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，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，所以共設(shè)置10個監(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，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)有無溶洞時的水平位移差值 mm

表3 A點(diǎn)有無溶洞時的豎直位移差值 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，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，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，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，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，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，塑性區(qū)主要分布于隧道拱腳處，溶洞尺寸較大時，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，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)有無溶洞時的水平位移差值 mm

表5 A點(diǎn)有無溶洞時的豎直位移差值 mm

由表4和表5可知：

1)溶洞長軸方向與隧道邊墻平行時的圍巖變形量大于與隧道邊墻垂直時的圍巖變形量，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，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，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，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，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，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明顯增大，位移釋放率也比無溶洞時高，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，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，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，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的圍巖變形大于溶洞長軸方向與隧道邊墻垂直時的圍巖變形，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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