶分布特征，依托典型盾構(gòu)區(qū)間，采用數(shù)值計(jì)算分析方法，建立溶洞注漿加固對地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)安全影響的力學(xué)計(jì)算模型，分析溶洞尺寸大小對周邊圍巖的穩(wěn)定性的影響，綜合考慮巖溶溶洞注漿加固的空間屬性，重點(diǎn)研究巖溶區(qū)溶洞大小對盾構(gòu)掘進(jìn)、管片受力的影響作用.

1 工程概況

深圳市軌道交通16號線連接大運(yùn)新城、龍崗中心城、坪山站及坪山區(qū)等地區(qū)，覆蓋龍崗區(qū)區(qū)域同城化發(fā)展主軸，主要承擔(dān)集約土地利用、支撐城市空間結(jié)構(gòu)、緩解交通壓力等功能，實(shí)現(xiàn)龍崗中心城與坪山區(qū)之間的快速聯(lián)系，同時帶動坪山區(qū)的發(fā)展.深圳市16號線正線全長約29.2 km，全部采用地下敷設(shè)方式；全線設(shè)車站24座，田心車輛段1處，龍城公園停車場1處.從大運(yùn)站至同樂村站的15.3 km中有13.3 km穿越石灰?guī)r地層，田心車輛段巖溶發(fā)育區(qū)面積15.2萬m2，巖溶發(fā)育程度高，溶洞規(guī)模大，以無填充和部分填充為主.從詳勘揭示的可溶巖地層看，正線巖溶段鉆孔720個，揭露溶洞鉆孔269個，平均見洞率為37.36%，最大的工點(diǎn)為63.6%(龍東村站)；洞高2～5 m的溶洞占39.5%，大于5 m的溶洞占16.7%，鉆孔揭示最大洞高為26.5 m(龍東村站至同樂村站區(qū)間).

其中，雙龍站—龍南站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間總長1 700.423 m；雙龍站大里程明挖段端頭始發(fā)，龍南站小里程端接收.區(qū)間覆土6.6 m～16.0 m，線路縱坡28‰、16‰、15.348‰，最低點(diǎn)設(shè)置1座聯(lián)絡(luò)通道兼泵房；本區(qū)間穿越地層：中粗砂、粉質(zhì)粘土、微風(fēng)化石灰?guī)r.其中穿越微風(fēng)化石灰?guī)r約785 m；微風(fēng)化石灰?guī)r天然單軸抗壓強(qiáng)度最大值為96.6 MPa，平均值為63.9 MPa.區(qū)間工程地質(zhì)圖如圖2所示.

圖1 深圳市城市軌道交通16號線工程線路平面示意圖

圖2 區(qū)間工程地質(zhì)圖

2 數(shù)值計(jì)算模型與分析方法

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

本次數(shù)值模擬采用有限差分軟件FLAC3D.隧道開挖采用大直徑盾構(gòu)隧道開挖，管片厚度為0.4 m，開挖直徑為8.0 m，埋深為30.6 m，考慮到相關(guān)的尺寸效應(yīng)，模型邊界到盾構(gòu)隧道邊界的距離均須大于3倍的隧道洞徑.模型的最終尺寸如下：長度為70 m，寬度為100 m，高度為70 m.本次數(shù)值模擬注漿區(qū)域劃分為充填層和注漿加固層，考慮了不同大小的溶洞注漿加固對盾構(gòu)隧道的影響，隧道中心與溶洞中心的距離為10.9 m，建立了溶洞位于盾構(gòu)隧道上方、下方和側(cè)方，洞高為5 m，6 m，8 m，10 m，12 m共計(jì)15個數(shù)值計(jì)算模型.本次模擬將溶洞斷面簡化為圓形截面[13]，如圖3所示為數(shù)值計(jì)算模型圖.本模型未考慮地下水的影響，主要分析不同大小溶洞注漿加固前后對地鐵盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性的影響.

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告以及相應(yīng)數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn)，地層為微風(fēng)化灰?guī)r，充填層和注漿加固層采用水泥砂漿，盾構(gòu)隧道管片采用C50混凝土，地層模型采用摩爾庫倫模型，充填層、注漿加固層采用應(yīng)變硬化模型，盾構(gòu)管片襯砌采用線彈性模型，各材料力學(xué)參數(shù)選取情況如表1所示.

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值計(jì)算分析方法

具體數(shù)值計(jì)算方法如下：

(1)邊界條件.模型左右邊界、前后邊界約束法向方向位移，底部邊界約束豎直方向位移.模型巖土頂部為自由面.

(2)地應(yīng)力平衡.設(shè)置豎向重力加速度9.8 m/s2，模型頂部自由面設(shè)置均布荷載40 kPa，地應(yīng)力平衡之后進(jìn)行溶洞注漿加固模擬.

(3)溶洞處理方法.采用溶洞注漿加固的方法，采用水泥砂漿為注漿材料，對溶洞進(jìn)行注漿加固，并考慮漿液的擴(kuò)散效應(yīng)，將注漿加固區(qū)域劃分為3部分，3個注漿加固層的寬度分別為0.5 m，1 m，2 m.

(4)開挖方法.采用盾構(gòu)方式開挖，開挖直徑為8.0 m，開挖后隨即進(jìn)行管片支護(hù)，管片厚度為40 cm.

(5)重力荷載均采用重力的方式施加.

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

盾構(gòu)隧道穿越溶洞豎向位移云圖和地表沉降曲線圖，如圖4、圖5所示.由圖可知：(1) 在對溶洞未進(jìn)行注漿加固的情況下，隨著溶洞洞高的增加，地表沉降變形量隨之增大.當(dāng)盾構(gòu)隧道在側(cè)方穿越溶洞，或者盾構(gòu)隧道在下方穿越溶洞，且溶洞的洞高大于8 m，或者盾構(gòu)隧道在上方穿越溶洞，且溶洞的洞高大于10 m時，地表沉降變形量很大，隧道基本處于坍塌狀態(tài).(2) 在對溶洞進(jìn)行注漿加固的情況下，地表沉降有大幅度降低，但依然以盾構(gòu)隧道在溶洞側(cè)方穿過引起的地表沉降最大.(3)注漿加固后，溶洞的洞高對于盾構(gòu)隧道在溶洞側(cè)方穿過的情況幾乎沒有影響，地表沉降變化量基本不變，但是隨著洞高的增大，注漿加固后對于盾構(gòu)隧道在下方和上方穿過的情況地表沉降略有增加，這可能是對溶洞注漿加固后，溶洞的洞高越大，填充的水泥砂漿越多，相應(yīng)的自身荷載越大的原因.

圖4 盾構(gòu)隧道穿越溶洞豎向位移云圖

圖5 地表沉降曲線圖

雙龍站—龍南站盾構(gòu)區(qū)間主要監(jiān)測成果，如表2所示.表2中給出了盾構(gòu)區(qū)間左線和右線的地表沉降現(xiàn)場實(shí)際測量值，由表可知，地表沉降數(shù)值都在控制值允許的范圍內(nèi)，地表沉降的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)值與數(shù)值模擬數(shù)值接近，數(shù)值模擬較好的模擬了盾構(gòu)隧道穿越溶洞時地表沉降的變化.

表2 地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測表

3.2 隧道結(jié)構(gòu)變形分析

選擇盾構(gòu)隧道的拱頂、左拱腰、右拱腰、拱底作為特征點(diǎn)進(jìn)行隧道沉降分析.溶洞注漿加固前后，不同尺寸大小的溶洞引起盾構(gòu)隧道的拱頂豎向位移曲線、拱底豎向位移曲線、左拱腰豎向位移曲線、右拱腰豎向位移曲線如圖6～圖9所示.

由圖6-圖9可知：(1) 拱頂位移和拱腰位移化趨勢基本一致，隧道開挖引起圍巖左右拱腰的豎向位移也基本一致，但以位于溶洞近的一側(cè)的拱腰的豎向位移較大.在溶洞高度小于6 m時，隨著溶洞高度的不斷增加，位于溶洞上方和下方的隧道拱頂位移和拱腰位移隨之增大，隧道位移較小.在溶洞高度位于6～8 時，隧道位移繼續(xù)增大，隧道不斷趨于坍塌狀態(tài)；但是位于溶洞下方的隧道的拱頂和拱腰位移在溶洞高度為8 m～10 m時呈現(xiàn)減小趨勢，這可能是由于溶洞高度于盾構(gòu)隧道直徑接近造成的，但是在溶洞高度10 m以后，拱頂、拱腰和拱底位移均發(fā)生了較大變化，隧道發(fā)生坍塌.從曲線可以看出，不論位于側(cè)方的溶洞高度多大，都會使隧道產(chǎn)生非常大的拱頂位移.(2) 注漿加固前后，隧道在穿過不同大小不同方位的溶洞時，拱頂位移、拱腰位移和拱底位移均得到了有效的限制，且注漿加固后，側(cè)方溶洞對拱頂、拱腰和拱底位移的影響最大，上方溶洞的影響次之，下方溶洞的影響最小.

由圖7可知：隧道的拱底會產(chǎn)生向上的位移，也就是隆起.溶洞的高度過大會使在溶洞下方穿過的盾構(gòu)隧道拱底產(chǎn)生較大的隆起，使在溶洞上方穿過的盾構(gòu)隧道拱底產(chǎn)生較大的沉降，甚至垮塌.所以在實(shí)際工程中，當(dāng)盾都隧道在溶洞上方通過時，應(yīng)及時監(jiān)測隧道的拱底的沉降，并采取相應(yīng)措施控制隧道拱底的沉降變形.

3.3 隧道管片應(yīng)力分析

盾構(gòu)隧道管片最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布如表3、表4所示，從整體上看，隧道管片的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力主要集中在隧道的拱頂、拱腰、和拱底位置.

表3 隧道管片最大主應(yīng)力 (MPa)

表4 隧道管片最小主應(yīng)力 (MPa)

由表3可知，當(dāng)溶洞位于隧道上方時，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱底位置附近，且溶洞的高度大于6 m時，最大主應(yīng)力為負(fù)，管片上的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，但其數(shù)值較小，對管片的影響很小.當(dāng)溶洞位于隧道側(cè)方和下方時，最大主應(yīng)力均為正，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，隨著溶洞高度增加，管片的拉應(yīng)力的大小有所增加，但其最大值僅為0.739 MPa，低于C50混凝土的抗拉強(qiáng)度1.89 MPa，所以管片結(jié)構(gòu)較安全，幾乎沒有管片的受拉破壞的可能性，管片的生產(chǎn)或施工過程中可不必過多考慮管片的受拉破壞.對溶洞注漿加固，一定程度上改善了管片的受力狀態(tài)，但因?yàn)樽{加固后水泥砂漿凝固的過程中也會對管片的受力造成影響，所以數(shù)值變化不大.

由表4可知，隧道管片最小主應(yīng)力均為負(fù)，故管片的最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力.由表可知，盾構(gòu)隧道從側(cè)方穿過溶洞時的壓應(yīng)力最大，最大值為10.300 MPa，小于C50混凝土的抗壓強(qiáng)度50 MPa，所以管片在壓應(yīng)力的作用下也是安全的.隨著溶洞高度增加，管片的壓應(yīng)力的大小有所降低，壓應(yīng)力大部分集中在拱腰附近，所以在管片生產(chǎn)制作或者施工過程中，應(yīng)對拱腰位置管片進(jìn)行有效加固，實(shí)施足夠的支撐，是非常有必要的.

3.4 塑性破壞區(qū)分析

因模型數(shù)量較多，溶洞的高度越大，模型的塑性破壞越顯著，溶洞注漿加固前后塑性破壞區(qū)的變化也越明顯，所以僅選取溶洞高度為12 m的情況說明溶洞注漿加固對圍巖塑性破壞區(qū)的影響，溶洞注漿加固前后圍巖的塑性破壞區(qū)分布如圖10所示.

圖10 盾構(gòu)隧道穿越溶洞塑性破壞區(qū)云圖

由圖10可知：溶洞注漿加固以前，模型上部大部分區(qū)域均受到雙重剪力的破壞，溶洞注漿加固以后，受剪破壞方式單一，盾構(gòu)隧道周圍的塑性破壞區(qū)得到明顯改善，所以溶洞注漿加固改善了圍巖受拉、受剪狀態(tài)，圍巖的整體穩(wěn)定性得到顯著提高.但在注漿加固后隧道周圍有少部分區(qū)域產(chǎn)生受剪破壞，這可能是注漿過程中的漿液擴(kuò)散對隧道周圍的圍巖造成了一定的影響，在施工中應(yīng)注意對隧道周圍的監(jiān)測.

4 結(jié) 語

結(jié)合深圳地鐵16號線巖溶分布特征，依托典型盾構(gòu)區(qū)間，采用數(shù)值計(jì)算分析方法，建立溶洞注漿加固對地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)安全影響的力學(xué)計(jì)算模型，分析溶洞尺寸大小對周邊圍巖的穩(wěn)定性的影響，綜合考慮巖溶溶洞注漿加固的空間屬性，重點(diǎn)研究巖溶區(qū)溶洞大小對盾構(gòu)掘進(jìn)、管片受力的影響作用，得出以下結(jié)論：

(1)隨著溶洞高度的增加，盾構(gòu)隧道開挖受未注漿加固溶洞的影響越來越大；尤其是在溶洞的側(cè)方，或者上方和下方且溶洞高度大于6 m穿過時，隧道坍塌的可能性就會非常大.盾構(gòu)機(jī)穿越時，會出現(xiàn)栽頭、上仰、側(cè)移等不良狀態(tài)或盾構(gòu)機(jī)卡死等風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)提前對將要穿過的溶洞大小進(jìn)行精確的探測.

(2)相比于對溶洞不進(jìn)行處理的盾構(gòu)隧道開挖，溶洞的注漿加固處理能有效限制盾構(gòu)隧道在穿越較大直徑溶洞時的地表沉降、隧道圍巖變形和盾構(gòu)隧道本體較大變形.

(3)相比于對溶洞不進(jìn)行處理的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)，溶洞的注漿加固在改善了圍巖塑性區(qū)的分布及其受力狀態(tài)，尤其對于直徑較大的溶洞，注漿加固提高了盾構(gòu)隧道在穿越大型溶洞時的安全可靠度.