岩溶区溶洞分布对盾构隧道围岩稳定性影响研究

代永文 李建强 梁 杰 向 华 杨 锐

(中国水利水电第七工程局有限公司 四川成都 610213)

1 引言

我国是岩溶分布最广的国家，近年来随着城市轨道交通发展，穿越岩溶地区的地铁隧道数量日益增加。溶洞填充物松软使地基承载力减小，增加了围岩不稳定因素，甚至会造成盾构沉陷、地表沉降过大等严重后果[1]。因此岩溶对地铁隧道围岩稳定性的影响不可忽视。

围岩稳定是隧道安全施工的重要基础，国内外学者针对岩溶隧道围岩稳定性的研究方法主要有立足于工程经验并结合力学理论的理论分析法[2]、基于假定条件建立相似模型的试验法[3-4]、通过经验类比和综合分析建立数学模型的数值分析法[5]。相较于理论及模型试验，数值模拟具有经济成本低、效率高、可变因素灵活等优点。邵勇[6]采用二维数值分析研究溶洞尺寸、与隧道位置关系等因素对围岩稳定性的影响。谢琪[7]采用三维有限元模拟，针对溶洞数量及排列方式从盾构隧道开挖引起的位移场、应力场和塑性区三方面分析围岩稳定性变化规律。雷金山[8]依托广州地铁工程对隧道岩溶集中区进行三维模拟，分析盾构隧道建设中溶洞大小、位置、形状及与隧道间距离对围岩变形规律的影响。李结全[9]结合南宁地铁2号线岩溶区段，建立数值模型分析盾构隧道施工过程中围岩位移、应力及地表沉降的变化规律，提出隧道结构外0.5倍洞径范围内的岩溶处治范围。

上述研究仅在二维条件下分析了岩溶隧道围岩稳定性问题，或在三维模拟中将溶洞简化为与隧道等长的空腔，忽略了溶洞的三维尺寸，仅考虑溶洞为空洞状况。工程实际中大多数溶洞处于全填充或半填充状态，且填充程度、填充物的差异性较大，由此导致数值模拟结果与实际工程差异较大。本文以南京至句容城际轨道交通工程岩溶集中段为背景，采用三维有限元模拟，考虑盾构机自重以及盾构隧道开挖工序带来的影响，研究盾构隧道施工过程中充填型溶洞尺寸及溶洞与隧道间距对隧道围岩稳定性的影响及其规律。

2 工程概况

南京至句容城际轨道交通工程麒麟镇-白水桥东站区间长739.1 m，其隧道埋深范围为12.9～23.44 m，地面无重要建筑物。选用铁建重工DZ422复合式土压平衡盾构机，隧道开挖直径为6 410 mm。

根据勘察资料，盾构掘进范围内地层主要为③-1ab1-2层粉质黏土、T2z-3中风化泥质灰岩(局部破碎)、T2z-3-1中风化泥质灰岩(破碎)及γ-3-1中风化花岗岩(破碎)。区间在里程K2＋527～K3＋020范围内穿越中风化泥质灰岩岩溶区段，围岩等级以Ⅳ～Ⅴ级为主。区间内岩溶发育，钻孔岩溶遇洞率为86.86%，体积小于50 m3的溶洞占已勘明溶洞数量的76%，高度在0～3 m内的溶洞占84%，溶洞平均充填率达75%，充填物主要为软塑～可塑状黏土及粉质黏土，局部夹泥质灰岩碎块。区间内地下水类型主要为孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶裂隙水，且各类型地下水间水力联系不密切。

3 数值模型及工况设定

3.1 模型构建

结合上述工程情况建立三维有限元数值模型，见图1。相关理论分析及实践表明，隧道开挖过程仅对其周围距离隧道中心3～5倍开挖高度或宽度范围内的应力应变存在实际影响[10-11]。为减小分析误差，模型尺寸选择为:x×y×z＝40 m×42 m×50 m。结合地勘资料，模型地层由上至下依次设置为杂填土(3.4 m)、粉质黏土(7.6 m)和中风化泥质灰岩(39 m)，地层均采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。地层及隧道结构物理力学参数见表1。隧道埋深为21.9 m，隧道内径为5.5 m，衬砌厚度为0.35 m，注浆层厚度为0.105 m，开挖面直径为6.41 m，盾构机主机长度为8.4 m。为模拟盾构机主体自重，用相同的盾壳质量替代盾构机主体质量。模型中岩土体、衬砌、注浆层及盾壳均采用C3D8R单元类型。

图1 底部溶洞与隧道空间关系

表1 各土层及结构物理力学参数

3.2 开挖工况模拟

以拱底围岩竖向变形为例，当溶洞尺寸为a×b×c＝4 m×4 m×6 m时，围岩竖向位移为32.87 mm，相较于溶洞尺寸a×b×c＝2 m×2 m×6 m时的20.49 mm增加60.42%。可见溶洞尺寸对围岩变形存在影响，即溶洞尺寸越大，拱底围岩竖向位移也越大，但该影响小于溶洞与隧道距离带来的影响。

（11）全旗已育成各种树苗八百五十多亩，营造防风固沙林三千八百亩，在草原上筑成一道道绿色屏障。 （1970·《人民日报》）

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表2 模型计算工况

隧道施工分18次动态开挖，每次向前掘进1.2 m，溶洞位于开挖至18 m处。隧道与溶洞剖面见图2。具体模拟步骤如下:

(1)初始地应力平衡及边界条件(Step 1):施加相应边界条件，开挖前先进行已有溶洞地层的岩土体自重应力场计算以达到模型的初始应力平衡。

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(2)指定开挖位置并设置盾构机(Step 2～3):为防止开挖对边界条件的影响，从距边界6 m处开挖，移除相应位置土体，激活注浆层及衬砌，随后移除与盾构机主机等长的土体，激活盾壳。

经计算得知，在3*3式密码中，折线经过的点数为4时有1624种情况，经过的点数为5有7152种，经过的点数为6有26016种，经过的点数为7有72912种，经过的点数为8和9均有140704种。可得，3*3图形的密码排列情况共389112种。

图2 底部溶洞与隧道剖面

4 溶洞分布对围岩稳定性影响分析

根据溶洞沿Y轴正方向的分布形状，选取与前文相同情况下溶洞左边界、中部及右边界三个断面对应的围岩位移进行对比，如图4所示。

4.1 溶洞存在对围岩稳定性的影响

(1)盾构掘进对围岩变形的影响

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选取溶洞左边界对应的关键围岩节点(隧道拱底、左拱腰、拱顶)及相应位移，分析有无溶洞情况下围岩位移随加载步的变化规律，即隧道底部溶洞存在(溶洞尺寸a×b×c＝4 m×4 m×6 m，与隧道距离d＝1 m)对围岩稳定性的影响，见图3。

图3 溶洞左边界对应围岩变形随加载步变化曲线

由图3a可知，拱底围岩竖向位移受溶洞的影响大且其数值变化和盾构掘进过程有关。根据盾构机主体与溶洞的相对位置，可将盾构推进过程分为4阶段:①盾构机未推至溶洞，溶洞对拱底围岩竖向位移影响较小；②盾构机主体经过溶洞，隧道所处岩体质量(74.23 t/m)部分被盾构机主体质量(37.43 t/m)取代，溶洞存在使拱底围岩竖向位移增加；③盾构主体经过溶洞，衬砌和注浆层施加，隧道所处盾构机主体质量被衬砌和注浆层质量(9.48 t/m)取代，溶洞存在使拱底围岩竖向位移显著增加(从3.14 mm提高为19.18 mm)，对围岩稳定性的影响最大；④盾构主体完全离开溶洞，拱底围岩竖向变形趋于稳定。

图3b、图3c中左拱腰围岩水平位移及拱顶围岩竖向位移随盾构掘进过程呈相同变化规律，但溶洞存在对其影响较小，减小幅度分别为21.3%及6.6%。

(2)溶洞尺寸对隧道围岩变形的影响

(3)开挖模拟(Step 4～21):模拟盾构机主体沿y轴正方向推进过程，每推进一环移除相应土体单元，激活盾壳单元，移除位于盾尾的盾壳单元并激活该处的衬砌层及注浆层，推进过程中保持已激活的盾壳单元长度8.4 m不变。

(2)溶洞纵向尺寸对围岩变形的影响

盾构掘进过程中围岩稳定性分析主要从围岩强度、变形量、变形速率及围岩塑性区四个方面考虑。其中围岩位移是围岩力学形态变化和围岩稳定性的最直接体现，本文就溶洞分布对围岩变形的影响规律作详细分析[12]。

图4 不同断面对应拱底围岩位移随加载步变化曲线

由图4可知，当盾构机主体离开相应测量点后，其拱底围岩竖向变形便趋于稳定，此时溶洞中心对应处围岩竖向位移最大，溶洞左边界次之。由此可得溶洞纵向尺寸对围岩的影响不可忽略，盾构掘进过程中，隧道底部溶洞对围岩稳定性的影响主要表现为溶洞中心对应处拱底围岩的竖向变形增加，即底鼓现象更明显。

4.2 溶洞与隧道距离及尺寸对围岩稳定性的影响

(1)溶洞与隧道距离对隧道围岩变形的影响

保持溶洞尺寸不变，改变溶洞与隧道间距离(d＝1～6 m)，研究此间距对围岩变形的影响。图5～图7为溶洞中心对应的围岩变形情况。

图5 溶洞与隧道间距离对拱底围岩变形的影响

图6 溶洞与隧道间距离对左拱腰围岩变形的影响

图7 溶洞与隧道间距离对拱顶围岩变形的影响

从图5a可见，当距离d＝1 m时，拱底围岩竖向位移为32.87 mm，相较于无溶洞时的位移3.09 mm增加了963.75%；当距离d＝5 m时影响较小。将其关系绘制成图5b，随着溶洞距离隧道越近，拱底围岩变形增加。

图6中，针对左拱腰围岩水平位移，当距离d＝1 m时其数值为2.22 mm，相较于无溶洞时的位移2.84 mm减小21.83%；当距离d＝2.5 m时影响较小。即溶洞距隧道越近，隧道拱腰围岩变形越小。

从图7可知，当距离d＝1 m时，拱顶围岩竖向位移为-3.71 mm，相较于无溶洞时的位移-3.92 mm减小5.36%；当距离d＝1.5 m时影响较小。即溶洞与隧道间距离减小，隧道拱顶围岩变形也随之减小。

综上，隧道底部溶洞存在将增加拱底围岩竖向位移，减小拱腰水平位移和拱顶竖向位移。隧道底部溶洞对围岩各部位的位移影响程度排序为:拱底＞拱腰＞拱顶。

保持溶洞与隧道间距离不变，研究溶洞尺寸对围岩变形的影响。图8为溶洞中心对应处各围岩节点变形情况。

盾构隧道开挖过程中，针对溶洞尺寸及与隧道间距离对围岩稳定性的影响进行模拟，见表2。本工程中已勘明溶洞的平均充填率为75%，故模型中采用“空场力学模型”简化溶洞，并对填充物密度及弹性模量折减25%模拟充填率的影响。本文主要研究隧道下方溶洞对围岩稳定性的影响。

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图8 溶洞尺寸对围岩变形的影响

溶洞尺寸对拱腰及拱顶围岩变形呈现出相同的影响规律，当溶洞尺寸增加，拱腰围岩水平位移量减小，拱顶围岩竖向位移量也随之减小。

5 结论

本文从盾构隧道围岩稳定性问题出发，结合实际工程，从围岩变形方面对比分析充填型溶洞尺寸以及溶洞与隧道间距离对隧道围岩稳定性的影响规律并得出以下结论:

(1)隧道底部溶洞的存在对围岩变形存在影响，拱底围岩的竖向位移受其影响较大，拱腰和拱顶次之，且围岩变形与盾构隧道掘进过程相关。

(2)溶洞纵向尺寸对围岩变形存在影响，表现为溶洞中部对应围岩竖向位移大于溶洞两侧。

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(3)随溶洞与隧道间距离减小，拱底围岩竖向位移增加，拱腰围岩水平位移减小，拱顶围岩竖向位移减小，在一定范围内，围岩变形与距离呈较好的线性关系。

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(4)随溶洞尺寸增加，拱底围岩竖向位移增加，拱腰围岩水平位移减小，拱顶围岩竖向位移减小。溶洞尺寸对围岩稳定性的影响小于溶洞与隧道间距离的影响。