0 引言

隨著我國交通對地鐵需求的增大以及在城市修建地鐵對于周邊環(huán)境的要求，盾構(gòu)法因為其安全性高、勞動強(qiáng)度相對較低、對周圍環(huán)境影響小的特點(diǎn)，而得到廣泛使用。

雖然盾構(gòu)法因其能夠迅速防水、支護(hù)的特點(diǎn)而在含水地層修建長隧道具有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面的優(yōu)越性，但在巖溶地區(qū)修建隧道所面臨的問題仍然不可小覷。溶洞不僅會破壞地質(zhì)環(huán)境、影響地基承載力，而且還會導(dǎo)致開挖面突然崩塌影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)進(jìn)程，從而對安全、經(jīng)濟(jì)、施工進(jìn)度產(chǎn)生不容忽視的損失和危害。

本文以大連地鐵5號線工程為背景，建立巖溶地區(qū)隧道盾構(gòu)施工的三維數(shù)值模型。分析不同位置溶洞對盾構(gòu)隧道模型的穩(wěn)定性影響，為處理溶洞的優(yōu)先級提供參考。

1 工程概況

本文以大連地鐵五號線為背景。大連地鐵五號線全長23.8千米，設(shè)置車站18個，海域分割線路為兩大區(qū)域，南北設(shè)置車站九個。所處地帶以基巖為主，巖性變化較大；南部地區(qū)地貌主要為海漫灘、丘間谷地、剝蝕低丘陵等，上覆蓋素填土、雜填土、吹填土、粉砂、卵石、粘土、碎石等，下覆基巖為板巖、石灰?guī)r等；北部地區(qū)地貌主要為海漫灘、剝蝕低丘陵、坡殘積臺地地貌等，上覆雜填土、吹填土、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘碎石等與南部地區(qū)類似，但下覆基巖有可溶性的白云巖、石灰?guī)r，因此主要不良地質(zhì)問題為巖溶。

根據(jù)沿途的時代成因和工程特性，本場地的人工堆積層為素填土（1-1）：灰褐色、黃褐色，松散-稍密-中密，主要由碎石、角礫土、粘性土組成，碎石粒徑20～120mm，碎石、角礫含量10%～20%。

第二層土為粘土（4-22）：黃褐色、棕褐色、棕紅色，可塑-硬塑，碎石、角礫含量10%～30%，日曬干裂，干強(qiáng)度較高、韌性中等，無搖震反應(yīng)，切面有光澤。

下層巖體主要有強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r（8-12）：灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，有溶蝕裂隙發(fā)育，巖芯呈塊狀，一般塊徑30～50mm，溶蝕嚴(yán)重發(fā)育。屬于軟巖，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量等級Ⅴ級。

地層巖性中的三層，素填土、粘土、中風(fēng)化石灰?guī)r；其基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土參數(shù)

2 數(shù)值模型建立

采用MIDAS GTS NX有限元軟件分析，建立隧道盾構(gòu)施工的三維數(shù)值模型。

根據(jù)理論研究表明，隧道開挖后，周圍圍巖在3至5倍洞徑范圍內(nèi)收到的影響較大，需要進(jìn)行數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)設(shè)計。最終建立巖土層模型大小為高深度Z軸方向，長X軸方向，寬隧道掘進(jìn)Y軸方向分別為60m×80m×61.2m的立方體，其中土體依次為3.5m的素填土、3.4m的粘土、53.1m的中風(fēng)化石灰?guī)r；隧道開挖面中心距離土體模型頂部20m，盾構(gòu)開挖面中心距離地表20m建立數(shù)值模型。如圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道模型空間示意圖

考慮盾構(gòu)管片規(guī)格（外徑/內(nèi)徑-寬度/分度）為Φ6200/5500～1200/1500/22.5mm，以及開挖直徑Φ6470mm，建立盾構(gòu)隧道模型。

其中，盾殼厚度6mm，管片厚度350mm，管片外側(cè)注漿范圍6200mm～6470mm，注漿采用C30混凝土，開挖完成后的隧道內(nèi)徑5500mm，盾構(gòu)參數(shù)以及注漿材料參數(shù)具體如表2所示。

表2 盾構(gòu)以及注漿材料參數(shù)

根據(jù)以往的研究表明，不論使用哪種網(wǎng)格的劃分方式，數(shù)值解的精確度隨著網(wǎng)格劃分密度的增大而增大，各項指標(biāo)也逐漸趨于穩(wěn)定，且網(wǎng)格劃分的規(guī)則程度同樣會影響計算結(jié)果。而網(wǎng)格精度和規(guī)則程度的深度劃分會加長模型的分析計算的運(yùn)行時間。此模型采用映射網(wǎng)格劃分成六面體形狀后生成單元，其中土體、巖體的劃分尺寸均為4，最內(nèi)側(cè)開挖土圈劃分尺寸為0.5，最外側(cè)盾構(gòu)開挖界面圈網(wǎng)格劃分尺寸為1。

邊界條件為六條邊長以及前、側(cè)、下三個面的位移約束，以及四組改變屬性。分別是最外側(cè)同心圓的開挖土變成盾殼，然后下一掘進(jìn)階段，內(nèi)側(cè)同心圓的開挖土變成管片屬性，而最外側(cè)的盾殼屬性改變成注漿屬性，次外層同心圓的開挖土同樣改變屬性為注漿，一起組成注漿層。

施加的力有五個：模型材料的自重、500kN/m2的盾構(gòu)機(jī)自重，沿掘進(jìn)方向120kN/m2的掘進(jìn)壓力，與掘進(jìn)方向相反100kN/m2的千斤頂推力，以及沿管片外側(cè)面法向向里150kN/m2的注漿壓力。

網(wǎng)格劃分后的模型如圖2。

圖2 盾構(gòu)隧道模型網(wǎng)格劃分圖

參考盾構(gòu)機(jī)參數(shù)，以管片寬度1200mm為一環(huán)，每次掘進(jìn)三環(huán)3.6m為掘進(jìn)距離，掘進(jìn)方向土體長度為61.2m，共進(jìn)行17此掘進(jìn)模擬，分19個階段。

第一階段激活土層、巖層、自重和位移約束，盾構(gòu)機(jī)開始掘進(jìn)開挖，激活盾殼及掘進(jìn)壓力、盾構(gòu)機(jī)自重，第二階段盾構(gòu)機(jī)開挖至4至6環(huán)，將此階段的盾殼、掘進(jìn)壓力、盾構(gòu)機(jī)自重激活并把上一階段的鈍化，同時激活注漿層、注漿壓力與管片、千斤頂推力，千斤頂推力下一階段鈍化；依此類推進(jìn)行模擬，第十八階段進(jìn)行第十七次注漿以及鋪設(shè)管片，第十九階段鈍化第十八階段的千斤頂推力，此時施工階段徹底完成。

3 溶洞對盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的影響分析

3.1 溶洞與隧道距離對隧道掘進(jìn)影響分析

溶洞假設(shè)為直徑5m，沿掘進(jìn)方向長5m，處于隧道正下方的空心圓柱體。圖3給出了溶洞頂距隧道開挖截面底的距離分別為5m、10m、15m、20m時溶洞的位置分布。以溶洞與隧道之間的距離為變量，討論隧道拱頂處的位移變化。溶洞頂距隧道開挖截面底的距離分別為5m、10m、15m、20m時得到的隧道拱頂處最大沉降、拱底處最大隆起位移數(shù)據(jù)如表3。

圖3 溶洞間距分布示意圖

當(dāng)溶洞處于隧道下部時，間距越大，造成的拱頂和工地位移越小。當(dāng)溶洞為直徑5m，高5m的全空溶洞時，溶洞頂與隧道底距離小于15m時，溶洞對于隧道拱頂處沉降影響較大，隧洞距離大于15m時，溶洞對于隧道的開挖影響不大；對于隧道拱底處最大隆起值，當(dāng)溶洞頂與隧道底距離小于10m時，拱底隆起的位移變化最大，距離大于10m時，隧道拱底處位移變化不明顯。由表3可知，溶洞與隧道間的距離越小，隧道拱頂、拱底處位移越大。

3.2 溶洞與隧道夾角對隧道掘進(jìn)影響分析

當(dāng)溶洞頂距隧道開挖面底部5m時，溶洞與隧道中心連線與Y軸負(fù)半軸夾角為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°七種情況。如圖4所示。

圖4 溶洞方位分布示意圖

分別取上面七種情況時隧道拱頂處的最大沉降以及隧道拱底處的最大隆起位移，如表4。

表4 改變?nèi)芏磁c隧道軸線夾角后隧道拱頂、拱底處最大位移值

當(dāng)溶洞位于隧道上方時，隧道產(chǎn)生的沉降值明顯小于溶洞位于下方時隧道的沉降值，且位于隧道正上方的溶洞對隧道產(chǎn)生的影響最小。當(dāng)溶洞與隧道中心連線與Y軸負(fù)半軸夾角在60°至90°以及150°至180°（左下60°及左上60°）范圍內(nèi)時，即溶洞對隧道的穩(wěn)定性影響最大，當(dāng)溶洞與隧道夾角為60°時，隧道拱頂處沉降值最大，此種情況最危險，最應(yīng)該處置溶洞。

4 結(jié)論

本章以大連地鐵五號線區(qū)間巖土層巖特征與盾構(gòu)機(jī)實際參數(shù)為依據(jù)，采用MIDAS GTS NX有限元分析軟件建立盾構(gòu)隧道模型。分析不同位置溶洞對盾構(gòu)隧道模型的穩(wěn)定性影響，為處理溶洞的優(yōu)先級提供參考。

①采用MIDAS GTS NX有限元軟件分析，通過對實際參數(shù)選取和施工過程進(jìn)行分析，建立了隧道盾構(gòu)施工的三維數(shù)值模型。

②以溶洞與隧道之間的距離為變量，討論不同情況時隧道拱頂處的位移變化。當(dāng)溶洞處于隧道下部時，間距越大，造成的拱頂和工地位移越小。

③當(dāng)溶洞與隧道中心連線與Y軸負(fù)半軸夾角在60°至90°以及150°至180°（左下60°及左上60°）范圍內(nèi)時，即溶洞對隧道的穩(wěn)定性影響最大，當(dāng)溶洞與隧道夾角為60°時，隧道拱頂處沉降值最大，此種情況最危險，最應(yīng)該處置溶洞。