側(cè)部巖溶尺度及凈距對盾構(gòu)隧道圍巖變形影響分析

(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039)

近年來隨著國家經(jīng)濟(jì)及城市圈的發(fā)展，城市地下鐵道修建日益增多，而在特殊復(fù)雜地質(zhì)條件下修建地鐵極其困難，例如沿海地區(qū)城市修建地下軌道交通經(jīng)常遇到的巖溶對隧道施工圍巖穩(wěn)定性影響問題，給城市隧道開挖和安全運(yùn)營造成嚴(yán)重的威脅[1-4]。

城市地下巖溶區(qū)隧道施工經(jīng)常會引起隧道塌方、地基沉降、地表塌陷以及地面建筑物倒塌等工程災(zāi)害問題。另外，巖溶涌水也是引起隧道工程災(zāi)害的主要因素之一，它直接威脅施工人員和機(jī)械設(shè)備的安全，影響施工進(jìn)度，增加工程投資成本[5-9]。由于目前對城市盾構(gòu)隧道修建對隧道圍巖穩(wěn)定性影響研究較少，本文以某地鐵區(qū)間存在巖溶不良地質(zhì)段隧道修建為工程背景，對盾構(gòu)隧道三維動態(tài)施工過程進(jìn)行彈塑性數(shù)值模擬，分析盾構(gòu)隧道施工時(shí)，溶洞尺寸以及溶洞與隧道間的凈距等因素對隧道圍巖變形及應(yīng)力分布等的影響規(guī)律。

1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道，全長1 230 m，區(qū)間部分區(qū)段存在巖溶，本文以K8+450～K8+555巖溶區(qū)段為工程依托，巖溶位于隧道正左側(cè)，與隧道間凈距為7.58 m，巖溶總長為10.25 m，地鐵隧道采用土壓平衡盾構(gòu)施工，隧道與溶洞均位于殘積土層中。

隧道通過區(qū)段地質(zhì)條件復(fù)雜，依次為素填土(厚度2.1 m)、淤泥(厚度3.8 m)、粉質(zhì)黏土(厚度5.5 m )、粉細(xì)砂(厚度2.2 m)、坡殘積土(厚度8.4 m)、巖石全風(fēng)化帶、巖石強(qiáng)風(fēng)化帶、巖石中風(fēng)化帶、巖石微風(fēng)化帶等，地層參數(shù)見表1。噴射混凝土標(biāo)號為C40，隧道直徑為6.0 m，隧道埋深為19.2 m，地表建(構(gòu))筑物林立，導(dǎo)致施工危險(xiǎn)性增大。巖土本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)管片采用線彈性模型計(jì)算土層物理力學(xué)參數(shù)(見表1)。

表1 場地地層物理力學(xué)參數(shù)

2 建立三維計(jì)算模型

本文運(yùn)用巖土三維有限元分析軟件FLAC3D，采用三維數(shù)值模擬方法開展研究，建立的隧道三維模型總長度共60 m，共分30個(gè)施工步施工，每循環(huán)進(jìn)尺2 m，施工每3循環(huán)設(shè)置監(jiān)測斷面1個(gè)，所以共設(shè)置10個(gè)監(jiān)測斷面，溶洞位于隧道第4斷面到第6斷面之間，溶洞形狀定為橢圓柱形，溶洞位于隧道左正側(cè)。

三維模型建成后先開挖溶洞位置巖體，再計(jì)算圍巖自重應(yīng)力場，然后進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工。

為消除數(shù)值模擬邊界效應(yīng)問題，同時(shí)確保模型單元數(shù)量合理，三維模型左右邊界范圍取隧道5倍洞徑，上邊界取隧道實(shí)際埋深，下邊界取5倍洞徑范圍[10-11]。模型邊界為位移約束，下邊界采約束豎直位移，左右邊界約束水平位移，上邊界與實(shí)際一致，為自由邊界。圍巖體單元采用8節(jié)點(diǎn)四面體單元，網(wǎng)格后三維模型如圖1和圖2所示。

圖1 簡化后的有限元模型示意圖

圖2 三維模型剖切內(nèi)部展示圖

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 施工過程對隧道圍巖徑向位移影響分析

分析在有溶洞條件下，施工過程對不同里程隧道圍巖斷面的不同位置處徑向位移的影響。因計(jì)算量大，本文只分析靠近溶洞一側(cè)，隧道橫斷面左拱腰測點(diǎn)處對隧道圍巖徑向位移的影響。隧道各斷面左側(cè)拱腰徑向位移累積曲線，見圖3。圖中標(biāo)號LN-1，其中 N表示N號斷面所處的位置；1表示位于隧道左拱腰測點(diǎn)，如L4-1表示4號斷面隧道左拱腰測點(diǎn)。

圖3 各斷面徑向位移變化曲線

由圖3可知，隨著盾構(gòu)施工的進(jìn)行，溶洞附近隧道斷面圍巖的徑向位移都有迅速增大趨勢，曲線的斜率變陡，表明溶洞附近的開挖將引起位移的釋放率增大。

在已開挖的斷面中，無巖溶區(qū)域的圍巖變形受到后續(xù)溶洞附近開挖的影響，表明在溶洞區(qū)的開挖對無溶洞區(qū)圍巖的變形具有放大作用。

有溶洞的圍巖開挖前有較大前期變形，應(yīng)力釋放主要集中在開挖的瞬間，開挖前后期的應(yīng)力變化并不明顯，所以溶洞對圍巖應(yīng)力的影響集中表現(xiàn)在開挖瞬間，開挖前后圍巖的應(yīng)力變化甚微。

4.2 溶洞尺寸及凈距對隧道圍巖穩(wěn)定性影響

4.2.1 溶洞長軸連線與隧道邊墻垂直

取隧道襯砌斷面邊緣點(diǎn)A作為分析參考點(diǎn)(如圖4所示)，變換溶洞尺寸，溶洞短軸半徑DZ為固定值3 m，長軸半徑CZ分別取3.0 、4.0 、6.0 、8.0 m，溶洞與隧道間凈距L分別為1.0、2.0、4.0、6.0、8.0 m時(shí)，分析圍巖A點(diǎn)在無溶洞及不同溶洞尺寸情況下的水平及豎直位移差值，見表2及表3。

圖4 模型中點(diǎn)A的位置

表2 A點(diǎn)有無溶洞時(shí)的水平位移差值 mm

表3 A點(diǎn)有無溶洞時(shí)的豎直位移差值 mm

由表2和表3可知：

1)隨著溶洞尺寸的增大，隧道盾構(gòu)施工對圍巖的變形影響越大，當(dāng)溶洞與隧道間凈距為2 m時(shí)，對隧道左邊墻處圍巖變形影響最大，水平位移增加約為12.21 mm，豎直位移增加約為5.92 mm。

2)當(dāng)溶洞尺寸大小不變，隨著隧道與溶洞凈間距增加，溶洞對隧道圍巖變形減小，當(dāng)溶洞長軸尺寸小于3 m時(shí)，隧道與溶洞間安全凈距應(yīng)達(dá)到8 m以上，特別是在圍巖強(qiáng)度較低的情況下。

3)當(dāng)溶洞長軸尺寸位于3～8 m之間時(shí)，溶洞與隧道間凈距小于8 m后，溶洞對盾構(gòu)隧道施工圍巖穩(wěn)定性影響較大，有無溶洞兩種情況下，水平位移最大差值約為13.32 mm，最大豎直位移差值約為5.92 mm。

4)經(jīng)反復(fù)論證，溶洞長軸尺寸為8 m時(shí)，隧道側(cè)墻與溶洞的凈距應(yīng)達(dá)到14 m以上，溶洞對隧道影響則較小，但對于弱風(fēng)化等強(qiáng)度較高的圍巖，則該凈距偏于保守。由此，施工中應(yīng)加強(qiáng)輔助工法設(shè)計(jì)，充分利用超前小導(dǎo)管及圍巖注漿，防止圍巖失穩(wěn)。

不同尺寸溶洞及不同隧道間凈距情況下，隧道圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

由圖5可知，隨著溶洞幾何尺寸以及與隧道間凈距的變化，隧道圍巖塑性區(qū)分布及范圍均發(fā)生了顯著變化。溶洞尺寸較小時(shí)，塑性區(qū)主要分布于隧道拱腳處，溶洞尺寸較大時(shí)，塑性區(qū)主要分布于溶洞周圍較大范圍內(nèi)。

(a)CZ=4 m,DZ=3 m,L=2 m

(b)CZ=4 m,DZ=3 m,L=4 m

(c) CZ=8 m,DZ=3 m,L=2 m

(d)CZ=8 m,DZ=3m,L=4 m

4.2.2 溶洞長軸連線與隧道邊墻平行

取靠近溶洞側(cè)盾構(gòu)隧道襯砌斷面邊墻處圍巖為分析對象，如圖6中A點(diǎn)所示。

圖6 計(jì)算點(diǎn)A的位置

變換溶洞尺寸，溶洞短軸半徑DZ設(shè)為固定值3 m，而溶洞長軸半徑CZ分別取3.0 、4.0 、6.0 、8.0 m，溶洞與盾構(gòu)隧道間凈距L分別取1.0 、2.0 、4.0 、6.0 、8.0 m時(shí)，分析圍巖A點(diǎn)在無溶洞及不同溶洞尺寸情況下的水平及豎直位移差值，見表4及表5。

表4 A點(diǎn)有無溶洞時(shí)的水平位移差值 mm

表5 A點(diǎn)有無溶洞時(shí)的豎直位移差值 mm

由表4和表5可知：

1)溶洞長軸方向與隧道邊墻平行時(shí)的圍巖變形量大于與隧道邊墻垂直時(shí)的圍巖變形量，圍巖水平位移增加量約為33%，圍巖豎直圍巖增加量約為38%；

2)當(dāng)溶洞與隧道間凈距小于1 m時(shí)，其中間巖柱喪失自穩(wěn)能力，易發(fā)生坍塌現(xiàn)象；

3)隨著溶洞尺寸的增大，隧道盾構(gòu)施工對圍巖的變形影響越大，當(dāng)溶洞與隧道間凈距為2 m時(shí)，對隧道左邊墻處圍巖變形影響最大，水平位移增加約為14.25 mm，豎直位移增加約為7.85 mm；

4)當(dāng)溶洞尺寸不變時(shí)，隨著隧道與溶洞凈間距增加，溶洞對隧道圍巖變形減小。

不同尺寸溶洞及與隧道間不同凈距情況下，圍巖塑性區(qū)分布圖如圖7所示。

由圖7分析可知，溶洞尺寸及與盾構(gòu)隧道間凈距對圍巖塑性區(qū)影響較大，保持溶洞與隧道間凈距不變，溶洞尺寸較大時(shí)，塑性區(qū)分布于溶洞與盾構(gòu)隧道周圍范圍內(nèi)，溶洞尺寸較小時(shí)，塑性區(qū)分布于隧道拱腳處。

(a)CZ=4 m,DZ=3 m,L=2 m

(b)CZ=4 m,DZ=3 m,L=4 m

(c)CZ=8 m,DZ=3 m,L=2 m

(d)CZ=8 m,DZ=3 m,L=4 m

4.2.3 圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

比較上述分析2種工況，盾構(gòu)隧道圍巖最大、最小主應(yīng)力差值以及襯砌管片最大彎矩差值如表6所示。

表6 有無溶洞時(shí)圍巖應(yīng)力及管片彎矩差值

巖層最大、最小主應(yīng)力以及最大剪應(yīng)變隨著溶洞幾何尺度的增大和與隧道間凈距的減小而顯著增大。

5 結(jié)束語

本文以廣州某地鐵區(qū)間巖溶區(qū)盾構(gòu)隧道為工程依托，采用三維有限元彈塑性數(shù)值模擬，研究了盾構(gòu)隧道，溶洞尺寸及溶洞與地鐵隧道間凈距對隧道圍巖變形及應(yīng)力影響規(guī)律，由此得出如下主要結(jié)論：

1)隧道開挖過程中，圍巖的徑向位移在有溶洞存在時(shí)明顯增大，位移釋放率也比無溶洞時(shí)高，并且隨溶洞尺寸增加而放大。

2)溶洞對隧道圍巖水平位移量影響較大，而對豎直位移影響較小。

3)溶洞幾何尺寸(長軸)越大、距離隧道越近對隧道盾構(gòu)開挖的影響就越大。

4)當(dāng)溶洞長軸尺寸位于3～8 m之間時(shí)，溶洞與隧道間凈距小于8 m后，溶洞對隧道盾構(gòu)施工圍巖穩(wěn)定性影響較大，有無溶洞2種情況下，水平位移最大差值約為13.32 mm，最大豎直位移差值約為5.92 mm。

5)溶洞長軸尺寸為8 m時(shí)，隧道側(cè)向與溶洞的凈距應(yīng)達(dá)到14 m以上，才能確保溶洞對隧道影響較小，但對于弱風(fēng)化等土體強(qiáng)度較高的圍巖，則偏于安全。由此，施工中應(yīng)加強(qiáng)輔助工法設(shè)計(jì)，充分利用超前小導(dǎo)管及圍巖注漿，防止圍巖失穩(wěn)。

6)溶洞長軸方向與隧道邊墻平行時(shí)的圍巖變形大于溶洞長軸方向與隧道邊墻垂直時(shí)的圍巖變形，圍巖水平位移增加量約為33%，圍巖豎直圍巖增加量約為38%。

7)隨著溶洞幾何尺寸(長軸)以及與隧道凈距的變化，巖層塑性區(qū)的分布位置與范圍均發(fā)生了顯著變化。溶洞較小時(shí)塑性區(qū)主要分布于拱腳處，溶洞較大，塑性區(qū)主要分布于溶洞自身周圍，拱腳處分布范圍相對變小。

8)溶洞與隧道間安全凈間距不宜小于最大溶洞尺寸值，否則必須采用超前導(dǎo)管及圍巖加固注漿等方法對隧道圍巖進(jìn)行加固。

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