巖溶區(qū)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形特征研究*

劉 恒，王 超，蔣澤龍

（1.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

巖溶分布廣泛，地球上陸地總面積中有12%為巖溶區(qū)面積。由于我國(guó)土地面積遼闊，其中巖溶區(qū)域分布范圍廣，尤其在東南沿海和西南山區(qū)[1-3]。受地理環(huán)境影響，我國(guó)深圳地區(qū)修建地鐵通過碳酸鹽地層的隧道長(zhǎng)度占較大比例，因此在遇到巖溶時(shí)會(huì)受到其不同程度的影響[4]。主要原因是深圳地層中的喀斯特地貌可溶性巖石中的物質(zhì)有硫酸鹽巖、碳酸鹽巖以及鹵化物巖等，同時(shí)地下水可以機(jī)械腐蝕可溶性巖石從而出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)轉(zhuǎn)移、攜帶以及再沉淀物質(zhì)等問題，導(dǎo)致某個(gè)地區(qū)出現(xiàn)大面積地質(zhì)災(zāi)害[5-6]。最近幾年受到突泥、巖溶涌水等自然災(zāi)害影響，嚴(yán)重影響盾構(gòu)隧道正常施工，同時(shí)帶來巨大的工程問題[7-8]。由此可見，實(shí)際施工與運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道工程階段必須考慮涌水地質(zhì)災(zāi)害的影響[9]。綜合分析深圳地鐵14號(hào)線大運(yùn)—寶荷工程區(qū)段盾構(gòu)隧道工程的地質(zhì)情況，其位于巖溶區(qū)范圍內(nèi)，且?guī)r溶發(fā)育豐富，因此有必要對(duì)該區(qū)段內(nèi)的盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形特征進(jìn)行深入研究，保證盾構(gòu)施工的安全。

1 構(gòu)建有限元計(jì)算模型及選擇參數(shù)

結(jié)合深圳地鐵14號(hào)線工程概況，選擇處于巖溶發(fā)育較豐富地段隧道作研究。隧道埋深范圍25～40m，地下水位約14m。采用ABAQUS軟件建立模型，直觀地顯示改變地下水后隧道滲流場(chǎng)狀態(tài)，模型是尺寸為130m×160m的矩形箱體，上下取值、兩側(cè)取值分別為75m、60m。在頂面1m以下位置處劃分初支、注漿圈以及二襯，并在3m以下位置處劃分圍巖，保證分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

結(jié)合工程資料及國(guó)內(nèi)外相關(guān)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，在摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則條件下對(duì)模型施加約束，水頭高度取14m，圍巖采用彈塑性本構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)運(yùn)用彈性本構(gòu)模型，通過ABAQUS軟件建立的滲流-應(yīng)力耦合模型模擬數(shù)值并對(duì)其分析計(jì)算。有限元計(jì)算模型所有單元參數(shù)如表1所示，襯砌結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)（即模型中的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)）的布置情況如圖1所示。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 多種注漿圈厚度條件下研究襯砌結(jié)構(gòu)變形特征

在探索注漿圈厚度影響襯砌結(jié)構(gòu)變形時(shí)，模型建立時(shí)的部分參數(shù)取值如表2所示，由表2選取初支厚度、水頭高度分別為0.2m、14m，二襯厚度設(shè)為0.4m，其他情況可參照表1所示參數(shù)，分別研究0m、3m、5m及8m情況下實(shí)際模型工況，分析襯砌結(jié)構(gòu)在水平方向與豎向變形位移。不同注漿圈厚度時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化曲線如圖2所示。由圖2發(fā)現(xiàn)，增大注漿圈厚度，襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移出現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)減小幅度逐步下降。

表1 有限元計(jì)算模型單元參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)圖

表2 模型建立時(shí)的參數(shù)取值統(tǒng)計(jì)表（1）

圖2 不同注漿圈厚度時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化曲線

2.2 多種注漿圈滲透系數(shù)條件下研究襯砌結(jié)構(gòu)變形特征

在探索注漿圈滲透系數(shù)影響襯砌結(jié)構(gòu)變形情況時(shí)，模型建立時(shí)的部分參數(shù)取值如表3所示，由表3中的參數(shù)值選取注漿圈厚度與水頭高度分別為3m、14m，初支厚度取為0.2m，二襯厚度取為0.4m，其他情況可參照表1所示參數(shù)，分別研究5×10-4m/s，5×10-5m/s、5×10-6m/s、5×10-7m/s以及5×10-8m/s注漿圈滲透系數(shù)情況下的5種模型工況，分析襯砌結(jié)構(gòu)的豎向和水平向變形位移。不同注漿圈滲透系數(shù)時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化曲線圖如圖3所示。分析圖3發(fā)現(xiàn)，襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移隨著注漿圈滲透系數(shù)的減小而加速下降。

表3 模型建立時(shí)的參數(shù)取值統(tǒng)計(jì)表（2）

圖3 不同注漿圈滲透系數(shù)時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化曲線圖

2.3 多種二襯厚度條件下研究襯砌結(jié)構(gòu)變形特征

在探索二襯厚度影響襯砌結(jié)構(gòu)變形時(shí)通過構(gòu)造模型，水頭高度取14m，初支厚度取0.2m，注漿圈厚度取3m，其他情況可參照表1所示參數(shù)，依次研究二襯厚度為0.2m、0.4m、0.6m及0.8m的4種工況，通過襯砌結(jié)構(gòu)的豎向和水平向變形位移來分析與研究。不同二襯厚度時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化曲線圖如圖4所示。分析圖4發(fā)現(xiàn)，襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移隨著二襯厚度的增加而不斷減小，且減小幅度逐漸下降。

3 結(jié)論

（1）拱頂位置生成的變形位移通常數(shù)值較高；拱腳處的變形位移一般最小。

圖4 不同二襯厚度時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化曲線圖

（2）降低注漿圈滲透系數(shù)相比增加注漿圈厚度和二襯厚度在減小隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形位移方面效果更好。

（3）依托深圳地鐵14號(hào)線大運(yùn)—寶荷區(qū)間盾構(gòu)隧道，采用ABAQUS軟件研究盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形特征，并嚴(yán)格控制該工程區(qū)段地鐵隧道注漿圈厚度小于4m，控制襯砌厚度小于0.5m，同時(shí)注漿圈滲透系數(shù)小于 1×10-5m/s。