武汉岩溶区复合地层小型盾构施工引起的地表变形规律研究

蔡兵华，崔德山，冯晓腊，李忠超

( 1.武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430742；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074 )

小型盾构施工法是目前电力隧道施工的主要工法，在武汉综合管廊建设中占据主要地位。但对于复合地层，特别是上面是红黏土、下面是岩溶区的复合地层，小型盾构施工中不可避免地会对岩土层产生扰动，从而引起地面沉降和土层自重应力的重分布，对隧道周边的道路、高架桥和居民楼均产生不利的影响[1-3]。在复合地层盾构施工方面，Clough等[4]研究了土压平衡盾构施工方法，发现向复合地层中的砂层注浆可减小地面变形；李杰等[5]通过正交试验确定了复合地层盾构施工中泡沫对刀盘扭矩的参数；宋天田等[6]在分析复合地层中刀具磨损的基础上,提出了混合刀盘设计方法，这些研究均有助于减小盾构施工对复合地层的扰动,从而减小盾构施工对地表变形的影响。在复合地层盾构施工引起的地面沉降方面，Lee等[7]采用弹塑性模型对软土开挖引起的地面沉降量进行了三维有限元计算；Rowe等[8-9]采用数值方法和经验公式对隧道施工过程中的地面沉降进行了预测与评价；傅鹤林等[10]揭示了复合地层中浅埋盾构隧道开挖引起的地层位移和应力分布；刘联伟[11]研究了复合地层中盾构法施工引起的地面沉降规律；Cattoni等[12]采用二维有限元方法模拟了盾构隧道开挖速度、软土固结速度和水力边界条件下地表的变形；Liu等[13]对地铁盾构施工引起的地面沉降规律进行了研究，并对沉降参数进行了敏感性分析。

虽然国内外学者对盾构施工引起的地面沉降开展了大量的研究，但尚缺乏对岩溶地区复合地层盾构施工引起的地表变形规律的研究。为此，本文在查明复合地层结构、揭示溶洞发育规律及其与电力隧道联系的基础上，通过现场监测数据和数值模拟结果，得出岩溶区复合地层小型盾构施工引起的地表变形规律，为控制岩溶区复合地层小型盾构施工地表变形提供依据。

1 工程概况

本次选取武汉雄楚大道高压电力隧道项目工程为研究对象，该隧道工程西起楚平路(K7+320 m)，东至关山变电站(K11+ 720 m)，隧道直径为3 m，埋深为8～16 m，线路全长为4 400 m，见图1。由于雄楚大道有武汉市二环线高架和BRT快速车道，为了不影响地表交通，本工程项目采用中国铁建重工集团有限公司自主研发的ZTE3730型小直径土压平衡盾构机，开挖直径为3 785 mm，管片为3 500 mm，最小转弯半径为100 m，爬坡能力达±35‰，适用于黏土、卵砾石、灰岩等复合地层。这是湖北省首次采用小直径微型盾构机进行城市综合管廊施工，与传统顶管等其他施工方法相比，施工效率可提高2～3倍以上，且作业环境和安全性也可得到极大的改善。

图1 武汉雄楚大道高压电力隧道项目工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plan of high-voltage power tunnel project in Xiongchu Anenue,Wuhan T1d为三叠系大冶组，薄层灰岩、泥灰岩、页岩；P1g为二叠系孤峰组，硅质岩夹硅质灰岩；C2c为石炭系船山组，球粒灰岩； D3w为泥盆五通组，石英砂岩、底部夹砾岩；S2f为志留系坟头组，灰绿色粉砂岩、页岩

楚平路至关山变电站地貌单元属于长江三级阶地，沿线地势开阔，地形起伏不大，地面高程在23.00～45.00 m之间。根据《武汉市基岩地质图》(1∶50 000)可知，该隧道工程处于新隆-豹子獬复式倒转向斜区域内，核部为三叠系大冶组灰岩(T1d)，两翼为志留系—二叠系泥灰岩、灰岩组成，沿线出露地层主要有第四系填土、红黏土和二叠系泥灰岩、灰岩。该隧道工程沿线无地表水，地下水的类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水，钻孔揭露地下水为上层滞水，基岩裂隙水和岩溶水不发育，对本工程无影响。

根据《武汉雄楚大道电力隧道勘察报告》，该隧道工程沿线地面以下均存在二叠系泥灰岩和灰岩，基岩面起伏高差约为5.41～17.80 m(见图2),特别是在N3#～N4#区间的灰岩中，岩溶较发育，溶洞见洞率高达81.1%，最大洞径达6 m，平均洞径约为3.5 m，溶洞为半充填-全充填状态，充填物为软塑-硬塑状态的黏性土。因此，在该区间开展小直径土压平衡盾构机施工时，溶洞的大小、埋深、距隧道底板的距离、充填物等均会影响地面沉降的大小。根据《武汉雄楚大道电力隧道勘察报告》，在该区间的灰岩中，溶洞高度在(0，1 m]的数量占总数的百分比为14%，溶洞高度在(1，3 m]的数量占总数的百分比为42%，溶洞高度在(3，6 m]的数量占总数的百分比为33%，溶洞高度在6 m以上的数量占总数的百分比为11%；溶洞距隧道底板的距离在(0，2 m]的数量为6个，占总数的百分比为7.8%,溶洞距隧道底板的距离在(2，4 m]的数量为43个，占总数的百分比为55.8%,溶洞距隧道底板的距离在(4，6 m]的数量为6个，占总数的百分比为7.8%,溶洞距隧道底板的距离在(6，8 m]的数量为11个，占总数的百分比为14.3%,溶洞距隧道底板的距离在(8，10 m]的数量为4个，占总数的百分比为5.2%,溶洞距隧道底板的距离大于10 m的数量为7个，占总数的百分比为9.1%。

图2 武汉雄楚大道高压电力隧道项目工程钻孔剖面图Fig.2 Boring cross section of high-voltage power tunnel project in Xiongchu Avenue,Wuhan注：N为岩土工程勘察标准贯入原位测试中锤击数。

2 复合地层小型盾构施工引起的地面沉降的数值模拟

根据《武汉雄楚大道电力隧道勘察报告》和设计文件，在N3#～N4#区间的地层主要为填土、红黏土、含砾黏土、灰岩等。为了研究复合地层小型盾构隧道施工引起的地面沉降，本文采用有限元软件Abaqus对不同工况组合进行了数值模拟。本构模型采用Mohr-Coulomb模型，模型尺寸为40 m×30 m，隧道直径为3 m，隧道埋深取15 m，岩土层和衬砌基本物理力学参数的选取，见表1。

岩溶地层的三维地质建模较复杂[14]，本文采用二维模型建模。受地层岩性和裂隙控制，碳酸盐岩地层中溶洞的发育极不规则，在数值模拟时，可根据钻孔地质剖面和溶洞掉钻记录，近似将溶洞模拟成圆形且主要位于隧道基准面以下。本次数值模拟过程中，假设各地层为各向同性，符合Mohr-Coulomb破坏准则，且不考虑溶洞形成过程即溶洞处于稳定状态。本次数值模拟过程分3步：第一步，根据地层参数生成模型，并施加初始地应力场；第二步，生成不同直径和不同埋深的溶洞，计算相应的应力场和位移场；第三步，开挖隧道并生成衬砌结构，计算复合地层小型盾构隧道施工引起的地表变形规律。

表1 复合地层的基本物理力学参数

2.1 红黏土和灰岩复合地层中小型盾构施工引起的地面沉降规律模拟

通过该隧道工程钻孔剖面图(见图2)可知，在K69、K70、K73和K74地段，小型盾构施工主要穿越的地层是红黏土，红黏土层厚越大，灰岩表面埋深越深，岩层表面距隧道底板深度Z越大。为了揭示不同厚度红黏土和灰岩复合地层中小型盾构施工引起的地面沉降规律，假设复合地层组合见表2，采用Abaqus数值模拟软件对不同复合地层组合下小型盾构施工引起的地面沉降量进行了数值模拟计算，其模拟结果见图3。

表2 典型的复合地层组合

由图3可见，红黏土层厚度越大、灰岩埋深越深的复合地层中，小型盾构施工引起的地面沉降越大，地面最大沉降量可达2.68 mm[图3(a)]对周边建筑物的影响也最大；红黏土层厚度越小、灰岩埋深越浅的复合地层，小型盾构施工引起的地面沉降越小，地面最大沉降量为1.42 mm[图3(c)]；当隧道中心正好处于红黏土与灰岩的分界面时，地面最大沉降量可达1.97 mm，这主要是因为红黏土具有较高的塑性，当开挖形成隧洞后，在自重应力作用下，会产生较大的塑性变形，从而引起较大的地面沉降，而灰岩强度和变形模量均较红黏土高，开挖后，在自重和上覆压力下产生的地面沉降非常小。

2.2 溶洞直径大小和埋深对地面沉降的影响规律模拟

通过该隧道工程钻孔剖面图(见图2)可知，在K71和K72地段，小型盾构施工主要穿越的地层是红黏土和灰岩复合地层，此时溶洞直径D和溶洞距隧道底板的距离H对地面沉降的影响较大。本文采用Abaqus数值模拟软件，根据前期勘察统计结果，考虑隧道底部溶洞直径D分别为2 m和4 m，溶洞距离隧道底板的距离H分别为2 m、4 m时，对不同溶洞直径大小和埋深对地面沉降量的影响进行了数值模拟计算，其模拟结果见图4、图5和图6。

Fig.5 溶洞距隧道底板的距离为6 m时的地面 沉降云图Fig.5 Surface subsidence cloud with the karst cave being 6 m away from the tunnel floor

图6 溶洞直径大小和埋深对地面沉降量的影响Fig.6 Influence of size and buried depth of karst cave on surface subsidence

由图4、图5和图6可见，在隧道底板以下，随着溶洞直径的增加，地面沉降量最大值增加，横向影响范围也在增加；对于相同直径的溶洞，其距隧道底板的距离越大，地面沉降量最大值减小，横向影响范围增加；当溶洞直径较小时(洞径为2 m时)，溶洞距隧道底板的距离超过6 m时，地面沉降量趋于稳定。

3 地面沉降监测

在岩溶区复合地层进行小型盾构施工过程中，要对附近建筑物地面沉降进行监测[15]。本工程项目重点对N3#～N4#区间地面沉降进行了监测，即沿着该电力隧道中心线，每隔5 m布置一个地面沉降监测点，每天读取一次地面沉降监测数据。通过对地面沉降监测数据进行分析发现，隧道底板以下有溶洞的情况下地表变形较大。以K72处地面沉降监测数据为例，通过对监测点D14-1的地面沉降量监测曲线(见图7)进行分析发现，当小型盾构机在该处施工时，地面沉降速率较快，且地面沉降量较大；当小型盾构机通过该段后，地面沉降量趋于平缓，说明当衬砌结构完成后，地表变形逐渐稳定。

图7 D14-1监测点的地面沉降量监测曲线Fig.7 Monitoring curve of surface subsidence at monitoring point D14-1

4 结 论

通过现场勘察、监测及室内数值模拟，揭示了武汉岩溶区复合地层小型盾构施工引起的地表变形规律，得到主要结论如下：

(1) 在岩溶区复合地层中进行小型盾构施工时，岩层表面距隧道底板的距离越大，地面沉降量越大。这是因为上部土层的压缩系数较大、变形模量较小，当开挖后，引起的地表变形较大。

(2) 在岩溶区复合地层进行小型盾构施工时，隧道底板以下溶洞的直径越大、溶洞距隧道底板的距离越近，施工引起的地面沉降量越大；

(3) 在岩溶区复合地层进行小型盾构施工时，当溶洞距隧道底板的距离超过6 m后，对地面沉降的影响趋于稳定。因此，在施工前，建议对隧道底板以下6 m内的溶洞进行重点处理。