岩溶处治对隧道开挖稳定性影响的数值模拟分析

郭 萍,苏 鹏

(柳州铁道职业技术学院,广西 柳州 545616)

0 引言

随着我国交通对地铁需求的增大以及在城市修建地铁对于周边环境的要求,暗挖法以其结构形式多变、占地少、污染小等优点脱颖而出,成为众多施工方的选择。其中,盾构法因为其安全性高、劳动强度相对较低、对周围环境影响小的特点,而得到广泛使用。

虽然盾构法因其能够迅速防水、支护的特点而在含水地层修建长隧道具有经济、技术方面的优越性,但在岩溶地区修建隧道所面临的问题仍然不可小觑。溶洞不仅会破坏地质环境、影响地基承载力,而且还会导致开挖面突然崩塌,影响盾构机的掘进进程,从而对安全、经济效益、施工进度产生不容忽视的损失和危害[1-3]。

本文以柳州市盾构工程为背景,建立岩溶地区隧道盾构施工的三维数值模型,探究岩溶处治措施对隧道开挖的影响,以注浆C30的混凝土为主要处理方式,以下伏溶洞与隧道的距离为变量,研究岩溶处治前后对隧道稳定性的影响。

1 工程概况

柳州市城市公共交通配套工程一期(门头路至莲花山庄)土建施工03标从西江路口站(不含车站)到民族小学站(不含车站),地下线路长度约为2.88 km,隧道埋深为14～20 m。共计三站四区间:西江路口站—双龙站区间、双龙站、双龙站—河东枢纽站区间、河东枢纽站、河东枢纽站—科技大学站区间、科技大学站、科技大学站—民族小学站区间。

(1)双龙站—河东枢纽站区间隧道穿越的主要地层为:硬塑状红黏土、可塑状红黏土、强风化白云岩、中风化白云岩、微风化白云岩;上覆土层:填筑土、硬塑状红黏土;下卧土层:微风化白云岩。

(2)河东枢纽站—科技大学站区间隧道穿越的主要地层为:硬塑状红黏土、可塑状红黏土、强风化白云岩、中风化白云岩;上覆土层:填筑土、硬塑状红黏土;下卧土层:微风化白云岩。

(3)科技大学—民族小学区间竖井线位宏观地貌属侵蚀-溶蚀、堆积类岩溶峰林谷地(平原),以开阔的谷越为特征;地貌单元内南部谷地内岩溶发育。自上而下可分为第四系人工填土层(Q4ml)、第四系湖积层(Ol)、第四系残积层(Qel)及石炭系中统黄走组(C2h)四个地层单元。其中区间不良地质主要为岩溶,场区岩溶发育等级为岩溶强发育区。

2 数值模型的建立

采用Midas GTS NX有限元软件进行分析[4],建立隧道盾构施工的三维数值模型。

根据理论研究表明,隧道开挖后,周围围岩在3～5倍洞径范围内受到的影响较大[5],需要进行数值模拟和结构设计,建立岩土层模型。其大小为高沿深度方向为Z轴方向,横断面方向沿X轴方向,沿隧道掘进方向为Y轴。建立60 m×80 m×61.2 m的立方体,其中土体依次为3.5 m的填筑土、3.4 m的红黏土、53.1 m的中风化白云岩。数值模拟采用的土层参数见下页表1。

表1 地层参数取值表

盾构开挖面中心距离地表20 m建立数值模型,如图1所示。

图1 数值模型图

表2 盾构以及注浆材料参数表

考虑盾构管片规格(外径/内径-宽度/分度)为φ6 200/5 500～1 200/1 500/22.5 mm,以及开挖直径为φ6 470 mm,建立盾构隧道模型如图2所示。

(a)空间

其中,盾壳厚度为6 mm,管片厚度为350 mm,管片外侧注浆范围为6 200～6 470 mm,注浆采用C30混凝土,开挖完成后的隧道内径为5 500 mm。盾构参数以及注浆材料参数具体如表2所示。

考虑实际施工过程中,溶洞发育多为位于隧道下方的隐伏溶洞[6],且溶洞规模较大。本次模拟工况为:模拟溶洞洞径为5 m,位置处于隧道正下方。图3为溶洞顶距隧道开挖截面底的距离分别为5 m、10 m、15 m、20 m时溶洞的位置分布。以溶洞与隧道之间的距离为变量,分析溶洞与隧道间的距离对处治效果的影响。

图3 溶洞与隧道位置示意图

实际施工过程中,对于大型溶洞,要采用压力吹填方式填充细粒沙石后再注浆加固[7]。为简化模拟过程,注浆后注浆体材料近似为与溶洞体积相等的C30混凝土。其具体参数如表3所示。

表3 C30混凝土材料参数表

3 隧道沉降影响对比分析

根据模拟结果,表4列出了当溶洞顶至隧道开挖截面底的距离分别为5 m、10 m、15 m、20 m时隧道拱顶处的沉降值。为了便于分析溶洞与隧道距离对于处治效果的影响,绘制不同距离条件下溶洞处治前后隧道拱顶的沉降变化曲线如图4所示。

图4 不同距离溶洞处治前后隧道拱顶处沉降对比曲线图

表4 隧道拱顶处最大沉降值模拟结果表

由图4可知,当溶洞顶距隧道底5 m时,溶洞处治后与处治前相比隧道拱顶处位移变化最大,溶洞的处治效果最好。而当溶洞与隧道距离>10 m时,溶洞处治前后差别不大,此范围的溶洞没有必要进行处理。根据图4溶洞与隧道距离对隧道拱顶沉降影响的变化趋势可知,对溶洞充填处理后,溶洞与隧道的距离对于隧道拱顶沉降影响不大;对于未处理溶洞,随着距离的增加,拱顶沉降量逐渐减小,溶洞与隧道的距离>15 m后,沉降量的变化不明显。由此可知,对于实际工程,处于10 m范围内的溶洞应进行必要的处理,处治效果较为明显。

不同距离条件下溶洞处治前后隧道拱顶的应力变化曲线如图5所示。

图5 不同距离溶洞处治前后隧道拱顶处应力对比曲线图

由图5可知,溶洞处治前后隧道拱顶应力变化较大。当溶洞与隧道间距为5 m时,溶洞处治前后隧道拱顶处应力相近,其原因可能为溶洞距离隧道过近[8],此时隧道不依靠底部来提供支撑力,围岩应力主要靠拱侧和拱顶承担;当溶洞与隧道间距为10 m时,溶洞处治前后隧道拱顶处应力差距最大,此时溶洞与隧道间的岩层发挥支撑作用;而当溶洞顶与隧道开挖面底的间距>15 m时,溶洞处治前后对隧道影响不大。

溶洞未处理时,溶洞与隧道的距离影响较为复杂,其主要原因是受到溶洞与隧道间岩层的临界支撑和应力扩散的作用。溶洞距离隧道过近,隧道与溶洞间岩层不能有效地分担围岩压力,导致隧道拱顶应力较大。随着溶洞与隧道距离增加,隧道受到溶洞影响减小,拱顶应力随之下降。当隧道与溶洞间的距离增大到一定值时,隧洞间岩层逐步发挥支撑作用同时引起应力扩散,增大拱顶应力值。当隧洞间距离进一步增加,拱顶应力再次变小,并最终趋于稳定。

溶洞处理后,溶洞被混凝土填充,数值模拟过程中,混凝土近似视为刚体,增加了隧道下部支撑力,并导致拱顶压力增加。数值模拟结果可能与实际施工略有偏差,但是符合其大致规律。

不同距离条件下溶洞处治前后隧道拱底的应力变化曲线如图6所示。

图6 不同距离溶洞处治前后隧道拱底处应力对比曲线图

由图6可知,溶洞处治前后隧道拱底应力变化较大。当溶洞与隧道间距为5～15 m时,溶洞处治效果明显。当溶洞顶与隧道开挖截面底的间距>15 m时,处治前与处治后的拱底应力都趋于稳定。

溶洞未处理时,隧道与溶洞间岩层不能有效地分担围岩压力,仅靠管片自身支撑。随着溶洞与隧道距离增加,溶洞与隧道间岩层发挥支撑能力并应力扩散,增大拱底应力值。当隧洞间距离进一步增加,影响范围减小,拱底应力减小并最终趋于稳定。

溶洞处理后,溶洞被混凝土填充,距离较近时拱底应力较小。随着距离增加,由于填充混凝土的刚度大于周围岩体,填充物对岩体有相对向上的力,增大了拱底应力。随着距离进一步增加,拱底应力减小并最终趋于稳定。

4 结语

本文依托柳州市盾构工程,运用Midas GTS NX有限元分析软件,考虑下伏溶洞与隧道间距影响,建立岩溶地区隧道盾构施工的三维数值模型,同时进行处治前后的对比分析,探究了下伏溶洞与隧道间距离对隧道开挖稳定性的影响规律,其结果对指导实际工程施工具有一定的参考意义。

(1)基于有限元分析软件,考虑下伏溶洞与隧道间距影响,概化地层物理力学参数,建立岩溶地区隧道盾构施工的三维数值模型。

(2)当溶洞顶距隧道底5 m时,溶洞处治后与处置前相比隧道拱顶处位移变化最大,溶洞的处治效果最好;对于未处理溶洞,随着距离的增加,拱顶沉降量逐渐减小,溶洞与隧道的距离>15 m后,沉降量的变化不明显;溶洞充填处理后,溶洞的与隧道的距离对于隧道拱顶沉降影响不大。

(3)当溶洞顶距隧道底15 m以内时,处治前后拱顶应力变化明显,其力学行为较复杂。由于隧道与溶洞间岩层支撑力的作用以及产生的应力扩散,处治后的拱顶应力大于处治前的拱顶应力;处理后的溶洞被填充,隧道与溶洞间岩层发挥的支撑力减少,处治后的拱底应力大于处治前的拱顶应力。