王生武 李碩

摘 要：針對大連地鐵 5 號線某巖溶強烈發(fā)育區(qū)段盾構(gòu)隧道開挖，運用 ABAQUS 軟件建立三維數(shù)值計算模型，分析盾構(gòu)掘進過程中不同方位的溶洞對隧道圍巖變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明：溶洞的存在對隧道圍巖變形影響顯著，隧道圍巖有向溶洞存在方位傾斜的趨勢;隧道開挖完成后，塑性區(qū)隧道與上部、側(cè)部溶洞圍巖未貫穿，下部溶洞產(chǎn)生貫穿塑性區(qū)，為掘進過程中的最危險部位。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu)隧道;溶洞;圍巖變形;數(shù)值模擬

中圖分類號：U451.1

盾構(gòu)法作為安全、環(huán)保、快速的建設(shè)手段，在地鐵隧道修建中得到了廣泛應(yīng)用[1]。同時，在巖溶發(fā)育區(qū)開展盾構(gòu)施工已是難以避免的工程難題，溶洞使隧道開挖過程易發(fā)生盾構(gòu)機偏頭、栽頭，甚至圍巖坍塌。溶洞的處理對隧道工程的施工進度、經(jīng)濟成本、人生安全影響巨大。

近幾年，關(guān)于溶洞對隧道施工的影響有關(guān)學(xué)者已經(jīng)開始了一定的仿真研究。如，宋戰(zhàn)平等[2-5]研究了溶洞的不同分布位置、溶洞的尺寸大小及隧洞凈距對隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。賴永標等[6-9]以隧洞間巖層塑性區(qū)貫穿及突變原理為破壞依據(jù)，通過圍巖參數(shù)等級、溶洞尺寸、隧道埋深等影響因素，建立了智能預(yù)測模型對溶洞與隧道間的安全距離開展了研究，并將模擬結(jié)果運用到實際工程中。但是，現(xiàn)有的研究大多針對隧道開挖完成后進行數(shù)值模擬，而關(guān)于在開挖過程中溶洞對盾構(gòu)隧道圍巖變形影響的研究甚少。開挖完成后的變形與開挖過程中局部區(qū)域的變形之間存在一定的甚至比較明顯的區(qū)別，盾構(gòu)機偏頭、栽頭現(xiàn)象易發(fā)生在隧道開挖過程中。本文通過數(shù)值模擬對不同分布位置的溶洞對盾構(gòu)隧道圍巖變形影響規(guī)律進行研究。

1 工程概況

大連地鐵5號線工程線路全長23.8km，設(shè)車站18座，全線采用地下線敷設(shè)，本文對泉水東站—前鹽站區(qū)間盾構(gòu)施工進行模擬。泉前區(qū)間設(shè)計范圍里程為K19 + 803.339～K20 + 607.607，右線長804.268m，左線長813.947m，隧道埋深17.2～23.6m。

隧道穿過中風(fēng)化頁巖、中風(fēng)化石灰?guī)r，其中，中風(fēng)化頁巖巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育嚴重，中風(fēng)化石灰?guī)r巖體破碎～較破碎。石灰?guī)r為可溶巖，溶隙、溶溝發(fā)

育[10-11]?？辈旄縻@孔內(nèi)均揭示石灰?guī)r，其中有27個鉆孔發(fā)現(xiàn)有溶洞，溶洞發(fā)育不規(guī)律，洞高0.30～19.50m，洞頂埋深1.80～37.70 m，洞頂標高-5.90～28.80m，洞底標高-15.40～25.10 m。場地可溶巖區(qū)鉆孔見洞隙率為41.5%，線巖溶率4.8%，巖溶發(fā)育等級為強烈發(fā)育。

2 盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬

2.1 模型建立

理論與實踐表明，地下洞室開挖后，應(yīng)力應(yīng)變僅在洞室周圍距離洞室中心點3～5倍開挖高度或?qū)挾鹊姆秶鷥?nèi)存在實際影響[12]，根據(jù)隧道埋深18 m，隧道外徑6.48 m，采用ABAQUS有限元軟件建立模型外部尺寸66 m×60 m×60 m（寬度方向X×隧道長度方向Y×埋深方向Z），巖土體分3層，分別是3.4 m、3.1 m、53.5 m。

模型共建有巖土體、盾構(gòu)機殼、襯砌管片、注漿漿體等4個部件，盾殼外徑6.48 m，厚度0.2 m，長度8.4m;襯砌外徑3.1 m，厚度0.35 m;注漿漿體等代層外徑3.24 m，厚度0.14 m。

結(jié)合現(xiàn)場實測地質(zhì)資料，在隧道上方、下方、側(cè)方各設(shè)有1個直徑3 m、長6 m的圓柱形溶洞，與隧道凈距均為2 m。上部溶洞位于Y = 12～18m（Y表示隧道長度方向），側(cè)部溶洞位于Y = 24～30 m，下部溶洞位于Y = 36～42m。隧道與溶洞空間的相對位置如圖1所示。

巖土體采用八節(jié)點線性六面體完全積分單元（C3D8），對于隧道圍巖及溶洞周圍區(qū)域加密網(wǎng)格，最小單元邊長為0.375 m。盾構(gòu)機殼單元采用四節(jié)點曲面通用殼（S4）。注漿等代層、襯砌管片采用更適合于環(huán)狀的八節(jié)點線性六面體非協(xié)調(diào)單元（C3D8I）。模型共劃分單元87100個。邊界約束為，上頂面自由邊界，下底面施加Z向約束，左右兩側(cè)面施加X向約束，前后面施加Y向約束。有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 巖土及盾構(gòu)機材料參數(shù)選取

Komiya[13]提出用圓筒形殼體模擬盾殼，將材料彈性模型取10倍鋼材的彈性模量來等效考慮盾構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對剛度的增強作用，注漿等代層彈性模量4MPa[14]。本文選取材料參數(shù)[15-17]如表1所示。

2.3 盾構(gòu)機掘進模擬

選取實際盾構(gòu)管片寬度1.2 m為一次掘進步長，進行58次掘進模擬。掘進50次刀盤到達邊界，57次盾構(gòu)機殼完全離開巖體，掘進58次注漿完成。

（1）初始地應(yīng)力平衡模擬。隧道開挖前，先進行己有溶洞地層的巖土體自重應(yīng)力場計算[18-20]，以達到含巖溶地層的初始位移平衡。

（2）進行開挖模擬。采用生死單元法，殺死掌子面前方土體，激活盾構(gòu)機殼，施加掌子面壓力;前方激活，后方殺死，保持機殼8.4 m。

（3）支護及同步注漿。激活襯砌和注漿等代層單元，模擬盾構(gòu)機的同步注漿。

3 模擬計算結(jié)果分析

3.1 圍巖變形分析

圖3給出了有、無溶洞工況下，盾構(gòu)掘進26.4 m（開挖22次）時，Y = 27.6 m橫斷面上隧道圍巖水平側(cè)移云圖。由圖3可見，在無溶洞情況下，隧道圍巖水平側(cè)移呈對稱分布，最大水平側(cè)移位置在隧道側(cè)拱處;存在側(cè)部溶洞時，隧洞圍巖靠近溶洞側(cè)出現(xiàn)更大水平側(cè)移區(qū)域，隧道向溶洞側(cè)傾斜;側(cè)部溶洞左腰拱處水平側(cè)移1.9mm，較無溶洞時增加了48%。

圖4給出了盾構(gòu)掘進37.2 m（開挖31次）時隧道圍巖沉降云圖。由圖4可見，存在下部溶洞時，位于刀盤底部A點沉降5.5 mm，無溶洞時沉降3.5 mm，增加了2.0 mm;受下部溶洞影響，掌子面前方巖體向下移動區(qū)域范圍增加，盾構(gòu)機產(chǎn)生栽頭趨勢。

圖5給出了盾構(gòu)隧道開挖完成后隧道圍巖整體沉降云圖。由圖5可見，有、無溶洞2種情況最大沉降值均為15.8 mm;有溶洞時最大隆起值23.9 mm，較無溶洞時減小0.1 mm?？梢姡芏磳Χ軜?gòu)開挖完成后最大沉降和隆起值影響較小，上部溶洞對沉降產(chǎn)生比較明顯的屏蔽作用，而下溶洞對隧道仰拱隆起產(chǎn)生了一定的屏蔽作用;沿隧道長度上沉降的差異是由于掌子面推力造成。

3.2 典型部位沉降分析

圖6給出了Y = 15.6 m橫斷面位置的隧道拱頂點（位于上部溶洞的正下方），在隧道開挖過程中的沉降曲線。為排除邊界效應(yīng)影響，取掘進距離8.4m，即以盾構(gòu)機完全進入巖土體為開始，盾構(gòu)機掘進60m為結(jié)束。在整個掘進過程中，無溶洞時拱頂點的沉降較有上部溶洞時更大，這是由于上部溶洞的屏蔽作用所致。在掘進到13.2m時，受掌子面推力影響，隧道拱頂點有輕微上抬趨勢。由于盾構(gòu)機殼及刀盤重力影響，從14.4 m掘進到15.6 m時隧道拱頂點沉降顯著增加;從15.6 m到掘進24 m時，沉降基本保持不變，此時處于盾構(gòu)機殼掘進過程中，盾構(gòu)機殼剛度大不易變形，產(chǎn)生了盾構(gòu)殼長度8.4 m的穩(wěn)定階段;當掘進到25.2 m時，拱頂點恰好對應(yīng)于盾尾空隙，從而使得沉降迅速增大，有上溶洞時沉降15.4 mm，無溶洞時沉降17.3 mm。此后，由于同步注漿作用，拱頂點沉降值減小5%。

圖7給出了Y = 39.6 m橫斷面位置的隧道拱底點（位于下部溶洞的正上方），在隧道開挖過程中的沉降曲線。在掘進過程中，下部溶洞減小了隧道拱底點的隆起。在掘進到37.2 m時，受刀盤推力和重力影響，隧道拱底點沉降最大，有下部溶洞時沉降6.0 mm，無溶洞時沉降4.9 mm;由于盾構(gòu)機刀盤的遠離，從掘進38.4 m到39.6 m時，隧道拱底點沉降有所減小;掘進48 m到49.2 m時，拱底點恰好對應(yīng)于盾尾空隙，從而使得隆起迅速增大，有底部溶洞時隆起增加至13.6 mm，較無溶洞時隆起18.9 mm減小28%。

開挖完成后，在隧道全長度范圍，對隧道拱頂和隧道拱底位置的沉降變化進行了分析。

圖8給出了隧道拱頂沉降與隧道長度的關(guān)系曲線。為減少邊界效應(yīng)影響，隧道長度取10.8 m到50.4 m。隧道長度10～20 m范圍，由于上部溶洞屏蔽作用的影響，沉降有所減小;在隧道長度14.4 m，有溶洞時拱頂沉降12.9 mm，較無溶洞時沉降14.5 mm減小了11%;隧道長度20～30 m范圍，側(cè)部溶洞使隧道圍巖豎向剛度減小，有溶洞時隧道拱頂沉降較無溶洞時有所增加;隧道長度30～50 m范圍，由于下部溶洞存在，相當于增加了隧道高度，隧道圍巖橫向剛度減小，受圍巖擠壓，拱頂沉降有所減小。

圖9給出了隧道拱底沉降與隧道長度的關(guān)系曲線。隧道長度10～20 m范圍，上部溶洞使隧道圍巖橫向剛度減小，受圍巖擠壓作用，拱底隆起有所減小;隧道長度20～33 m范圍，由于側(cè)部溶洞存在，隧道豎向剛度減小，隆起較無溶洞時有所增加;隧道長度33～43 m范圍，由于下部溶洞存在，隧道圍巖產(chǎn)生塑性變形，隆起值18.9 mm，較無溶洞時下沉了4.2 mm。

3.3 圍巖塑性變形分析

圖10給出了盾構(gòu)掘進完成后，隧道圍巖橫斷面塑性應(yīng)變云圖，由圖10可見，隧道周圍由于掌子面推力擾動，產(chǎn)生了環(huán)狀塑性變形區(qū)，溶洞位于隧道上部、側(cè)部、下部3種情況均在隧道拱底產(chǎn)生最大塑性應(yīng)變。上部溶洞存在時，最大塑性應(yīng)變值0.027，側(cè)部溶洞存在時，最大塑性應(yīng)變值為0.025。這表明，溶洞靠近隧道側(cè)腰拱處塑性應(yīng)變較大，但隧洞圍巖塑性區(qū)域并未貫穿;下部溶洞存在時，最大塑性應(yīng)變值為0.022，表明溶洞拱頂產(chǎn)生明顯塑性變形，溶洞頂板產(chǎn)生貫穿塑性區(qū)。

圖11 給出了隧道圍巖縱斷面塑性應(yīng)變云圖，由圖11可見，隧道拱底靠近下部溶洞邊界處產(chǎn)生明顯塑性變形，最大塑性應(yīng)變值為0.027。這表明，溶洞靠近開挖側(cè)的邊界最易產(chǎn)生貫通塑性區(qū)，為最危險部位，因此，在盾構(gòu)開挖臨近下部溶洞邊界時應(yīng)加強實時監(jiān)控，防止盾構(gòu)機發(fā)生載頭現(xiàn)象。

4 結(jié)論及建議

（1）受溶洞影響，開挖過程中隧道圍巖向溶洞存在方位傾斜。側(cè)溶洞靠近隧道側(cè)腰拱部位較無溶洞情況下水平側(cè)移增加48%。掘進時，隧道下部的溶洞會使盾構(gòu)機掌子面有向下栽頭趨勢，掘進完成后，上部溶洞對圍巖沉降產(chǎn)生屏蔽作用。

（2）盾構(gòu)掘進過程中，受掌子面推力影響，仰拱點發(fā)生輕微上抬，底部輕微下沉;由于盾殼剛度大，圍巖位移基本不變;受盾尾空隙影響，圍巖頂、底均向隧道中心收斂;注漿加襯砌使圍巖頂?shù)资諗口厔轀p小，盾尾空隙對圍巖最終的位移變化具有較大的影響，實際施工應(yīng)加強同步注漿的質(zhì)量監(jiān)控。

（3）隧道拱頂、底沉降曲線表明，開挖完成后，上部溶洞的屏蔽作用使隧道頂部圍巖沉降有所減小;側(cè)溶洞存在使隧道豎向剛度減小，隧道頂?shù)紫蛑行氖諗?下部溶洞使隧道底部圍巖沉降發(fā)生明顯塑性變形，多下沉了4.2 mm。

（4）盾構(gòu)掘進完成后，隧道周圍由于盾構(gòu)機刀盤推力擾動，產(chǎn)生了環(huán)狀塑性區(qū)。存在上部溶洞時，溶洞腰拱部位產(chǎn)生輕微塑性變形;有側(cè)部溶洞時，溶洞靠近隧道側(cè)圍巖出現(xiàn)明顯塑性區(qū)，但塑性區(qū)并未貫穿;有下部溶洞時，溶洞頂部產(chǎn)生明顯塑性變形，隧洞圍巖產(chǎn)生貫穿塑性區(qū)，下部溶洞最易出現(xiàn)圍巖坍塌，為危險部位，建議把底部、側(cè)部溶洞作為優(yōu)先處理對象。

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收稿日期 2019-01-16

責任編輯 朱開明

Numerical simulation of influence of karst tunnel on deformation of surrounding rock in shield tunneling

Wang Shengwu， Li Shuo

Abstract： In view of shield tunneling in a serious karst developed section of Dalian metro line 5， a three-dimensional numerical calculation model is established by using ABAQUS software， and this paper analyzes the influence patterns of different directions of the karst caves on the tunnel surrounding rock deformation in the process of shield tunneling. The results show that the karst caves have significant influence on the tunnel surrounding rock deformation， and the tunnel surrounding rock has the trend of inclining to the karst caves. The most dangerous part in the tunneling process is when the tunnel is through， the tunnel in the plastic area is not through the surrounding rock of the upper and side karst caves， and the lower karst cave is through into the plastic area.

Keywords： subway， shield tunnel， karst cave， surrounding rock deformation， numerical simulation