溶洞上覆砂性地層盾構隧道合理布置位置研究

王 亞 王士民 孫雪兵

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室 四川成都 610031；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 引言

近年來，隨著國家大規模開展軌道交通建設，地鐵及地下工程項目所遭遇的地質環境也越來越復雜，其中巖溶作為較為常見的特殊地質之一，施工中經常也會遇到。巖溶的存在提高了盾構隧道開挖面涌水、襯砌開裂以及地表塌陷等施工問題發生的概率，給地下工程建設與安全帶來諸多挑戰。

因此，相關學者和工程技術人員對巖溶地質災害進行了較為系統的研究。針對巖溶賦存位置，現有研究多集中在巖溶空腔位于隧道不同方位下的圍巖及結構穩定性分析[1-4]。除此之外，越來越多學者開始關注隧道與溶洞距離的影響。代永文等[5]對溶洞尺寸以及溶洞與盾構隧道距離對圍巖變形的影響規律進行分析，提出在一定距離范圍內，圍巖變形與距離呈線性關系；朱浩博等[6]提出了一種多因素共同作用下的巖溶隧道安全距離三維預測模型；馬永昌[7]分析了溶洞的大小、遠近對隧道圍巖塑性區的影響規律；鄧昌林[8]考慮隧道施工和運營兩種受力工況，對隧道與底部隱伏溶洞之間的安全距離進行了分析。然而，目前針對巖溶上覆砂性地層的新型巖溶地質問題的相關研究尚少，設計過程中無法對因其賦存引起的結構及地層響應做出準確評價。

本文以武漢地鐵11號線江安路站-復興路站盾構區間為依托，通過數值模擬分別研究了上覆砂性地層中的盾構隧道與砂層-灰巖界面豎向凈距為12 m、9 m、6 m及3 m時溶洞上覆砂層塌陷對隧道周邊地層以及管片襯砌結構產生的影響，以期為溶洞上覆砂性地層中盾構隧道合理布置位置的選擇提供指導。

2 依托工程概況

武漢地鐵11號線三期工程江安路站-復興路站盾構區間位于武昌區，場地上部為富水砂層，下部為灰巖地層(有溶洞)，為長江一級階地巖溶塌陷區。盾構隧道管片襯砌外徑為6.2 m，襯砌每環1.5 m寬，厚0.35 m，注漿層厚度為0.2 m。

探測結果表明，勘察區域所揭露溶洞高度一般為0.3～26.4 m，其中大多數溶洞高度在3 m左右，溶洞頂、底板多見蜂窩狀、針狀溶孔。

3 勘察區域溶洞塌陷機理及表征

根據武漢市巖溶發育特征和分布規律，可知長江一級階地巖溶塌陷類型主要為沙漏型巖溶塌陷，其塌陷機理為:在長江一級階地地區，巖層上方覆蓋有較厚的密實砂層，巖層中存在大小各異的溶洞。當溶洞塌陷時，溶洞上覆砂層的砂土顆粒會沿著已經存在的溶蝕裂隙漏失，最終儲存到規模不一的溶洞及地下暗河之中，進而導致地面出現塌陷，如圖1所示。

圖1 沙漏型巖溶塌陷機理示意

在有限元軟件計算中，對于溶洞塌陷的表征可通過削減溶洞上方松散區域砂土的物理力學性能來實現。為此，本文引入松散區域砂土的力學參數折減系數來確定松散砂土弱化后的力學參數。根據相關研究[9]，可以確定均質砂土干密度折減系數為0.80，彈性模量折減系數為0.29～0.38，泊松比折減系數為0.67～0.89，內摩擦角折減系數為0.79～0.86。

根據地質勘察結果，砂層-灰巖界面附近的溶洞最發育，且在勘察加固過程中漏掉的溶腔體積通常較小。為簡化計算，本文計算將溶洞簡化為一圓柱體，位置選在砂層-灰巖界面，溶洞高度取為3 m，直徑為1.5 m，松散砂土下漏邊界與地表夾角為40°。參照規范(GB 50187—2012)[10]取砂層的松散系數為1.21，通過巖溶的體積和密實砂土的松散系數可以換算出巖溶上方砂層的松散區域，見表1。

表1 溶洞上覆砂層塌陷范圍

4 計算模型建立及參數選取

4.1 計算模型

對于隧道開挖前已塌陷的溶洞，采取鉆孔樁+樁之間范圍滿鋪式注漿措施來減小側向溶洞對新建隧道的影響。本次計算中，溶洞處于左線隧道正下方，且溶洞在隧道開挖、支護完成后塌陷。建立四種計算工況如表2所示。建模過程中，考慮圣維南原理即隧道開挖主要影響區域在3～5D(D為隧道開挖直徑)范圍內，因此計算模型尺寸為90 m(隧道橫向)×50 m(深度方向)×36 m(隧道縱向)。本文運用ANSYS有限元軟件建立隧道-隔離樁-溶洞(包括巖溶對砂層的影響區域)三維有限元模型，其中地表橫向監測斷面位于隧道縱向18 m處，模型半剖面如圖2所示，隧道與溶洞的位置關系如圖3所示(以凈距12 m為例)。

表2 計算工況設置 m

圖2 計算模型半剖面

圖3 凈距12 m時隧道與溶洞位置關系

4.2 參數選取

在數值計算中，隧道圍巖按均質彈塑性考慮，支護結構均按彈性考慮，土體屈服采用Drucker-Prager準則，模型單元均采用SOLID45單元模擬。同時，采用剛度折減法對管片接頭進行簡化處理，其橫向和縱向折減系數分別取0.80和0.01[11]。

結合相關資料，將依托工程所穿越地層土體、隔離樁結構、盾構隧道管片襯砌及注漿層的力學參數整理列于表3。其中，溶洞塌陷弱化區域各項力學參數由溶洞上方中細砂地層力學參數與對應的力學參數折減系數相乘得到。

表3 地層土體及結構材料力學參數

5 數值計算結果分析

5.1 橫向監測斷面沉降分析

按照四種不同工況進行模擬計算，提取典型開挖步完成后模型橫向監測斷面的沉降云圖，如圖4所示。

圖4 溶洞塌陷后模型豎向沉降分布云圖

分析圖4可知，溶洞塌陷后，地層的最大沉降和最大上隆變形分別出現在隧道頂部和底部土體區域，且溶洞的存在使左線隧道底部土體上隆變形的范圍縮小，并使其有沉降的趨勢。隨著隧道與砂層-灰巖界面豎向凈距的減小，地層的最大沉降量在整體上呈逐漸增大趨勢，工況1、2、3的最大隆起量變化不明顯，而工況4的隆起量受溶洞塌陷影響有約2 mm的降低。

雙線貫通后的地表沉降曲線如圖5所示。

圖5 橫向監測斷面沉降曲線

分析圖5可知，隨著隧道與砂層-灰巖界面豎向凈距的減小，地表沉降值總體上呈增大趨勢，但工況4的地表沉降值較小，接近于工況1。這是因為在工況1、2、3下，地表沉降受隧道開挖和溶洞塌陷疊加效應影響，隨著凈距減小，這兩種擾動因素的相互影響作用加強，進一步導致對周邊地層的擾動增大，而工況4下的隧道埋深足夠大，導致此時的地表變形受隧道開挖和溶洞塌陷的影響小，故工況4下的地表沉降較小。

5.2 既有隧道管片結構變形特性分析

待工況1、2、3和4的典型開挖步完成后，提取四種工況下由隧道開挖和溶洞塌陷引起的管片襯砌結構的最大變形值，并繪制管片襯砌結構變形曲線，如圖6所示。規定隧道結構豎向變形以沉降為負、隆起為正，橫向變形以右拱腰向右為正、左拱腰向左為負，為更清晰地比較各變形之間的數值大小關系，在圖6中各變形值均取絕對值。

圖6 不同凈距下管片襯砌變形曲線

分析圖6可知，隨著隧道與砂層-灰巖界面豎向凈距的減小，溶洞塌陷與隧道施工相互影響逐漸增強，導致管片變形顯著增加，但拱底變形值變化不明顯。當隧道距離砂層-灰巖界面6～12 m范圍時，隧道拱頂沉降值和左、右拱腰外擴變形量隨凈距減小呈線性增加趨勢，拱頂沉降高達18.31 mm。之后，隨凈距減小，隧道拱頂沉降值變化較小，拱底上隆和左、右拱腰外擴變形量則呈小幅降低。由上述分析可知，從盾構隧道管片襯砌變形的角度考慮，隧道與砂層-灰巖界面的豎向凈距設置應盡量避開1倍洞徑左右的量值。

為便于進一步分析溶洞塌陷和雙線隧道開挖兩種擾動因素對隧道管片襯砌結構變形的影響，將相關變形值匯總于表4。

表4 不同工況下隧道豎向變形 mm

由表4可知，管片襯砌的最大豎向變形均為沉降變形，選取表4的絕對變形值繪制如圖7所示的管片襯砌沉降變形曲線。

圖7 不同凈距和擾動因素下管片襯砌沉降變形曲線

分析表4和圖7可知，由隧道開挖引起的管片襯砌沉降值和管片襯砌最終沉降值的變化規律基本一致，即在隧道拱底距離砂層-灰巖界面6～12 m范圍時，上述兩種沉降值隨凈距減小呈線性增加，而凈距小于6 m時，這兩種沉降值近乎不變。在隧道拱底距離砂層-灰巖界面7～12 m范圍時，由溶洞塌陷引起的管片襯砌沉降值變化較小，而在凈距小于7 m時，該沉降值呈大幅升高。究其原因，主要是因為隧道與溶洞凈距小，管片襯砌受砂層塌陷影響大，故沉降值也隨之增大。由上述分析可知，從溶洞塌陷對盾構隧道管片襯砌變形影響的角度考慮，隧道與砂層-灰巖界面的豎向凈距應盡量大于7 m。

5.3 既有隧道管片結構受力特性分析

計算完成后，提取監測斷面左線隧道一環襯砌結構的應力，并繪制相應極坐標曲線，如圖8所示。

圖8 管片襯砌結構主應力極坐標

由圖8a可知，隨著隧道與砂層-灰巖界面豎向凈距的減小，管片襯砌結構的拉應力在逐漸增大。工況1～3下的拉應力變化較規則，而工況4下的管片襯砌拉應力在左、右拱腳處變化很大，增率分別為394.55%和488.30%。由圖8b可知，管片襯砌結構的壓應力也隨凈距減小呈逐漸增大的趨勢，壓應力值增率在3.36%～63.49%變化。其中，工況4下的隧道拱頂和兩側拱腳的壓應力值很大，數值約為1.9 MPa，出現了應力集中現象，容易造成結構局部壓壞。

由上述分析可知，管片襯砌受力最不利位置為兩側拱腳，因此以左、右兩側拱腳處的主應力為研究對象，取兩主應力的絕對值繪制如圖9所示的應力變化曲線。

圖9 不同凈距下管片襯砌主應力曲線

分析圖9可知，在隧道拱底距離砂層-灰巖界面7～12 m范圍時，隧道左、右拱腳第1主應力值隨凈距減小基本保持在0.10 MPa左右，而在凈距小于7 m時，左、右拱腳的第1主應力值隨凈距減小大幅升高，最大應力值達到0.63 MPa；在隧道拱底距離砂層-灰巖界面8～12 m范圍時，隧道左、右拱腳第3主應力值小于1.10 MPa，且變化率較小，而在凈距小于8 m時，左、右拱腳的第3主應力值隨凈距減小也大幅升高，最大應力值達到1.84 MPa。由上述分析可知，從盾構隧道管片襯砌受力角度考慮，隧道與砂層-灰巖界面的豎向凈距應盡量大于8 m。

6 結論

(1)在隧道拱底距離砂層-灰巖界面6～12 m范圍時，隨著凈距減小地表沉降增大，而在凈距為3 m時，地表沉降反而減小。

(2)綜合考慮溶洞塌陷對管片襯砌受力和變形的影響，建議將該盾構隧道的位置選擇在距砂層-灰巖界面大于8 m的范圍。