不同方位溶洞对盾构施工隧道位移影响研究

许 坤，曾林瑶，张文豪，刘思楠，李明卓，谢建斌，3*

(1.云南大学 建筑与规划学院，昆明 650500； 2.云南大学 数学与统计学院，昆明 650500； 3.昆明军龙岩土工程有限公司， 昆明 650500)

近年来，我国地铁建设取得快速发展，盾构法作为隧道开挖最常用的方法，具有掘进速度快、施工劳动强度低、对周边环境扰动小等优点，在地铁建设中被广泛应用.我国岩溶分布广泛，不良岩溶发育区众多，盾构开挖不可避免的将穿越这一特殊地层.溶洞存在严重影响隧道稳定性，其对施工安全的影响也成为了诸多学者关注的焦点.

岩溶处理方面，李治国[1]依据国内外岩溶隧道施工经验和运营过程中常见的安全问题，提出以疏为主、堵排结合的岩溶水处置原则.盾构技术方面，严晓周[2]研究发现通过选择全断面滚刀型刀具及超前加固处理，可有效保障岩溶区盾构机平稳推进.谢鸿辉[3]通过对盾构施工前处理以及盾构过程中掘进速度、注浆工艺、管片拼装等进行研究，为实际工程提供了参考.郭森华等[4]通过泥水平衡和土压平衡两种盾构施工状态的模拟，发现双模式盾构在复杂地层及江河地区更为安全、高效.数值模拟作为岩溶区隧道常用的研究方法，周轮[5]总结得出不同溶洞形态对隧道围岩位移变化的影响规律，并结合实测数据，提出隧道周围隐伏溶洞预测方法.乌健[6]通过模拟岩溶区隧道施工，分析了隧道不均匀沉降原因，并总结出岩溶区盾构时衬砌结构应力的变化规律.师海等[7]基于突变理论，研究得出不同尺寸溶洞与掌子面斜交和正交空间状态下的安全距离计算公式.雷金山[8]依托实际工程，探讨了不同大小溶洞对岩溶地基以及地表沉降的影响.郭明[9]基于多耦合场模拟软件，建立不同隐伏溶洞状态工况下隧道模型，从渗流场、应力场、位移场三个方面来分析了围岩水平、溶隧间距离、水压、溶洞大小以及溶洞方位对隧道围岩稳定性的影响.此外，郭而东[10]，高坛等[11]，吕玺琳等[12]均对岩溶区盾构施工过程围岩稳定性进行了相应研究.

岩溶地基影响因素众多，盾构施工扰动机理复杂，相关研究有待深入.基于此，本文以昆明轨道交通4号线为工程背景，通过Midas GTS NX建立有限元模型，对盾构掘进过程进行模拟，通过定性定量分析，探讨了岩溶区隧道盾构施工过程中，不同方位及尺寸溶洞对隧道围岩稳定性的影响.

1 工程概况

昆明地铁4号线全长43.4 km，从昆明西北的五华区普吉陈家营到昆明火车南站，途经高新、五华、盘龙、官渡、经开，再到呈贡，线路走向及工程分布见图1，围岩等级以Ⅳ、Ⅴ级为主，沿线可溶岩段落长度总计3 690.00 m，多为白云质灰岩、灰岩及白云岩等覆盖型可溶岩，经统计，勘探中203个探孔有27个遇溶洞，钻孔见洞率达13.30%，线路内溶洞大多呈全填充状，溶洞(隙)洞顶面埋深22.1～77.3 m，洞高为0.4～8.8 m，溶洞大小不一，发育不规律.线路内，金鼎山站-苏家塘站区间、苏家塘车站、苏家塘站-小菜园站区间、联大街站-呈贡东站区间岩溶中等-强烈发育，溶洞及溶蚀破碎带十分发育，具体参数见表1.

图1 线路走向及工点分布图

表1 岩溶中强发育区间参数表

2 计算模型

2.1 模型概况

隧道模型如图2(A)所示，模型尺寸：X×Y×Z=80 m×48 m×80 m,隧道埋深40 m,开挖面直径6.4 m，隧道管片外径6.2 m，内径5.5 m，宽1.2 m，盾壳及衬砌厚度均为0.1 m.溶洞为硬塑状黏土全填充正方体，分别位于隧道上方、下方、右侧3 m处，边长依次取2、4、6、8、10 m，其空间示意图见图2.围岩等级为Ⅳ级，围岩及填充黏土侧压力系数k0取0.6，模型中各类单元参数见表2.建模时管片、盾壳及注浆层采用线弹性本构， 围岩选用摩尔库伦本构，单元方面，盾壳及注浆层采用三维壳单元，围岩采用三维实体单元.

表2 各材料物理力学参数表

图2 三维网格划分图

2.2 盾构掘进模拟

模型盾构施工共分26步进行，每次向前掘进2.4 m(2个管片宽度)，具体施工步骤模拟如下，图3为隧道盾构掘进过程中围岩压力变化图.

图3 盾构施工过程围岩压力图

1)边界条件设置：盾构开挖模拟前，为初始应力场平衡，在模型底部施加竖向约束，在模型四周施加水平约束并对整个模型进行自重应力场计算.

2)开挖模拟：隧道开土体开挖沿Y轴正方向进行，每一施工步掘进2.4 m，共 26步.

3)初期支护及壁后注浆：每二环土体开挖后，进行管片拼装，随后撤出盾壳，立即进行壁后注浆.

3 结果及分析

3.1 位移变化规律

在进行位移分析前，首先对岩溶区围岩位移机理进行简单介绍.一方面，实际工程中，溶洞填充物以硬塑状黏土为主，弹性模量远低于围岩，溶洞的存在对隧道围岩刚度起削弱作用，稳定性显著下降，进而存在围岩结构破坏，位移增大的可能；另一方面，溶洞本身存在的屏蔽作用使得围岩内部应力减小，相较于无溶洞工况，位移将随之减少.因此各类工况下，上述二类位移变化量的比较将直接决定隧道围岩位移的变化[13].图4为无溶洞工况下盾构施工完成后，隧道模型整体位移云图，可以看出，隧道拱顶发生沉降，拱底隆起，拱腰处基本无竖向位移，水平方向上，拱腰处位移最大，拱顶、拱底位移较小可忽略不计.以下分别对各类工况拱顶、拱底竖向位移，拱腰处水平位移进行分析.

图4 无溶洞工况下模型位移云图

图5为各类工况下，盾构施工过程中隧道拱顶竖向位移变化曲线.可以看出溶洞的尺寸及空间方位对盾构施工时隧道围岩稳定性影响巨大.其中上部溶洞对拱顶位移影响最为明显，侧部溶洞次之，下部溶洞最小.无溶洞时，拱顶发生沉降，达3.41 mm.溶洞位于隧道上方及下方时，沉降相对减小，且随着溶洞尺寸的增大，减少量不断增加，溶洞位于隧道侧部时，沉降则随溶洞尺寸的增大不断增加.当溶洞尺寸较小时，拱顶位移无明显变化，值得注意的，当上部溶洞尺寸达8 m时，拱顶发生隆起，说明在掘进压力作用下，隧道顶板围岩结构发生了破坏，产生了向上位移.当溶洞尺寸达10 m时，上方及下方的溶洞使得拱顶沉降分别减少了3.31、1.06 mm，侧部溶洞使得拱顶沉降增加了2.59 mm.图6展示了隧道拱底的位移变化.可以看到溶洞位于下方时对拱底隆起影响最为明显，侧部次之，上部最小.无溶洞工况盾构施工时，隧道拱底隆起3.58 mm，略大于拱顶沉降.上部及下部溶洞对拱底隆起明显的屏蔽作用，随着尺寸的增大，拱底位移逐渐减少，溶洞尺寸达10 m时，拱底位移分别减少了0.90、9.98 mm.当溶洞位于隧道侧部时，拱底则因围岩刚度降低，隆起随溶洞尺寸不断增大，溶洞达10 m时，拱底隆起增加了2.16 mm.

图5 不同工况下拱顶竖向位移

图6 不同工况下拱底竖向位移

无溶洞时，隧道左右拱腰收敛位移相等，远小于拱顶拱底位移，仅1.62 mm，从图7中的曲线可以看出，溶洞位于隧道侧方时对拱腰收敛影响最大，下部次之，上部影响最小.溶洞位于隧道上方及下方时，随着溶洞尺寸的不断增大，收敛不断增加，溶洞尺寸达10 m时，拱腰的收敛分别增加了1.08、2.79 mm.

通过图7(C)与图7(D)对比，侧方溶洞对较近处拱腰位移影响极为明显.当溶洞尺寸达6 m时，右拱腰便出现反向位移，向外扩张，发生这一现象主要因隧洞间围岩刚度降低，在盾构掘进压力作用下，围岩发生塑性贯通，产生倾向空洞的位移.当溶洞尺寸达10 m时，右侧拱腰向外扩张7.98 mm，位移量变化达9.60 mm.

3.2 塑性区变化规律

盾构开挖时，隧道围岩应力重新分布，形成塑性区.图8提取了部分工况下隧道轴向24 m处围岩截面等效塑性应变云图.

图7 不同工况下拱腰水平位移

图8 各类工况下围岩塑性应变云图

盾构施工时隧道周围形成环形塑性区，溶洞位于不同方位时，溶隧间塑性区范围均随溶洞尺寸增大而扩张.通过与相同方位较小尺寸溶洞塑性图的对比，当8 m溶洞位于隧道上方，6 m溶洞位于隧道下方，4 m溶洞位于隧道侧部时，相应的隧道拱顶，溶洞顶板，隧道拱腰出现最大塑性应变，这表明溶隧间隔板围岩结构出现了塑性破坏，实际施工过程中，将出现围岩坍塌，盾构机头陷落、偏头等灾害，严重威胁盾构掘进的安全运行.在其他影响因素相同时，侧部溶洞对盾构掘进过程中围岩稳定性影响最大，下部次之，上部影响最小.

4 结 论

1)无溶洞盾构开挖时，隧道拱顶沉降3.31 mm，拱底隆起3.58 mm，拱腰收敛1.62 mm，与现场监测基本吻合.溶洞对距离较近处隧道结构位移影响明显，不同方位溶洞对溶隧形心方向上位移起屏蔽作用，位移随尺寸增大显著减少，与溶隧方向正交的位移则因围岩刚度的削弱而增加.

2)隧道上方为8 m溶洞时，拱顶出现隆起，隧道下方为6 m溶洞时，拱底围岩坍塌沉降，隧道右侧为4 m溶洞时，拱腰发生向外扩张.

3)对于相同尺寸溶洞及溶隧距离，盾构掘进工程中，侧部溶洞对围岩稳定性影响最大，下部溶洞次之，溶洞位于隧道顶部时影响最小.工程中应优先对侧部、底部溶洞进行处置.