巖溶強發(fā)育區(qū)盾構(gòu)隧道下穿市政橋梁的數(shù)值模擬分析

鐘偉程

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510010）

1 引言

巖溶地區(qū)修建地鐵一直是地下工程施工的重難點之一，尤其是地下工程在巖溶地區(qū)穿越大量建（構(gòu)）筑物，施工中稍有不慎，極有可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，造成上方地層坍塌，建（構(gòu)）筑物沉降變形導(dǎo)致倒塌的風(fēng)險。根據(jù)巖溶地區(qū)獨特的地質(zhì)條件，設(shè)計師在隧道設(shè)計過程中必須特殊考慮其圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，并對其進行針對性的處理。王艷軍[1]對穿越巖溶地區(qū)的隧道結(jié)構(gòu)模型進行了深度的探討，把溶洞簡化成一個橢圓形的土體，對隧道開挖圍巖的應(yīng)力及位移進行了計算。馬棟[2]對深埋隧道和巖溶間的破壞機理做出解釋，并運用數(shù)值分析的方法模擬了巖溶位置和規(guī)模對隧道受力的影響。蔡維龍[3]基于廣州地鐵8號線亭崗站—白云湖區(qū)間穿越巖溶發(fā)育區(qū)，針對性地提出巖溶風(fēng)險區(qū)的工程處理方案。由此可見，對于隧道穿越巖溶發(fā)育的不良地層，合理選擇巖溶的處理方案，并針對此地層選擇合理的隧道計算方法，對隧道設(shè)計尤為重要。

本文依托廣州市軌道交通18號線北延段工程白云東平—白云城市中心盾構(gòu)區(qū)間，對隧道在巖溶地區(qū)穿越市政橋梁進行數(shù)值模擬計算，分析了盾構(gòu)隧道在巖溶地區(qū)下穿既有市政橋梁的影響，為后續(xù)設(shè)計施工提供參考。

2 工程概況

廣州市軌道交通18號線作為連接廣州南沙區(qū)至白云區(qū)的南北快線，整條線路穿越的地層復(fù)雜多變。18號線北延段白云東平—白云城市中心位于廣州市白云區(qū)，區(qū)間隧道全長約4.4 km，線路呈東西向敷設(shè)，穿越上方大量建構(gòu)筑物，部分區(qū)域人流量較大，且線路穿越地層主要為灰?guī)r，巖溶高度發(fā)育，施工風(fēng)險極高。本區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，選用泥水/土壓雙模盾構(gòu)機，盾構(gòu)外徑8.5 m，內(nèi)徑7.7 m，管片厚度0.4 m，依據(jù)地層條件，擬采用泥水模式。區(qū)間隧道左右線在某里程段正交下穿空港大道市政橋梁的樁基，下穿位置隧道拱頂埋深達到35.3 m，與空港大道的平面最小凈距約為3.32 m?？崭鄞蟮罉驑恫捎勉@孔灌注樁，樁長21.3～42.4 m不等，樁徑1.2～1.8 m。

3 工程地質(zhì)

本段區(qū)間工程的詳細(xì)勘察階段鉆孔揭露本段區(qū)間場地范圍內(nèi)主要覆蓋第四系土層，揭露到的地層主要有人工填土、砂層、粉質(zhì)黏土、碎屑巖全風(fēng)化及中微風(fēng)化灰?guī)r。結(jié)合本區(qū)間隧道埋深，區(qū)間隧道洞身在空港大道附近穿越地層主要為中微風(fēng)化礫巖層，上部覆土主要有人工填土、可塑狀粉質(zhì)黏土、中粗砂及硬塑狀粉質(zhì)黏土，巖土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。本區(qū)間勘察鉆孔所遇溶土洞隙長度近901.6 m，鉆孔穿過溶巖的長度約4 700 m，溶土洞的見洞率約70.2%，線見洞率約19.0%，依據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，可判斷為巖溶強發(fā)育。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)表

4 巖溶處理

在盾構(gòu)施工之前，需對本段區(qū)間揭露的溶土洞提前進行處理，部分溶洞規(guī)模較大且大部分無充填或半充填，對盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面：

1）鉆探揭露部分個別頂板厚度較薄，局部甚至小于0.5 m，巖溶洞體高度大，且填充物松軟或無填充，在受到外力作用情況下，可造成頂板塌落，地面發(fā)生塌陷，影響場地穩(wěn)定性，對于隧道施工影響較大。

2）灰?guī)r巖面起伏大，溶溝、溶槽、豎向溶蝕裂隙和落水洞等巖溶形態(tài)發(fā)育，巖溶地下水豐富，地鐵隧道穿越溶土洞和溶溝、溶槽發(fā)育地段時存在盾構(gòu)機偏位、栽頭、坑道突涌或坍塌等工程風(fēng)險，甚至引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，因而增加了設(shè)計與施工難度。

3）大部分地段灰?guī)r面上分布有可塑狀粉質(zhì)黏土和松散樁砂層，其工程性質(zhì)較差。隧道施工擾動及對巖溶水的抽排，容易造成地表水土流失，進而引發(fā)地表沉降。

結(jié)合廣州市對巖溶處理的相關(guān)技術(shù)條例及類似的工程經(jīng)驗[4]，需對本工程盾構(gòu)隧道施工影響范圍內(nèi)的溶土洞進行注漿填充處理。處理范圍主要是隧道結(jié)構(gòu)輪廓外放3 m范圍內(nèi)，地面至隧道底范圍內(nèi)的溶土洞均需處理；隧道底板以下為灰?guī)r時，結(jié)構(gòu)輪廓外放3 m范圍內(nèi)，隧道底板以下3 m內(nèi)的溶洞必須處理。

5 數(shù)值分析計算

基于本工程場地的實際情況，擬采用Midas GTS NX模擬區(qū)間隧道左右線開挖對空港大道橋樁的影響。工程采用150 m×150 m×80 m的模型尺寸，隧道左右線間距為16 m。依據(jù)本工程的詳勘鉆孔，溶土洞位于隧道掘進方向上方位置，分別位于中風(fēng)化與強風(fēng)化灰?guī)r質(zhì)礫巖地層的交界處，此溶土洞靠近南側(cè)橋樁，與橋樁的平面凈距約4 m，與隧道的豎向凈距為7.3 m；以及中風(fēng)化與微風(fēng)化灰?guī)r質(zhì)礫巖地層的交界處，此溶洞靠近北側(cè)橋樁，與隧道的平面凈距約3.9 m，豎向凈距約5 m。溶土洞在本模型中均采用直徑為5 m、高度為5 m的圓柱體模擬。

對于巖溶處理，在盾構(gòu)始發(fā)前需要對溶土洞附近土層進行取芯檢測。依據(jù)現(xiàn)場取芯檢測結(jié)果，整體芯樣標(biāo)準(zhǔn)貫入度平均值在N=18，由此結(jié)果及參考文獻[5-6]綜合判斷，可認(rèn)為在巖溶處理效果良好的前提下，溶土洞的土層參數(shù)近似于殘積粉質(zhì)黏土，因此，在數(shù)值模型模擬中，對溶洞實際土層參數(shù)按殘積粉質(zhì)黏土考慮。

對于盾構(gòu)機，盾構(gòu)機盾殼及管片采用殼單元模擬，橋樁采用桿單元模擬。整體的地層本構(gòu)模型均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模擬盾構(gòu)隧道穿越時的巖土體特性。如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道下穿空港大道橋樁整體模型

6 結(jié)果分析

本模型模擬了盾構(gòu)在巖溶微風(fēng)化地層穿越橋樁的3個階段，分別是盾構(gòu)穿越橋樁前、穿越時及穿越后，采用雙線盾構(gòu)同時施工。圖2為盾構(gòu)穿越橋樁后的最終變形圖。

圖2 盾構(gòu)穿越橋樁后最終變形圖

在盾構(gòu)穿越前，盾構(gòu)還未進入橋樁的影響范圍之內(nèi)，左右線距離橋樁平面凈距約50 m，對空港大道橋樁的影響較小，北側(cè)橋樁樁頂及樁側(cè)的最大變形只有0.6 mm，在盾構(gòu)進入橋樁范圍約23 m時，北側(cè)及南側(cè)橋樁變形逐漸增加，即進入了橋樁的影響范圍，北側(cè)橋樁樁底變形增加至12.3 mm，樁側(cè)增加至11.5 mm，南側(cè)橋樁的樁底變形達到5 mm，樁側(cè)達到2.6 mm。盾構(gòu)最終穿越時，北側(cè)橋樁底部最終變形達到18.7 mm，樁側(cè)達到17.7 mm，而南側(cè)橋樁樁底的最終變形達到8.6 mm，樁側(cè)為6.8 mm，見圖3和圖4。

圖3 盾構(gòu)穿越北側(cè)橋樁后總變形圖

圖4 盾構(gòu)穿越南側(cè)橋樁后變形圖

由此結(jié)果可以看出，北側(cè)橋樁的整體變形值要比南側(cè)橋樁的整體變形值要大，原因在于北側(cè)溶洞的相對位置距離隧道相對于南側(cè)要近，溶土洞可視為隧道附近的軟弱地層，受盾構(gòu)隧道開挖的擾動，地層變化較大，對北側(cè)橋樁的影響較大。南側(cè)的溶土洞實際位于中風(fēng)化灰?guī)r質(zhì)礫巖與強風(fēng)化灰?guī)r質(zhì)礫巖地層的交界處，與隧道之間還相隔一段中風(fēng)化巖層，故在實際隧道開挖工況時，南側(cè)橋樁受到土體擾動的影響較小。本次計算中，北側(cè)橋樁的變形已超出橋樁的變形控制要求，即大于10 mm，是由于本模型中盾構(gòu)上覆土的微風(fēng)化巖層厚度偏小，強風(fēng)化巖層覆蓋于微風(fēng)化巖層之上，在開挖過程中盾構(gòu)對強風(fēng)化地層的擾動效果較大，造成北側(cè)橋樁的變形較大[7]。

7 結(jié)論及思考

基于數(shù)值模擬分析計算結(jié)果，有以下3點結(jié)論及思考：

1）本區(qū)間隧道穿越空港大道所處的地層位于中微風(fēng)化巖層中，整體地層條件較好，圍巖級別較高，因此在穿越時，整體對橋樁的影響較小。溶土洞距離隧道越近，隧道開挖對附近土體的擾動越大，對橋樁的影響越大。

2）盾構(gòu)穿越施工前，應(yīng)按處理原則對隧道周邊的溶洞進行注漿處理，在進行數(shù)值分析計算時，溶土洞的土層參數(shù)的取值可依據(jù)現(xiàn)場實際取芯檢測結(jié)果綜合判斷，本區(qū)間溶土洞土層參數(shù)基于現(xiàn)場的檢測結(jié)果，取值按粉質(zhì)黏土層考慮。

3）灰?guī)r地區(qū)的地層條件較為敏感，盾構(gòu)施工穿越有可能引起空港大道路面、橋臺及鄰近建（構(gòu)）筑物等變形或沉降，建議在施工前，對空港大道橋樁進行預(yù)注漿加固，并在施工過程中，制訂詳細(xì)的監(jiān)測方案，并根據(jù)實際監(jiān)測成果，及時反饋信息，指導(dǎo)施工，以確保橋梁的整體結(jié)構(gòu)安全。

8 結(jié)語

從數(shù)值模擬的結(jié)果中可以看出，盾構(gòu)隧道在巖溶地區(qū)的掘進對周邊環(huán)境的影響較大，主要體現(xiàn)在盾構(gòu)穿越時對溶土洞這類軟弱地層的擾動較大，影響周邊地層的穩(wěn)定性，因此，在下穿市政橋梁這類敏感性建構(gòu)筑物時應(yīng)做好巖溶處理及橋梁的預(yù)加固措施，在盾構(gòu)進行下穿掘進時保證上部建構(gòu)筑結(jié)構(gòu)安全。