溶洞上覆砂性地層盾構(gòu)隧道合理布置位置研究

王 亞 王士民 孫雪兵

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610031；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)

1 引言

近年來，隨著國家大規(guī)模開展軌道交通建設(shè)，地鐵及地下工程項(xiàng)目所遭遇的地質(zhì)環(huán)境也越來越復(fù)雜，其中巖溶作為較為常見的特殊地質(zhì)之一，施工中經(jīng)常也會(huì)遇到。巖溶的存在提高了盾構(gòu)隧道開挖面涌水、襯砌開裂以及地表塌陷等施工問題發(fā)生的概率，給地下工程建設(shè)與安全帶來諸多挑戰(zhàn)。

因此，相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員對巖溶地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。針對巖溶賦存位置，現(xiàn)有研究多集中在巖溶空腔位于隧道不同方位下的圍巖及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[1-4]。除此之外，越來越多學(xué)者開始關(guān)注隧道與溶洞距離的影響。代永文等[5]對溶洞尺寸以及溶洞與盾構(gòu)隧道距離對圍巖變形的影響規(guī)律進(jìn)行分析，提出在一定距離范圍內(nèi)，圍巖變形與距離呈線性關(guān)系；朱浩博等[6]提出了一種多因素共同作用下的巖溶隧道安全距離三維預(yù)測模型；馬永昌[7]分析了溶洞的大小、遠(yuǎn)近對隧道圍巖塑性區(qū)的影響規(guī)律；鄧昌林[8]考慮隧道施工和運(yùn)營兩種受力工況，對隧道與底部隱伏溶洞之間的安全距離進(jìn)行了分析。然而，目前針對巖溶上覆砂性地層的新型巖溶地質(zhì)問題的相關(guān)研究尚少，設(shè)計(jì)過程中無法對因其賦存引起的結(jié)構(gòu)及地層響應(yīng)做出準(zhǔn)確評價(jià)。

本文以武漢地鐵11號(hào)線江安路站-復(fù)興路站盾構(gòu)區(qū)間為依托，通過數(shù)值模擬分別研究了上覆砂性地層中的盾構(gòu)隧道與砂層-灰?guī)r界面豎向凈距為12 m、9 m、6 m及3 m時(shí)溶洞上覆砂層塌陷對隧道周邊地層以及管片襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，以期為溶洞上覆砂性地層中盾構(gòu)隧道合理布置位置的選擇提供指導(dǎo)。

2 依托工程概況

武漢地鐵11號(hào)線三期工程江安路站-復(fù)興路站盾構(gòu)區(qū)間位于武昌區(qū)，場地上部為富水砂層，下部為灰?guī)r地層(有溶洞)，為長江一級(jí)階地巖溶塌陷區(qū)。盾構(gòu)隧道管片襯砌外徑為6.2 m，襯砌每環(huán)1.5 m寬，厚0.35 m，注漿層厚度為0.2 m。

探測結(jié)果表明，勘察區(qū)域所揭露溶洞高度一般為0.3～26.4 m，其中大多數(shù)溶洞高度在3 m左右，溶洞頂、底板多見蜂窩狀、針狀溶孔。

3 勘察區(qū)域溶洞塌陷機(jī)理及表征

根據(jù)武漢市巖溶發(fā)育特征和分布規(guī)律，可知長江一級(jí)階地巖溶塌陷類型主要為沙漏型巖溶塌陷，其塌陷機(jī)理為:在長江一級(jí)階地地區(qū)，巖層上方覆蓋有較厚的密實(shí)砂層，巖層中存在大小各異的溶洞。當(dāng)溶洞塌陷時(shí)，溶洞上覆砂層的砂土顆粒會(huì)沿著已經(jīng)存在的溶蝕裂隙漏失，最終儲(chǔ)存到規(guī)模不一的溶洞及地下暗河之中，進(jìn)而導(dǎo)致地面出現(xiàn)塌陷，如圖1所示。

圖1 沙漏型巖溶塌陷機(jī)理示意

在有限元軟件計(jì)算中，對于溶洞塌陷的表征可通過削減溶洞上方松散區(qū)域砂土的物理力學(xué)性能來實(shí)現(xiàn)。為此，本文引入松散區(qū)域砂土的力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)來確定松散砂土弱化后的力學(xué)參數(shù)。根據(jù)相關(guān)研究[9]，可以確定均質(zhì)砂土干密度折減系數(shù)為0.80，彈性模量折減系數(shù)為0.29～0.38，泊松比折減系數(shù)為0.67～0.89，內(nèi)摩擦角折減系數(shù)為0.79～0.86。

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，砂層-灰?guī)r界面附近的溶洞最發(fā)育，且在勘察加固過程中漏掉的溶腔體積通常較小。為簡化計(jì)算，本文計(jì)算將溶洞簡化為一圓柱體，位置選在砂層-灰?guī)r界面，溶洞高度取為3 m，直徑為1.5 m，松散砂土下漏邊界與地表夾角為40°。參照規(guī)范(GB 50187—2012)[10]取砂層的松散系數(shù)為1.21，通過巖溶的體積和密實(shí)砂土的松散系數(shù)可以換算出巖溶上方砂層的松散區(qū)域，見表1。

表1 溶洞上覆砂層塌陷范圍

4 計(jì)算模型建立及參數(shù)選取

4.1 計(jì)算模型

對于隧道開挖前已塌陷的溶洞，采取鉆孔樁+樁之間范圍滿鋪式注漿措施來減小側(cè)向溶洞對新建隧道的影響。本次計(jì)算中，溶洞處于左線隧道正下方，且溶洞在隧道開挖、支護(hù)完成后塌陷。建立四種計(jì)算工況如表2所示。建模過程中，考慮圣維南原理即隧道開挖主要影響區(qū)域在3～5D(D為隧道開挖直徑)范圍內(nèi)，因此計(jì)算模型尺寸為90 m(隧道橫向)×50 m(深度方向)×36 m(隧道縱向)。本文運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立隧道-隔離樁-溶洞(包括巖溶對砂層的影響區(qū)域)三維有限元模型，其中地表橫向監(jiān)測斷面位于隧道縱向18 m處，模型半剖面如圖2所示，隧道與溶洞的位置關(guān)系如圖3所示(以凈距12 m為例)。

表2 計(jì)算工況設(shè)置 m

圖2 計(jì)算模型半剖面

圖3 凈距12 m時(shí)隧道與溶洞位置關(guān)系

4.2 參數(shù)選取

在數(shù)值計(jì)算中，隧道圍巖按均質(zhì)彈塑性考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)均按彈性考慮，土體屈服采用Drucker-Prager準(zhǔn)則，模型單元均采用SOLID45單元模擬。同時(shí)，采用剛度折減法對管片接頭進(jìn)行簡化處理，其橫向和縱向折減系數(shù)分別取0.80和0.01[11]。

結(jié)合相關(guān)資料，將依托工程所穿越地層土體、隔離樁結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)隧道管片襯砌及注漿層的力學(xué)參數(shù)整理列于表3。其中，溶洞塌陷弱化區(qū)域各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)由溶洞上方中細(xì)砂地層力學(xué)參數(shù)與對應(yīng)的力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)相乘得到。

表3 地層土體及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

5.1 橫向監(jiān)測斷面沉降分析

按照四種不同工況進(jìn)行模擬計(jì)算，提取典型開挖步完成后模型橫向監(jiān)測斷面的沉降云圖，如圖4所示。

圖4 溶洞塌陷后模型豎向沉降分布云圖

分析圖4可知，溶洞塌陷后，地層的最大沉降和最大上隆變形分別出現(xiàn)在隧道頂部和底部土體區(qū)域，且溶洞的存在使左線隧道底部土體上隆變形的范圍縮小，并使其有沉降的趨勢。隨著隧道與砂層-灰?guī)r界面豎向凈距的減小，地層的最大沉降量在整體上呈逐漸增大趨勢，工況1、2、3的最大隆起量變化不明顯，而工況4的隆起量受溶洞塌陷影響有約2 mm的降低。

雙線貫通后的地表沉降曲線如圖5所示。

圖5 橫向監(jiān)測斷面沉降曲線

分析圖5可知，隨著隧道與砂層-灰?guī)r界面豎向凈距的減小，地表沉降值總體上呈增大趨勢，但工況4的地表沉降值較小，接近于工況1。這是因?yàn)樵诠r1、2、3下，地表沉降受隧道開挖和溶洞塌陷疊加效應(yīng)影響，隨著凈距減小，這兩種擾動(dòng)因素的相互影響作用加強(qiáng)，進(jìn)一步導(dǎo)致對周邊地層的擾動(dòng)增大，而工況4下的隧道埋深足夠大，導(dǎo)致此時(shí)的地表變形受隧道開挖和溶洞塌陷的影響小，故工況4下的地表沉降較小。

5.2 既有隧道管片結(jié)構(gòu)變形特性分析

待工況1、2、3和4的典型開挖步完成后，提取四種工況下由隧道開挖和溶洞塌陷引起的管片襯砌結(jié)構(gòu)的最大變形值，并繪制管片襯砌結(jié)構(gòu)變形曲線，如圖6所示。規(guī)定隧道結(jié)構(gòu)豎向變形以沉降為負(fù)、隆起為正，橫向變形以右拱腰向右為正、左拱腰向左為負(fù)，為更清晰地比較各變形之間的數(shù)值大小關(guān)系，在圖6中各變形值均取絕對值。

圖6 不同凈距下管片襯砌變形曲線

分析圖6可知，隨著隧道與砂層-灰?guī)r界面豎向凈距的減小，溶洞塌陷與隧道施工相互影響逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致管片變形顯著增加，但拱底變形值變化不明顯。當(dāng)隧道距離砂層-灰?guī)r界面6～12 m范圍時(shí)，隧道拱頂沉降值和左、右拱腰外擴(kuò)變形量隨凈距減小呈線性增加趨勢，拱頂沉降高達(dá)18.31 mm。之后，隨凈距減小，隧道拱頂沉降值變化較小，拱底上隆和左、右拱腰外擴(kuò)變形量則呈小幅降低。由上述分析可知，從盾構(gòu)隧道管片襯砌變形的角度考慮，隧道與砂層-灰?guī)r界面的豎向凈距設(shè)置應(yīng)盡量避開1倍洞徑左右的量值。

為便于進(jìn)一步分析溶洞塌陷和雙線隧道開挖兩種擾動(dòng)因素對隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)變形的影響，將相關(guān)變形值匯總于表4。

表4 不同工況下隧道豎向變形 mm

由表4可知，管片襯砌的最大豎向變形均為沉降變形，選取表4的絕對變形值繪制如圖7所示的管片襯砌沉降變形曲線。

圖7 不同凈距和擾動(dòng)因素下管片襯砌沉降變形曲線

分析表4和圖7可知，由隧道開挖引起的管片襯砌沉降值和管片襯砌最終沉降值的變化規(guī)律基本一致，即在隧道拱底距離砂層-灰?guī)r界面6～12 m范圍時(shí)，上述兩種沉降值隨凈距減小呈線性增加，而凈距小于6 m時(shí)，這兩種沉降值近乎不變。在隧道拱底距離砂層-灰?guī)r界面7～12 m范圍時(shí)，由溶洞塌陷引起的管片襯砌沉降值變化較小，而在凈距小于7 m時(shí)，該沉降值呈大幅升高。究其原因，主要是因?yàn)樗淼琅c溶洞凈距小，管片襯砌受砂層塌陷影響大，故沉降值也隨之增大。由上述分析可知，從溶洞塌陷對盾構(gòu)隧道管片襯砌變形影響的角度考慮，隧道與砂層-灰?guī)r界面的豎向凈距應(yīng)盡量大于7 m。

5.3 既有隧道管片結(jié)構(gòu)受力特性分析

計(jì)算完成后，提取監(jiān)測斷面左線隧道一環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，并繪制相應(yīng)極坐標(biāo)曲線，如圖8所示。

圖8 管片襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力極坐標(biāo)

由圖8a可知，隨著隧道與砂層-灰?guī)r界面豎向凈距的減小，管片襯砌結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力在逐漸增大。工況1～3下的拉應(yīng)力變化較規(guī)則，而工況4下的管片襯砌拉應(yīng)力在左、右拱腳處變化很大，增率分別為394.55%和488.30%。由圖8b可知，管片襯砌結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力也隨凈距減小呈逐漸增大的趨勢，壓應(yīng)力值增率在3.36%～63.49%變化。其中，工況4下的隧道拱頂和兩側(cè)拱腳的壓應(yīng)力值很大，數(shù)值約為1.9 MPa，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易造成結(jié)構(gòu)局部壓壞。

由上述分析可知，管片襯砌受力最不利位置為兩側(cè)拱腳，因此以左、右兩側(cè)拱腳處的主應(yīng)力為研究對象，取兩主應(yīng)力的絕對值繪制如圖9所示的應(yīng)力變化曲線。

圖9 不同凈距下管片襯砌主應(yīng)力曲線

分析圖9可知，在隧道拱底距離砂層-灰?guī)r界面7～12 m范圍時(shí)，隧道左、右拱腳第1主應(yīng)力值隨凈距減小基本保持在0.10 MPa左右，而在凈距小于7 m時(shí)，左、右拱腳的第1主應(yīng)力值隨凈距減小大幅升高，最大應(yīng)力值達(dá)到0.63 MPa；在隧道拱底距離砂層-灰?guī)r界面8～12 m范圍時(shí)，隧道左、右拱腳第3主應(yīng)力值小于1.10 MPa，且變化率較小，而在凈距小于8 m時(shí)，左、右拱腳的第3主應(yīng)力值隨凈距減小也大幅升高，最大應(yīng)力值達(dá)到1.84 MPa。由上述分析可知，從盾構(gòu)隧道管片襯砌受力角度考慮，隧道與砂層-灰?guī)r界面的豎向凈距應(yīng)盡量大于8 m。

6 結(jié)論

(1)在隧道拱底距離砂層-灰?guī)r界面6～12 m范圍時(shí)，隨著凈距減小地表沉降增大，而在凈距為3 m時(shí)，地表沉降反而減小。

(2)綜合考慮溶洞塌陷對管片襯砌受力和變形的影響，建議將該盾構(gòu)隧道的位置選擇在距砂層-灰?guī)r界面大于8 m的范圍。