謝海旭，陳 榕

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031；2.東北電力大學建筑工程學院，吉林 吉林 132012)

由于盾構(gòu)法施工具有安全、高效、機械化程度高、對城市地面交通干擾小等優(yōu)勢，是目前大部分城市軌道交通的首選施工方法.盾構(gòu)隧道穿越城市巖溶區(qū)時，溶洞等典型巖溶產(chǎn)物多具有高隱蔽性，導致巖體結(jié)構(gòu)滲透性增大、巖體力學參數(shù)降低，尤其在施工擾動作用下，造成隧道突涌水、巖溶地基承載力不足、滲漏水、地表巖溶塌陷、盾構(gòu)機栽頭等工程災害頻發(fā).針對巖溶地質(zhì)災害的治理一系列問題，國內(nèi)外學者研究進行了大量的研究.徐海清等[1]以武漢地鐵六號線工程為例，研究了沙漏型巖溶地面塌陷機理及計算模型；于淼等[2]利用三維建模技術(shù)對地質(zhì)進行了更加準確、直觀、有效的解譯；馮國森[3]采用"洞砟回填+上部注漿"加固方式處理溶洞得到了此技術(shù)可行，沉降可控的結(jié)論；張祥等[4]采用袖閥管注漿法進行回填體加固，實現(xiàn)了安全高效；Xu Z H等[5]和Li S C[6]等在簡化Bishop方法的基礎上，提出了一種創(chuàng)新的填充介質(zhì)整體滑動穩(wěn)定性分析方法；劉義山[7]根據(jù)長沙地鐵3號線對復雜巖溶水底隧道關(guān)鍵技術(shù)體系進行了研究，成功解決了穿越水下巖溶地層等問題；邸成等[8]結(jié)合工程實例，研究分析了多種隧道穿越巨型巖溶空腔的工程處理方案；何翊武等[9]以溫克爾彈性地基梁理論為基礎，對巖溶地區(qū)隧道底部溶洞影響襯砌受力進行研究，簡化并推導出隧道拱腳部分等代梁的內(nèi)力和位移計算公式.Wang J等[10]研究了鉆孔雷達圖像預處理和對隱蔽巖溶洞穴進行特征參數(shù)提取.肖元平[11]驗證了盾構(gòu)掘進前對溶洞進行處理的必要性深圳地鐵16號線巖溶規(guī)模大、變化大、發(fā)育形態(tài)不一等特點，極易引起地鐵盾構(gòu)工作面失穩(wěn)、管片成環(huán)難以及突水突泥、盾構(gòu)機具載頭等事故發(fā)生，亟需明確危害地鐵建設安全的巖溶處理范圍，并制定與其相應的處理原則.

為此，結(jié)合深圳地鐵16號線巖溶分布特征，依托典型盾構(gòu)區(qū)間，采用數(shù)值計算分析方法，建立溶洞注漿加固對地鐵盾構(gòu)隧道建設安全影響的力學計算模型，分析溶洞尺寸大小對周邊圍巖的穩(wěn)定性的影響，綜合考慮巖溶溶洞注漿加固的空間屬性，重點研究巖溶區(qū)溶洞大小對盾構(gòu)掘進、管片受力的影響作用.

1 工程概況

深圳市軌道交通16號線連接大運新城、龍崗中心城、坪山站及坪山區(qū)等地區(qū)，覆蓋龍崗區(qū)區(qū)域同城化發(fā)展主軸，主要承擔集約土地利用、支撐城市空間結(jié)構(gòu)、緩解交通壓力等功能，實現(xiàn)龍崗中心城與坪山區(qū)之間的快速聯(lián)系，同時帶動坪山區(qū)的發(fā)展.深圳市16號線正線全長約29.2 km，全部采用地下敷設方式；全線設車站24座，田心車輛段1處，龍城公園停車場1處.從大運站至同樂村站的15.3 km中有13.3 km穿越石灰?guī)r地層，田心車輛段巖溶發(fā)育區(qū)面積15.2萬m2，巖溶發(fā)育程度高，溶洞規(guī)模大，以無填充和部分填充為主.從詳勘揭示的可溶巖地層看，正線巖溶段鉆孔720個，揭露溶洞鉆孔269個，平均見洞率為37.36%，最大的工點為63.6%(龍東村站)；洞高2～5 m的溶洞占39.5%，大于5 m的溶洞占16.7%，鉆孔揭示最大洞高為26.5 m(龍東村站至同樂村站區(qū)間).

其中，雙龍站—龍南站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間總長1 700.423 m；雙龍站大里程明挖段端頭始發(fā)，龍南站小里程端接收.區(qū)間覆土6.6 m～16.0 m，線路縱坡28‰、16‰、15.348‰，最低點設置1座聯(lián)絡通道兼泵房；本區(qū)間穿越地層：中粗砂、粉質(zhì)粘土、微風化石灰?guī)r.其中穿越微風化石灰?guī)r約785 m；微風化石灰?guī)r天然單軸抗壓強度最大值為96.6 MPa，平均值為63.9 MPa.區(qū)間工程地質(zhì)圖如圖2所示.

圖1 深圳市城市軌道交通16號線工程線路平面示意圖

圖2 區(qū)間工程地質(zhì)圖

2 數(shù)值計算模型與分析方法

2.1 數(shù)值計算模型

本次數(shù)值模擬采用有限差分軟件FLAC3D.隧道開挖采用大直徑盾構(gòu)隧道開挖，管片厚度為0.4 m，開挖直徑為8.0 m，埋深為30.6 m，考慮到相關(guān)的尺寸效應，模型邊界到盾構(gòu)隧道邊界的距離均須大于3倍的隧道洞徑.模型的最終尺寸如下：長度為70 m，寬度為100 m，高度為70 m.本次數(shù)值模擬注漿區(qū)域劃分為充填層和注漿加固層，考慮了不同大小的溶洞注漿加固對盾構(gòu)隧道的影響，隧道中心與溶洞中心的距離為10.9 m，建立了溶洞位于盾構(gòu)隧道上方、下方和側(cè)方，洞高為5 m，6 m，8 m，10 m，12 m共計15個數(shù)值計算模型.本次模擬將溶洞斷面簡化為圓形截面[13]，如圖3所示為數(shù)值計算模型圖.本模型未考慮地下水的影響，主要分析不同大小溶洞注漿加固前后對地鐵盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性的影響.

圖3 數(shù)值計算模型

2.2 材料力學參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探報告以及相應數(shù)值模擬的經(jīng)驗，地層為微風化灰?guī)r，充填層和注漿加固層采用水泥砂漿，盾構(gòu)隧道管片采用C50混凝土，地層模型采用摩爾庫倫模型，充填層、注漿加固層采用應變硬化模型，盾構(gòu)管片襯砌采用線彈性模型，各材料力學參數(shù)選取情況如表1所示.

表1 材料力學參數(shù)

2.3 數(shù)值計算分析方法

具體數(shù)值計算方法如下：

(1)邊界條件.模型左右邊界、前后邊界約束法向方向位移，底部邊界約束豎直方向位移.模型巖土頂部為自由面.

(2)地應力平衡.設置豎向重力加速度9.8 m/s2，模型頂部自由面設置均布荷載40 kPa，地應力平衡之后進行溶洞注漿加固模擬.

(3)溶洞處理方法.采用溶洞注漿加固的方法，采用水泥砂漿為注漿材料，對溶洞進行注漿加固，并考慮漿液的擴散效應，將注漿加固區(qū)域劃分為3部分，3個注漿加固層的寬度分別為0.5 m，1 m，2 m.

(4)開挖方法.采用盾構(gòu)方式開挖，開挖直徑為8.0 m，開挖后隨即進行管片支護，管片厚度為40 cm.

(5)重力荷載均采用重力的方式施加.

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

盾構(gòu)隧道穿越溶洞豎向位移云圖和地表沉降曲線圖，如圖4、圖5所示.由圖可知：(1) 在對溶洞未進行注漿加固的情況下，隨著溶洞洞高的增加，地表沉降變形量隨之增大.當盾構(gòu)隧道在側(cè)方穿越溶洞，或者盾構(gòu)隧道在下方穿越溶洞，且溶洞的洞高大于8 m，或者盾構(gòu)隧道在上方穿越溶洞，且溶洞的洞高大于10 m時，地表沉降變形量很大，隧道基本處于坍塌狀態(tài).(2) 在對溶洞進行注漿加固的情況下，地表沉降有大幅度降低，但依然以盾構(gòu)隧道在溶洞側(cè)方穿過引起的地表沉降最大.(3)注漿加固后，溶洞的洞高對于盾構(gòu)隧道在溶洞側(cè)方穿過的情況幾乎沒有影響，地表沉降變化量基本不變，但是隨著洞高的增大，注漿加固后對于盾構(gòu)隧道在下方和上方穿過的情況地表沉降略有增加，這可能是對溶洞注漿加固后，溶洞的洞高越大，填充的水泥砂漿越多，相應的自身荷載越大的原因.

圖4 盾構(gòu)隧道穿越溶洞豎向位移云圖

圖5 地表沉降曲線圖

雙龍站—龍南站盾構(gòu)區(qū)間主要監(jiān)測成果，如表2所示.表2中給出了盾構(gòu)區(qū)間左線和右線的地表沉降現(xiàn)場實際測量值，由表可知，地表沉降數(shù)值都在控制值允許的范圍內(nèi)，地表沉降的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)值與數(shù)值模擬數(shù)值接近，數(shù)值模擬較好的模擬了盾構(gòu)隧道穿越溶洞時地表沉降的變化.

表2 地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測表

3.2 隧道結(jié)構(gòu)變形分析

選擇盾構(gòu)隧道的拱頂、左拱腰、右拱腰、拱底作為特征點進行隧道沉降分析.溶洞注漿加固前后，不同尺寸大小的溶洞引起盾構(gòu)隧道的拱頂豎向位移曲線、拱底豎向位移曲線、左拱腰豎向位移曲線、右拱腰豎向位移曲線如圖6～圖9所示.

由圖6-圖9可知：(1) 拱頂位移和拱腰位移化趨勢基本一致，隧道開挖引起圍巖左右拱腰的豎向位移也基本一致，但以位于溶洞近的一側(cè)的拱腰的豎向位移較大.在溶洞高度小于6 m時，隨著溶洞高度的不斷增加，位于溶洞上方和下方的隧道拱頂位移和拱腰位移隨之增大，隧道位移較小.在溶洞高度位于6～8 時，隧道位移繼續(xù)增大，隧道不斷趨于坍塌狀態(tài)；但是位于溶洞下方的隧道的拱頂和拱腰位移在溶洞高度為8 m～10 m時呈現(xiàn)減小趨勢，這可能是由于溶洞高度于盾構(gòu)隧道直徑接近造成的，但是在溶洞高度10 m以后，拱頂、拱腰和拱底位移均發(fā)生了較大變化，隧道發(fā)生坍塌.從曲線可以看出，不論位于側(cè)方的溶洞高度多大，都會使隧道產(chǎn)生非常大的拱頂位移.(2) 注漿加固前后，隧道在穿過不同大小不同方位的溶洞時，拱頂位移、拱腰位移和拱底位移均得到了有效的限制，且注漿加固后，側(cè)方溶洞對拱頂、拱腰和拱底位移的影響最大，上方溶洞的影響次之，下方溶洞的影響最小.

由圖7可知：隧道的拱底會產(chǎn)生向上的位移，也就是隆起.溶洞的高度過大會使在溶洞下方穿過的盾構(gòu)隧道拱底產(chǎn)生較大的隆起，使在溶洞上方穿過的盾構(gòu)隧道拱底產(chǎn)生較大的沉降，甚至垮塌.所以在實際工程中，當盾都隧道在溶洞上方通過時，應及時監(jiān)測隧道的拱底的沉降，并采取相應措施控制隧道拱底的沉降變形.

3.3 隧道管片應力分析

盾構(gòu)隧道管片最大主應力和最小主應力分布如表3、表4所示，從整體上看，隧道管片的最大主應力和最小主應力主要集中在隧道的拱頂、拱腰、和拱底位置.

表3 隧道管片最大主應力 (MPa)

表4 隧道管片最小主應力 (MPa)

由表3可知，當溶洞位于隧道上方時，最大主應力出現(xiàn)在隧道拱底位置附近，且溶洞的高度大于6 m時，最大主應力為負，管片上的應力均為壓應力，但其數(shù)值較小，對管片的影響很小.當溶洞位于隧道側(cè)方和下方時，最大主應力均為正，表現(xiàn)為拉應力，隨著溶洞高度增加，管片的拉應力的大小有所增加，但其最大值僅為0.739 MPa，低于C50混凝土的抗拉強度1.89 MPa，所以管片結(jié)構(gòu)較安全，幾乎沒有管片的受拉破壞的可能性，管片的生產(chǎn)或施工過程中可不必過多考慮管片的受拉破壞.對溶洞注漿加固，一定程度上改善了管片的受力狀態(tài)，但因為注漿加固后水泥砂漿凝固的過程中也會對管片的受力造成影響，所以數(shù)值變化不大.

由表4可知，隧道管片最小主應力均為負，故管片的最小主應力均為壓應力.由表可知，盾構(gòu)隧道從側(cè)方穿過溶洞時的壓應力最大，最大值為10.300 MPa，小于C50混凝土的抗壓強度50 MPa，所以管片在壓應力的作用下也是安全的.隨著溶洞高度增加，管片的壓應力的大小有所降低，壓應力大部分集中在拱腰附近，所以在管片生產(chǎn)制作或者施工過程中，應對拱腰位置管片進行有效加固，實施足夠的支撐，是非常有必要的.

3.4 塑性破壞區(qū)分析

因模型數(shù)量較多，溶洞的高度越大，模型的塑性破壞越顯著，溶洞注漿加固前后塑性破壞區(qū)的變化也越明顯，所以僅選取溶洞高度為12 m的情況說明溶洞注漿加固對圍巖塑性破壞區(qū)的影響，溶洞注漿加固前后圍巖的塑性破壞區(qū)分布如圖10所示.

圖10 盾構(gòu)隧道穿越溶洞塑性破壞區(qū)云圖

由圖10可知：溶洞注漿加固以前，模型上部大部分區(qū)域均受到雙重剪力的破壞，溶洞注漿加固以后，受剪破壞方式單一，盾構(gòu)隧道周圍的塑性破壞區(qū)得到明顯改善，所以溶洞注漿加固改善了圍巖受拉、受剪狀態(tài)，圍巖的整體穩(wěn)定性得到顯著提高.但在注漿加固后隧道周圍有少部分區(qū)域產(chǎn)生受剪破壞，這可能是注漿過程中的漿液擴散對隧道周圍的圍巖造成了一定的影響，在施工中應注意對隧道周圍的監(jiān)測.

4 結(jié) 語

結(jié)合深圳地鐵16號線巖溶分布特征，依托典型盾構(gòu)區(qū)間，采用數(shù)值計算分析方法，建立溶洞注漿加固對地鐵盾構(gòu)隧道建設安全影響的力學計算模型，分析溶洞尺寸大小對周邊圍巖的穩(wěn)定性的影響，綜合考慮巖溶溶洞注漿加固的空間屬性，重點研究巖溶區(qū)溶洞大小對盾構(gòu)掘進、管片受力的影響作用，得出以下結(jié)論：

(1)隨著溶洞高度的增加，盾構(gòu)隧道開挖受未注漿加固溶洞的影響越來越大；尤其是在溶洞的側(cè)方，或者上方和下方且溶洞高度大于6 m穿過時，隧道坍塌的可能性就會非常大.盾構(gòu)機穿越時，會出現(xiàn)栽頭、上仰、側(cè)移等不良狀態(tài)或盾構(gòu)機卡死等風險，應提前對將要穿過的溶洞大小進行精確的探測.

(2)相比于對溶洞不進行處理的盾構(gòu)隧道開挖，溶洞的注漿加固處理能有效限制盾構(gòu)隧道在穿越較大直徑溶洞時的地表沉降、隧道圍巖變形和盾構(gòu)隧道本體較大變形.

(3)相比于對溶洞不進行處理的盾構(gòu)隧道掘進，溶洞的注漿加固在改善了圍巖塑性區(qū)的分布及其受力狀態(tài)，尤其對于直徑較大的溶洞，注漿加固提高了盾構(gòu)隧道在穿越大型溶洞時的安全可靠度.