武漢巖溶區復合地層小型盾構施工引起的地表變形規律研究

蔡兵華，崔德山，馮曉臘，李忠超

( 1.武漢市市政建設集團有限公司，湖北 武漢 430742；2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074 )

小型盾構施工法是目前電力隧道施工的主要工法，在武漢綜合管廊建設中占據主要地位。但對于復合地層，特別是上面是紅黏土、下面是巖溶區的復合地層，小型盾構施工中不可避免地會對巖土層產生擾動，從而引起地面沉降和土層自重應力的重分布，對隧道周邊的道路、高架橋和居民樓均產生不利的影響[1-3]。在復合地層盾構施工方面，Clough等[4]研究了土壓平衡盾構施工方法，發現向復合地層中的砂層注漿可減小地面變形；李杰等[5]通過正交試驗確定了復合地層盾構施工中泡沫對刀盤扭矩的參數；宋天田等[6]在分析復合地層中刀具磨損的基礎上,提出了混合刀盤設計方法，這些研究均有助于減小盾構施工對復合地層的擾動,從而減小盾構施工對地表變形的影響。在復合地層盾構施工引起的地面沉降方面，Lee等[7]采用彈塑性模型對軟土開挖引起的地面沉降量進行了三維有限元計算；Rowe等[8-9]采用數值方法和經驗公式對隧道施工過程中的地面沉降進行了預測與評價；傅鶴林等[10]揭示了復合地層中淺埋盾構隧道開挖引起的地層位移和應力分布；劉聯偉[11]研究了復合地層中盾構法施工引起的地面沉降規律；Cattoni等[12]采用二維有限元方法模擬了盾構隧道開挖速度、軟土固結速度和水力邊界條件下地表的變形；Liu等[13]對地鐵盾構施工引起的地面沉降規律進行了研究，并對沉降參數進行了敏感性分析。

雖然國內外學者對盾構施工引起的地面沉降開展了大量的研究，但尚缺乏對巖溶地區復合地層盾構施工引起的地表變形規律的研究。為此，本文在查明復合地層結構、揭示溶洞發育規律及其與電力隧道聯系的基礎上，通過現場監測數據和數值模擬結果，得出巖溶區復合地層小型盾構施工引起的地表變形規律，為控制巖溶區復合地層小型盾構施工地表變形提供依據。

1 工程概況

本次選取武漢雄楚大道高壓電力隧道項目工程為研究對象，該隧道工程西起楚平路(K7+320 m)，東至關山變電站(K11+ 720 m)，隧道直徑為3 m，埋深為8～16 m，線路全長為4 400 m，見圖1。由于雄楚大道有武漢市二環線高架和BRT快速車道，為了不影響地表交通，本工程項目采用中國鐵建重工集團有限公司自主研發的ZTE3730型小直徑土壓平衡盾構機，開挖直徑為3 785 mm，管片為3 500 mm，最小轉彎半徑為100 m，爬坡能力達±35‰，適用于黏土、卵礫石、灰巖等復合地層。這是湖北省首次采用小直徑微型盾構機進行城市綜合管廊施工，與傳統頂管等其他施工方法相比，施工效率可提高2～3倍以上，且作業環境和安全性也可得到極大的改善。

圖1 武漢雄楚大道高壓電力隧道項目工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological plan of high-voltage power tunnel project in Xiongchu Anenue,Wuhan T1d為三疊系大冶組，薄層灰巖、泥灰巖、頁巖；P1g為二疊系孤峰組，硅質巖夾硅質灰巖；C2c為石炭系船山組，球粒灰巖； D3w為泥盆五通組，石英砂巖、底部夾礫巖；S2f為志留系墳頭組，灰綠色粉砂巖、頁巖

楚平路至關山變電站地貌單元屬于長江三級階地，沿線地勢開闊，地形起伏不大，地面高程在23.00～45.00 m之間。根據《武漢市基巖地質圖》(1∶50 000)可知，該隧道工程處于新隆-豹子獬復式倒轉向斜區域內，核部為三疊系大冶組灰巖(T1d)，兩翼為志留系—二疊系泥灰巖、灰巖組成，沿線出露地層主要有第四系填土、紅黏土和二疊系泥灰巖、灰巖。該隧道工程沿線無地表水，地下水的類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水，鉆孔揭露地下水為上層滯水，基巖裂隙水和巖溶水不發育，對本工程無影響。

根據《武漢雄楚大道電力隧道勘察報告》，該隧道工程沿線地面以下均存在二疊系泥灰巖和灰巖，基巖面起伏高差約為5.41～17.80 m(見圖2),特別是在N3#～N4#區間的灰巖中，巖溶較發育，溶洞見洞率高達81.1%，最大洞徑達6 m，平均洞徑約為3.5 m，溶洞為半充填-全充填狀態，充填物為軟塑-硬塑狀態的黏性土。因此，在該區間開展小直徑土壓平衡盾構機施工時，溶洞的大小、埋深、距隧道底板的距離、充填物等均會影響地面沉降的大小。根據《武漢雄楚大道電力隧道勘察報告》，在該區間的灰巖中，溶洞高度在(0，1 m]的數量占總數的百分比為14%，溶洞高度在(1，3 m]的數量占總數的百分比為42%，溶洞高度在(3，6 m]的數量占總數的百分比為33%，溶洞高度在6 m以上的數量占總數的百分比為11%；溶洞距隧道底板的距離在(0，2 m]的數量為6個，占總數的百分比為7.8%,溶洞距隧道底板的距離在(2，4 m]的數量為43個，占總數的百分比為55.8%,溶洞距隧道底板的距離在(4，6 m]的數量為6個，占總數的百分比為7.8%,溶洞距隧道底板的距離在(6，8 m]的數量為11個，占總數的百分比為14.3%,溶洞距隧道底板的距離在(8，10 m]的數量為4個，占總數的百分比為5.2%,溶洞距隧道底板的距離大于10 m的數量為7個，占總數的百分比為9.1%。

圖2 武漢雄楚大道高壓電力隧道項目工程鉆孔剖面圖Fig.2 Boring cross section of high-voltage power tunnel project in Xiongchu Avenue,Wuhan注：N為巖土工程勘察標準貫入原位測試中錘擊數。

2 復合地層小型盾構施工引起的地面沉降的數值模擬

根據《武漢雄楚大道電力隧道勘察報告》和設計文件，在N3#～N4#區間的地層主要為填土、紅黏土、含礫黏土、灰巖等。為了研究復合地層小型盾構隧道施工引起的地面沉降，本文采用有限元軟件Abaqus對不同工況組合進行了數值模擬。本構模型采用Mohr-Coulomb模型，模型尺寸為40 m×30 m，隧道直徑為3 m，隧道埋深取15 m，巖土層和襯砌基本物理力學參數的選取，見表1。

巖溶地層的三維地質建模較復雜[14]，本文采用二維模型建模。受地層巖性和裂隙控制，碳酸鹽巖地層中溶洞的發育極不規則，在數值模擬時，可根據鉆孔地質剖面和溶洞掉鉆記錄，近似將溶洞模擬成圓形且主要位于隧道基準面以下。本次數值模擬過程中，假設各地層為各向同性，符合Mohr-Coulomb破壞準則，且不考慮溶洞形成過程即溶洞處于穩定狀態。本次數值模擬過程分3步：第一步，根據地層參數生成模型，并施加初始地應力場；第二步，生成不同直徑和不同埋深的溶洞，計算相應的應力場和位移場；第三步，開挖隧道并生成襯砌結構，計算復合地層小型盾構隧道施工引起的地表變形規律。

表1 復合地層的基本物理力學參數

2.1 紅黏土和灰巖復合地層中小型盾構施工引起的地面沉降規律模擬

通過該隧道工程鉆孔剖面圖(見圖2)可知，在K69、K70、K73和K74地段，小型盾構施工主要穿越的地層是紅黏土，紅黏土層厚越大，灰巖表面埋深越深，巖層表面距隧道底板深度Z越大。為了揭示不同厚度紅黏土和灰巖復合地層中小型盾構施工引起的地面沉降規律，假設復合地層組合見表2，采用Abaqus數值模擬軟件對不同復合地層組合下小型盾構施工引起的地面沉降量進行了數值模擬計算，其模擬結果見圖3。

表2 典型的復合地層組合

由圖3可見，紅黏土層厚度越大、灰巖埋深越深的復合地層中，小型盾構施工引起的地面沉降越大，地面最大沉降量可達2.68 mm[圖3(a)]對周邊建筑物的影響也最大；紅黏土層厚度越小、灰巖埋深越淺的復合地層，小型盾構施工引起的地面沉降越小，地面最大沉降量為1.42 mm[圖3(c)]；當隧道中心正好處于紅黏土與灰巖的分界面時，地面最大沉降量可達1.97 mm，這主要是因為紅黏土具有較高的塑性，當開挖形成隧洞后，在自重應力作用下，會產生較大的塑性變形，從而引起較大的地面沉降，而灰巖強度和變形模量均較紅黏土高，開挖后，在自重和上覆壓力下產生的地面沉降非常小。

2.2 溶洞直徑大小和埋深對地面沉降的影響規律模擬

通過該隧道工程鉆孔剖面圖(見圖2)可知，在K71和K72地段，小型盾構施工主要穿越的地層是紅黏土和灰巖復合地層，此時溶洞直徑D和溶洞距隧道底板的距離H對地面沉降的影響較大。本文采用Abaqus數值模擬軟件，根據前期勘察統計結果，考慮隧道底部溶洞直徑D分別為2 m和4 m，溶洞距離隧道底板的距離H分別為2 m、4 m時，對不同溶洞直徑大小和埋深對地面沉降量的影響進行了數值模擬計算，其模擬結果見圖4、圖5和圖6。

Fig.5 溶洞距隧道底板的距離為6 m時的地面 沉降云圖Fig.5 Surface subsidence cloud with the karst cave being 6 m away from the tunnel floor

圖6 溶洞直徑大小和埋深對地面沉降量的影響Fig.6 Influence of size and buried depth of karst cave on surface subsidence

由圖4、圖5和圖6可見，在隧道底板以下，隨著溶洞直徑的增加，地面沉降量最大值增加，橫向影響范圍也在增加；對于相同直徑的溶洞，其距隧道底板的距離越大，地面沉降量最大值減小，橫向影響范圍增加；當溶洞直徑較小時(洞徑為2 m時)，溶洞距隧道底板的距離超過6 m時，地面沉降量趨于穩定。

3 地面沉降監測

在巖溶區復合地層進行小型盾構施工過程中，要對附近建筑物地面沉降進行監測[15]。本工程項目重點對N3#～N4#區間地面沉降進行了監測，即沿著該電力隧道中心線，每隔5 m布置一個地面沉降監測點，每天讀取一次地面沉降監測數據。通過對地面沉降監測數據進行分析發現，隧道底板以下有溶洞的情況下地表變形較大。以K72處地面沉降監測數據為例，通過對監測點D14-1的地面沉降量監測曲線(見圖7)進行分析發現，當小型盾構機在該處施工時，地面沉降速率較快，且地面沉降量較大；當小型盾構機通過該段后，地面沉降量趨于平緩，說明當襯砌結構完成后，地表變形逐漸穩定。

圖7 D14-1監測點的地面沉降量監測曲線Fig.7 Monitoring curve of surface subsidence at monitoring point D14-1

4 結 論

通過現場勘察、監測及室內數值模擬，揭示了武漢巖溶區復合地層小型盾構施工引起的地表變形規律，得到主要結論如下：

(1) 在巖溶區復合地層中進行小型盾構施工時，巖層表面距隧道底板的距離越大，地面沉降量越大。這是因為上部土層的壓縮系數較大、變形模量較小，當開挖后，引起的地表變形較大。

(2) 在巖溶區復合地層進行小型盾構施工時，隧道底板以下溶洞的直徑越大、溶洞距隧道底板的距離越近，施工引起的地面沉降量越大；

(3) 在巖溶區復合地層進行小型盾構施工時，當溶洞距隧道底板的距離超過6 m后，對地面沉降的影響趨于穩定。因此，在施工前，建議對隧道底板以下6 m內的溶洞進行重點處理。