盾構隧道開挖過程中溶洞對 圍巖變形影響的數值模擬

王生武 李碩

摘 要：針對大連地鐵 5 號線某巖溶強烈發育區段盾構隧道開挖，運用 ABAQUS 軟件建立三維數值計算模型，分析盾構掘進過程中不同方位的溶洞對隧道圍巖變形的影響規律，結果表明：溶洞的存在對隧道圍巖變形影響顯著，隧道圍巖有向溶洞存在方位傾斜的趨勢;隧道開挖完成后，塑性區隧道與上部、側部溶洞圍巖未貫穿，下部溶洞產生貫穿塑性區，為掘進過程中的最危險部位。

關鍵詞：地鐵;盾構隧道;溶洞;圍巖變形;數值模擬

中圖分類號：U451.1

盾構法作為安全、環保、快速的建設手段，在地鐵隧道修建中得到了廣泛應用[1]。同時，在巖溶發育區開展盾構施工已是難以避免的工程難題，溶洞使隧道開挖過程易發生盾構機偏頭、栽頭，甚至圍巖坍塌。溶洞的處理對隧道工程的施工進度、經濟成本、人生安全影響巨大。

近幾年，關于溶洞對隧道施工的影響有關學者已經開始了一定的仿真研究。如，宋戰平等[2-5]研究了溶洞的不同分布位置、溶洞的尺寸大小及隧洞凈距對隧道施工過程中圍巖穩定性的影響規律。賴永標等[6-9]以隧洞間巖層塑性區貫穿及突變原理為破壞依據，通過圍巖參數等級、溶洞尺寸、隧道埋深等影響因素，建立了智能預測模型對溶洞與隧道間的安全距離開展了研究，并將模擬結果運用到實際工程中。但是，現有的研究大多針對隧道開挖完成后進行數值模擬，而關于在開挖過程中溶洞對盾構隧道圍巖變形影響的研究甚少。開挖完成后的變形與開挖過程中局部區域的變形之間存在一定的甚至比較明顯的區別，盾構機偏頭、栽頭現象易發生在隧道開挖過程中。本文通過數值模擬對不同分布位置的溶洞對盾構隧道圍巖變形影響規律進行研究。

1 工程概況

大連地鐵5號線工程線路全長23.8km，設車站18座，全線采用地下線敷設，本文對泉水東站—前鹽站區間盾構施工進行模擬。泉前區間設計范圍里程為K19 + 803.339～K20 + 607.607，右線長804.268m，左線長813.947m，隧道埋深17.2～23.6m。

隧道穿過中風化頁巖、中風化石灰巖，其中，中風化頁巖巖體破碎，節理、裂隙發育嚴重，中風化石灰巖巖體破碎～較破碎。石灰巖為可溶巖，溶隙、溶溝發

育[10-11]。勘察各鉆孔內均揭示石灰巖，其中有27個鉆孔發現有溶洞，溶洞發育不規律，洞高0.30～19.50m，洞頂埋深1.80～37.70 m，洞頂標高-5.90～28.80m，洞底標高-15.40～25.10 m。場地可溶巖區鉆孔見洞隙率為41.5%，線巖溶率4.8%，巖溶發育等級為強烈發育。

2 盾構隧道施工數值模擬

2.1 模型建立

理論與實踐表明，地下洞室開挖后，應力應變僅在洞室周圍距離洞室中心點3～5倍開挖高度或寬度的范圍內存在實際影響[12]，根據隧道埋深18 m，隧道外徑6.48 m，采用ABAQUS有限元軟件建立模型外部尺寸66 m×60 m×60 m（寬度方向X×隧道長度方向Y×埋深方向Z），巖土體分3層，分別是3.4 m、3.1 m、53.5 m。

模型共建有巖土體、盾構機殼、襯砌管片、注漿漿體等4個部件，盾殼外徑6.48 m，厚度0.2 m，長度8.4m;襯砌外徑3.1 m，厚度0.35 m;注漿漿體等代層外徑3.24 m，厚度0.14 m。

結合現場實測地質資料，在隧道上方、下方、側方各設有1個直徑3 m、長6 m的圓柱形溶洞，與隧道凈距均為2 m。上部溶洞位于Y = 12～18m（Y表示隧道長度方向），側部溶洞位于Y = 24～30 m，下部溶洞位于Y = 36～42m。隧道與溶洞空間的相對位置如圖1所示。

巖土體采用八節點線性六面體完全積分單元（C3D8），對于隧道圍巖及溶洞周圍區域加密網格，最小單元邊長為0.375 m。盾構機殼單元采用四節點曲面通用殼（S4）。注漿等代層、襯砌管片采用更適合于環狀的八節點線性六面體非協調單元（C3D8I）。模型共劃分單元87100個。邊界約束為，上頂面自由邊界，下底面施加Z向約束，左右兩側面施加X向約束，前后面施加Y向約束。有限元模型的網格劃分如圖2所示。

2.2 巖土及盾構機材料參數選取

Komiya[13]提出用圓筒形殼體模擬盾殼，將材料彈性模型取10倍鋼材的彈性模量來等效考慮盾構內部結構對剛度的增強作用，注漿等代層彈性模量4MPa[14]。本文選取材料參數[15-17]如表1所示。

2.3 盾構機掘進模擬

選取實際盾構管片寬度1.2 m為一次掘進步長，進行58次掘進模擬。掘進50次刀盤到達邊界，57次盾構機殼完全離開巖體，掘進58次注漿完成。

（1）初始地應力平衡模擬。隧道開挖前，先進行己有溶洞地層的巖土體自重應力場計算[18-20]，以達到含巖溶地層的初始位移平衡。

（2）進行開挖模擬。采用生死單元法，殺死掌子面前方土體，激活盾構機殼，施加掌子面壓力;前方激活，后方殺死，保持機殼8.4 m。

（3）支護及同步注漿。激活襯砌和注漿等代層單元，模擬盾構機的同步注漿。

3 模擬計算結果分析

3.1 圍巖變形分析

圖3給出了有、無溶洞工況下，盾構掘進26.4 m（開挖22次）時，Y = 27.6 m橫斷面上隧道圍巖水平側移云圖。由圖3可見，在無溶洞情況下，隧道圍巖水平側移呈對稱分布，最大水平側移位置在隧道側拱處;存在側部溶洞時，隧洞圍巖靠近溶洞側出現更大水平側移區域，隧道向溶洞側傾斜;側部溶洞左腰拱處水平側移1.9mm，較無溶洞時增加了48%。

圖4給出了盾構掘進37.2 m（開挖31次）時隧道圍巖沉降云圖。由圖4可見，存在下部溶洞時，位于刀盤底部A點沉降5.5 mm，無溶洞時沉降3.5 mm，增加了2.0 mm;受下部溶洞影響，掌子面前方巖體向下移動區域范圍增加，盾構機產生栽頭趨勢。

圖5給出了盾構隧道開挖完成后隧道圍巖整體沉降云圖。由圖5可見，有、無溶洞2種情況最大沉降值均為15.8 mm;有溶洞時最大隆起值23.9 mm，較無溶洞時減小0.1 mm。可見，溶洞對盾構開挖完成后最大沉降和隆起值影響較小，上部溶洞對沉降產生比較明顯的屏蔽作用，而下溶洞對隧道仰拱隆起產生了一定的屏蔽作用;沿隧道長度上沉降的差異是由于掌子面推力造成。

3.2 典型部位沉降分析

圖6給出了Y = 15.6 m橫斷面位置的隧道拱頂點（位于上部溶洞的正下方），在隧道開挖過程中的沉降曲線。為排除邊界效應影響，取掘進距離8.4m，即以盾構機完全進入巖土體為開始，盾構機掘進60m為結束。在整個掘進過程中，無溶洞時拱頂點的沉降較有上部溶洞時更大，這是由于上部溶洞的屏蔽作用所致。在掘進到13.2m時，受掌子面推力影響，隧道拱頂點有輕微上抬趨勢。由于盾構機殼及刀盤重力影響，從14.4 m掘進到15.6 m時隧道拱頂點沉降顯著增加;從15.6 m到掘進24 m時，沉降基本保持不變，此時處于盾構機殼掘進過程中，盾構機殼剛度大不易變形，產生了盾構殼長度8.4 m的穩定階段;當掘進到25.2 m時，拱頂點恰好對應于盾尾空隙，從而使得沉降迅速增大，有上溶洞時沉降15.4 mm，無溶洞時沉降17.3 mm。此后，由于同步注漿作用，拱頂點沉降值減小5%。

圖7給出了Y = 39.6 m橫斷面位置的隧道拱底點（位于下部溶洞的正上方），在隧道開挖過程中的沉降曲線。在掘進過程中，下部溶洞減小了隧道拱底點的隆起。在掘進到37.2 m時，受刀盤推力和重力影響，隧道拱底點沉降最大，有下部溶洞時沉降6.0 mm，無溶洞時沉降4.9 mm;由于盾構機刀盤的遠離，從掘進38.4 m到39.6 m時，隧道拱底點沉降有所減小;掘進48 m到49.2 m時，拱底點恰好對應于盾尾空隙，從而使得隆起迅速增大，有底部溶洞時隆起增加至13.6 mm，較無溶洞時隆起18.9 mm減小28%。

開挖完成后，在隧道全長度范圍，對隧道拱頂和隧道拱底位置的沉降變化進行了分析。

圖8給出了隧道拱頂沉降與隧道長度的關系曲線。為減少邊界效應影響，隧道長度取10.8 m到50.4 m。隧道長度10～20 m范圍，由于上部溶洞屏蔽作用的影響，沉降有所減小;在隧道長度14.4 m，有溶洞時拱頂沉降12.9 mm，較無溶洞時沉降14.5 mm減小了11%;隧道長度20～30 m范圍，側部溶洞使隧道圍巖豎向剛度減小，有溶洞時隧道拱頂沉降較無溶洞時有所增加;隧道長度30～50 m范圍，由于下部溶洞存在，相當于增加了隧道高度，隧道圍巖橫向剛度減小，受圍巖擠壓，拱頂沉降有所減小。

圖9給出了隧道拱底沉降與隧道長度的關系曲線。隧道長度10～20 m范圍，上部溶洞使隧道圍巖橫向剛度減小，受圍巖擠壓作用，拱底隆起有所減小;隧道長度20～33 m范圍，由于側部溶洞存在，隧道豎向剛度減小，隆起較無溶洞時有所增加;隧道長度33～43 m范圍，由于下部溶洞存在，隧道圍巖產生塑性變形，隆起值18.9 mm，較無溶洞時下沉了4.2 mm。

3.3 圍巖塑性變形分析

圖10給出了盾構掘進完成后，隧道圍巖橫斷面塑性應變云圖，由圖10可見，隧道周圍由于掌子面推力擾動，產生了環狀塑性變形區，溶洞位于隧道上部、側部、下部3種情況均在隧道拱底產生最大塑性應變。上部溶洞存在時，最大塑性應變值0.027，側部溶洞存在時，最大塑性應變值為0.025。這表明，溶洞靠近隧道側腰拱處塑性應變較大，但隧洞圍巖塑性區域并未貫穿;下部溶洞存在時，最大塑性應變值為0.022，表明溶洞拱頂產生明顯塑性變形，溶洞頂板產生貫穿塑性區。

圖11 給出了隧道圍巖縱斷面塑性應變云圖，由圖11可見，隧道拱底靠近下部溶洞邊界處產生明顯塑性變形，最大塑性應變值為0.027。這表明，溶洞靠近開挖側的邊界最易產生貫通塑性區，為最危險部位，因此，在盾構開挖臨近下部溶洞邊界時應加強實時監控，防止盾構機發生載頭現象。

4 結論及建議

（1）受溶洞影響，開挖過程中隧道圍巖向溶洞存在方位傾斜。側溶洞靠近隧道側腰拱部位較無溶洞情況下水平側移增加48%。掘進時，隧道下部的溶洞會使盾構機掌子面有向下栽頭趨勢，掘進完成后，上部溶洞對圍巖沉降產生屏蔽作用。

（2）盾構掘進過程中，受掌子面推力影響，仰拱點發生輕微上抬，底部輕微下沉;由于盾殼剛度大，圍巖位移基本不變;受盾尾空隙影響，圍巖頂、底均向隧道中心收斂;注漿加襯砌使圍巖頂底收斂趨勢減小，盾尾空隙對圍巖最終的位移變化具有較大的影響，實際施工應加強同步注漿的質量監控。

（3）隧道拱頂、底沉降曲線表明，開挖完成后，上部溶洞的屏蔽作用使隧道頂部圍巖沉降有所減小;側溶洞存在使隧道豎向剛度減小，隧道頂底向中心收斂;下部溶洞使隧道底部圍巖沉降發生明顯塑性變形，多下沉了4.2 mm。

（4）盾構掘進完成后，隧道周圍由于盾構機刀盤推力擾動，產生了環狀塑性區。存在上部溶洞時，溶洞腰拱部位產生輕微塑性變形;有側部溶洞時，溶洞靠近隧道側圍巖出現明顯塑性區，但塑性區并未貫穿;有下部溶洞時，溶洞頂部產生明顯塑性變形，隧洞圍巖產生貫穿塑性區，下部溶洞最易出現圍巖坍塌，為危險部位，建議把底部、側部溶洞作為優先處理對象。

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收稿日期 2019-01-16

責任編輯 朱開明

Numerical simulation of influence of karst tunnel on deformation of surrounding rock in shield tunneling

Wang Shengwu， Li Shuo

Abstract： In view of shield tunneling in a serious karst developed section of Dalian metro line 5， a three-dimensional numerical calculation model is established by using ABAQUS software， and this paper analyzes the influence patterns of different directions of the karst caves on the tunnel surrounding rock deformation in the process of shield tunneling. The results show that the karst caves have significant influence on the tunnel surrounding rock deformation， and the tunnel surrounding rock has the trend of inclining to the karst caves. The most dangerous part in the tunneling process is when the tunnel is through， the tunnel in the plastic area is not through the surrounding rock of the upper and side karst caves， and the lower karst cave is through into the plastic area.

Keywords： subway， shield tunnel， karst cave， surrounding rock deformation， numerical simulation