隧道前方溶洞对盾构机掘进影响分析——以大连地铁5号线后后区间工程为例

李金奎， 颜志坚

(大连大学建筑工程学院，大连 116000)

盾构法是城市地铁工程建设常用的施工方法，岩溶地质区域中盾构机掘进容易造成盾构机陷落、倾覆、掌子面坍塌及地面沉陷等事故，对隧道前方溶洞对盾构机掘进施工影响分析研究具有重要理论价值和工程实践意义。近年来，相关学者、工程技术人员进行了大量相关研究。高坛等[1]利用MIDAS GTS建立溶洞处于隧道不同方位的有限元模型，考虑围岩、侧压力系数等5个因素对隧道与溶洞安全距离影响进行正交数值模拟分析，得到不同方位溶洞的安全距离预测模型；李海港等[2]利用FLAC3D数值模拟分析了隧道前方大型溶洞应力叠加和围岩变形；李培楠等[3]针对深圳轨道交通3号线区间工程建立了溶洞和地铁隧道的三维有限元模型，从溶洞位置、溶洞大小、与隧道的净距3个因素分析了地铁施工围岩的稳定性影响，得到该3个因素对围岩变形、塑性区以及主应力分布等均有较大影响的结论；赵宏国[4]利用三维有限差分软件针对顶部溶洞对新修地铁影响这一问题进行了流固耦合分析、不同溶洞规模下的地表沉降、溶洞变形、结构受力分析等，并提出相应的岩溶处理办法；潘青等[5]模拟溶洞分布对盾构隧道稳定性的影响，以溶洞直径、方位、与隧道净距为计算变量，分析隧道沉降、水平收敛、受力等情况；雷金山[6]基于广州地铁建设工程，分析了溶洞的发育及分布规律，运用试验和数值模拟针对隐伏型溶洞对地铁隧道稳定性进行分析研究，并提出了处置措施。

针对地铁岩溶隧道的研究多集中在隧道横断面内溶洞规模、方位、与隧道距离对地铁隧道的影响分析，且溶洞填充物性质考虑欠缺。前方溶洞对盾构机掘进的施工影响鲜有研究。现基于大连地铁5号线盾构工程，采用理论分析、数值模拟及工程量测的研究方法，对隧道前方溶洞处理前后对盾构掘进掌子面的围岩、溶洞围岩及上覆地层变形、塑性区进行分析，明确前方溶洞对盾构掘进的影响规律。

1 理论分析

1.1 盾构上方土体竖向位移分析

盾构掘进的不同施工阶段掌子面土体由于掘进面的附加推力、刀盘切削土体、盾壳对土体的挤压作用、注浆压力、盾尾建筑间隙使得土体经历加荷和卸荷的过程，盾构机前方土体存在主动土压力、被动土压力状态的土体应力过程转化过程，进而导致了掌子面围岩挤压和卸载及地表隆起和下沉。陈禹臻等[7]采用解析方法研究了盾构机掘进过程中的受力状态，研究了掘进工作面土压力、盾壳摩擦阻力的解析计算方法，并与数值算例进行了验证分析；林存刚等[8]采用Mindlin理论，推导出了软土地层盾构机掘进时正面推力引起的地表竖向位移公式，如式(1)所示，并在杭州庆春路过江隧道盾构掘进过程中得到应用和验证。

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(2)

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式中：w为前方某点的竖向位移，m；r和θ为掘进面一点到中心的距离(m)和角度(℃)；q为均匀作用在开挖面的掘进面压力，kPa；G为土体的剪切模量，kPa；ν为泊松比；H为隧道轴线埋深，m；x,y,z为待求竖向位移点。可以看出，在隧道埋深、隧道尺寸、掘进面推力等条件一致情况下，当隧道前方存在溶洞时减弱了前方土体的力学性质，剪切模量会有一定程度折减，导致地表竖向位移值和洞顶竖向位移值增大。

参考文献[9-10]盾构机掘进后由于掌子面开挖引起的地表沉降位移公式Peck公式预测。基于现场地表监测数据和Peck公式拟合，可对溶洞处理后的地表沉降进行预测，为类似情况施工提供参考。Peck公式如式(2)所示。

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式(2)中：s为地表沉降值，m；y为横断面计算点到隧道中心线的距离，m；smax为地表最大沉降值，m；i为沉降槽宽度，m。对上述公式两边取对数[9]，基于实测数据进行线性回归分析可得到参数smax和i。

1.2 溶洞与掘进面岩体稳定性分析

隧道前方存在着溶洞时，当盾构机掘进靠近溶洞时，盾构机对掘进面岩体的附加推力会使溶洞与掌子面之间岩体出现应力集中，而溶洞附近岩体完整性及强度较差，极易进入塑性状态或失稳破坏。为了便于分析盾构机前方岩体的稳定性，对溶洞和岩体假设为无填充或填充物散碎无洞压存在、岩体完整且连续各向同性介质、盾构推力和水土压力差简化为均布荷载作用在掘进面上，建立的力学分析模型如图1所示。根据文献[11-12]分别基于最大拉应力理论和剪切破坏理论建立安全厚度计算公式，如式(3)和式(4)所示，并在实际工程案例中得到验证。

图1 岩土安全厚度力学分析模型Fig.1 Mechanical analysis model of safety thickness of rock and soil

(3)

(4)

式中：S、ν、R、σt、q分别为安全厚度(m)、泊松比、溶洞半径(m)、岩体抗拉强度(kPa)、掘进面压(kPa)；λ、γi、Hi、A、C、φ、c分别为侧压力系数、土体容重(kN·m-3)、岩层厚度(m)、溶洞周长(m)、溶洞断面面积(m2)、内摩擦角(°)和黏聚力(kPa)。安全厚度S与岩体的力学性质、岩体应力、溶洞尺寸、掘进面压有关，在其他参数保持一定的情况下随着溶洞尺寸的增大所需安全厚度越大。

2 工程概况

大连地铁5号线后盐站至后关村站区间全长3 534.215 m，区间地形地貌复杂，沿线地势起伏大，4.71 m到50 m不等。采用盾构法施工，盾构直径为6.47 m，管片外径6.2 m、厚0.35 m、环宽1.2 m。其地质条件从地表往下依次为第四系覆盖层，主要由素填土和黏土组成；中间部分为强风化白云岩；下伏基岩为中风化石灰岩，节理裂隙较发育、有溶蚀现象，溶洞发育不规律，揭露洞高0.30～6.20 m，场地可溶岩区钻孔见洞隙率为24.8%，岩溶发育等级为中等发育，填充物主要为软塑黏性土、强风化岩。区间部分隧道范围内溶洞如图2所示，其中红色闭合线为溶洞轮廓线。盾构隧道穿越层主要为中风化白云岩和中风化石灰岩，围岩所处级别为IV～V。有关岩土力学参数如表1所示。

图2 隧道范围内溶洞物探成像Fig.2 Geophysical imaging of karst caves in tunnel area

名称容重/(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/kPa素填土17.080.401510强风化石灰岩23.0200.273265中风化石灰岩27.02520.2438135

3 数值模拟试验

3.1 有限元模型

利用MIDAS GTS建立三维有限元模型，考虑到隧道施工的影响范围和保证计算结果可靠，模型几何参数选取70 m×40 m×50 m，上部素填土厚度取3.5 m，中间强风化岩厚度取5 m，下部基岩为中风化石灰岩。岩土体选择常用的理想弹塑性模型的Mohr-Coulomb本构模型；隧道结构和溶洞加固体选择弹性结构本构模型。岩溶充填体力学参数、隧道结构力学参数、盾壳参数[13]如表2所示。设定边界条件为位移约束，在x、y方向进行水平位移约束，底部为三向约束，顶部为自由边界。

表2 溶洞充填物及结构力学参数

为简化分析计算，将溶洞看作圆柱体。考虑到该区间的绝大多数溶洞规模和填充情况，设溶洞大小为无溶洞情况、1/4D、1/2D、1D，D表示隧道直径。设填充物情况为无填充、填充物软塑性黏土和强风化岩、溶洞预处理后的注浆体。共计建立有限元模型工况为7个。以溶洞大小为1D、无填充情况为例，溶洞位置关系及建立的有限元模型(从隧道中心线剖切)如图3所示。

为使计算结果更为合理，考虑对分析重点部位利用软件功能进行网格单元加密。根据施工的实际情况，设定盾构掘进压力为300 kPa、注浆压力为150 kPa，分别施加在盾构掘进面上、管片背面。由于盾构管片长为1.2 m，设开挖布距为管片长度。按照施工步骤进行开挖：第一步开挖土体和激活下一阶段土体的推力；第二步激活盾壳单元；第三步开挖下一阶段土体，并激活上一阶段的衬砌和下一阶段土体的推力，以此类推直至开挖完成。

3.2 数值模拟结果及分析

为了获得隧道前方溶洞围岩、掌子面及地表变形信息，在盾构机掘进过程中记录了溶洞围岩、地表及掌子面的变形信息，如图4所示。其中A点为溶洞正上方的地表观测点，B点溶洞正上方的围岩观测点，C点为溶洞距盾构最近点，D点为洞腰位置。

图4 分析位置Fig.4 Analysis location

3.2.1 不同溶洞规模对观测位置的影响

隧道盾构掘进面与溶洞距离从24 m到3 m逐渐减小时，由于洞内填充物质力学性质差且松散，难以起到支撑作用，基于最不安全考虑无填充溶洞进行模拟，在不同溶洞规模的工况下不同观测位置的变化规律如图5所示。

图5 不同溶洞规模下观测位置变形Fig.5 Observed position deformation under different cave sizes

地表隆起分析：图5(a)表明无溶洞情况下，地表沉降规律表现为随着开挖距离的减小，地表隆起逐渐增大，但在离掘进面大约6 m时逐渐沉降，表明地表隆起最大值在掘进面前方一定范围，随着施工进行不断向前转移；当溶洞小于等于1/4D时，溶洞上方地表的变形规律与无溶洞时一致；当溶洞为1/2D时，掘进面离溶洞大约7 m时，地表隆起值大于无溶洞、1/2D溶洞，但其变化趋势与无溶洞相似；溶洞为1D时随着施工推进，地表最大隆起值大于前三者情况，随后变化不大。分析表明溶洞存在会增大溶洞上方的地表隆起量，溶洞越大增量越明显，但总的情况来看隧道前方存在溶洞与否对地表最大隆起量影响不大。

洞顶竖向位移分析：随着施工不断推进，洞顶位置不断向上运动，溶洞存在会增加溶洞洞顶竖向位移量且溶洞越大增加量越多，但是总的来看溶洞存在与否对洞顶竖向变形量影响很小，可忽略不计，其变化如图5(b)所示。但值得注意的是靠近掘进面的顶部和底部位置会出现沉降和隆起，与溶洞中间位置呈现相反的变化规律。

临近点纵向变形分析：在无溶洞情况下，该点纵向位移值在距离不断减少的过程中呈现缓慢增加，最终增加量不到10 mm；在溶洞存在情况下，越靠近溶洞位置时增加量越大，特别是1/2D、1D溶洞大小呈现非线性增长，大约1 m的位置该点变形值分别达到30 mm和70 mm，为无溶洞时的4倍和9倍，其变化如图5(c)所示，可认为此时溶洞和掘进面之间的岩体发生破坏。

洞腰水平位移分析：洞腰水平变形表现为向两边延伸变形；图5(d)表明随着施工距离的缩短，无溶洞情况和1/4D溶洞大小对洞腰水平位移影响不大；但随着溶洞尺寸变大，洞腰水平位移增大，当溶洞为1D、掘进面距溶洞在大约5 m处开始，随着距离缩短洞腰水平位移急速增大。

3.2.2 不同填充物对观测位置的影响

隧道盾构掘进面与溶洞距离从24 m到3 m逐渐减小时，基于最不安全考虑最大填充溶洞进行模拟，在不同填充物的工况下不同观测位置的变化规律如图6所示。

图6 不同填充物下观测位置变化规律Fig.6 Observed position deformation under different fillers

不同填充物对溶洞正上方地表隆起影响：两种填充物下地表隆起值随着开挖距离的缩短不断增大，从7 m处开始溶洞填充较之无填充溶洞变化值更大，如图6(a)所示，且填充物力学性质越弱变化值越大，但保持相同的变化趋势。

洞顶竖向位移分析：如图6(b)所示，随着开挖距离的缩短，溶洞存在填充物情况下较之无溶洞和无填充溶洞引起的洞顶向上变形值更大，且距离越短变化越为明显；两种填充变化趋势一致，但填充物性质越弱对洞顶位移影响越大。分析原因是由于在相同的荷载或应力条件下较弱力学性质的填充物更容易变形。

临近点纵向变形分析：如图6(c)所示，从约4 m处开始随着开挖距离缩短，较之无填充溶洞，洞内填充物会降低临近点纵向变形值，且洞内填充物力学性质越强降低越多，这是由于填充存在会抵抗一部分变形；但在这两种填充物情况下2 m处的变形值约为无溶洞时的3倍和7倍，所以溶洞存在填充物时对临近点的影响还是不能忽视。

洞腰水平位移分析：如图6(d)所示，在开挖距离小于5 m范围内洞内两种填充物会影响洞腰水平位移，且力学性质弱的影响程度大于力学性质强的影响程度。

通过上述不同工况的计算结果分析发现，不同工况下会或大或小地影响各敏感部位的变形值，但总的变化趋势是一定的，即在开挖距离的不断减小下，溶洞变形表现为溶洞周围岩体向四周延伸变形，但在溶洞临近掘进面的一处会向溶洞临空面突出变形。

3.2.3 无填充溶洞规模对塑性区发展的影响

盾构前方溶洞与盾构掘进面之间的土体发生破坏容易导致溶洞坍塌、盾构机受力不平衡。基于上面的分析发现，不同溶洞大小对它们之间土体塑性变形的发展有很大的影响。所以有必要进一步探讨溶洞大小对塑性区发展的影响。设置溶洞大小分别为1/4D、1/2D、3/4D、1D，在上述的边界条件和地层力学参数条件下进行模拟。根据剪切应变判断溶洞与掘进面岩体是否发生破坏[1]。随着盾构掘进靠近溶洞时，不同溶洞大小的条件下塑性区的贯通距离是不一致的，模拟结果表明溶洞越大，塑性区贯通时的距离越大。分析其原因为盾构掘进面前方在正常掘进过程中会产生一定范围的塑性变形，而在施工接近溶洞时溶洞周围的应力分布更加复杂，在溶洞周围也会产生塑性区(溶洞越大范围越大)，此时两者塑性连通后临近掘进面的溶洞临空面会有较大变形，容易产生坍塌。

将溶洞大小作为横坐标、塑性区贯通距离或岩体安全厚度理论计算结果作为纵坐标，画出曲线图，如图7所示。在图7中可以看出3种计算结果表明：溶洞大小与岩体安全厚度近乎呈线性关系，表明溶洞越大在相同岩体厚度情况越不稳定；以剪切破坏理论计算的结果较小，可作为施工参考的上限值；以最大拉应力理论计算的结果接近数值模拟结果，通过对岩体安全厚度的计算分析，可为前方溶洞超前处理和盾构施工参数调整提供参考。

图7 溶洞大小与岩体安全厚度的关系Fig.7 Relationship between cave size and rock mass safety thickness

3.2.4 溶洞处理前后对比

以该区间某一溶洞为例进行溶洞处理前后的对比分析。该洞处于左线隧道盾构掘进范围之内，溶洞规模约为6 m、顶板埋深约16 m，填充物为软塑性黏土。由于该溶洞为填充溶洞，填充物为流塑、软塑状黏性土，则采用注浆充填处理，注浆处理目的为使洞内软弱填充物形成具有一定强度的固结体。

将原本软塑性黏土力学参数提高到固结体的力学参数进行模拟计算，以变形最大的溶洞距掘进面最近点为例(即C点)进行对比分析，纵向变形云图如图8所示。图中显示溶洞处理前溶洞周围纵向位移达到21 mm，且向溶洞内部形成一个巨大凹槽；溶洞处理后溶洞变形得到控制且未在溶洞周围变形集中。计算结果表明随着溶洞加固处理，内部填充物的力学性质得到增强，观测点的变形能够得到有效控制，降低地表过大沉降或隆起、溶洞坍塌的风险。

图8 溶洞处理前后对比Fig.8 Comparison before and after karst treatment

4 监测与数值模拟对比分析

(1)在对溶洞进行处理后，盾构施工至此处时，溶洞上方地表的位移动态监测结果最终值稳定在1.35 mm，而数值模拟结果是1.20 mm，表明处理后的溶洞于盾构施工无异常情况。

(2)对盾构掘进完成后溶洞所处的横断面的沉降进行分析：①溶洞上方地表横断面沉降实测数据和数值模拟结果如图9所示，在图9中可看出，数值模拟结果与实测数据在10 m范围内变化趋势一致，由于盾构施工还受其他因素影响，数值模拟结果小于实测数据；②对断面沉降实测数据进行Peck公式拟合，通过线性回归分析得smax、i分别为1.55 mm、10.1 m，拟合结果可为该区间类似情况施工提供地表沉降预测。

图9 横断面地表沉降对比及Peck拟合Fig.9 Comparison and Peck fitting of surface subsidence in cross-section

5 结论

(1)随着盾构施工推进，不同溶洞尺寸和溶洞填充物性质对地表隆起、洞顶上方位移影响不大，但施工到一定距离作用下靠近施工面的溶洞顶部和底部表现较大的沉降和隆起；靠近掘进面的溶洞壁会产生较大变形，随着距离的减少，该变形会呈现非线性式的增长且溶洞越大变形越大，此时溶洞与盾构面之间的土体极不稳定；溶洞拱腰部位水平位移为负值，即在顶部和底部的挤压作用拱腰处向两边变形，其变化规律为距离的减小下不同尺寸和填充物小会呈现非线性增长且溶洞越大变形越大。

(2)溶洞与掘进面之间的安全厚度随着溶洞尺寸的增大而近似线性增长，基于剪切破坏的计算结果可作为上限值，基于最大拉应力的计算结果更接近数值模拟结果。

(3)溶洞处理前后的数值模拟结果为靠近掘进面的溶洞临空面纵向变形得到有效控制；对溶洞进行地表注浆处理，施工至此处时地表隆起值与数值模拟结果接近；对盾构掘进完成后横断面实测沉降曲线和数值模拟结果接近。