岩溶区盾构隧道衬砌结构变形特征研究*

2020-09-28蒋泽龙

工程技术研究 2020年12期

刘恒，王超，蒋泽龙

（1.中铁南方投资集团有限公司，广东深圳 518000；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075）

岩溶分布广泛，地球上陆地总面积中有12%为岩溶区面积。由于我国土地面积辽阔，其中岩溶区域分布范围广，尤其在东南沿海和西南山区[1-3]。受地理环境影响，我国深圳地区修建地铁通过碳酸盐地层的隧道长度占较大比例，因此在遇到岩溶时会受到其不同程度的影响[4]。主要原因是深圳地层中的喀斯特地貌可溶性岩石中的物质有硫酸盐岩、碳酸盐岩以及卤化物岩等，同时地下水可以机械腐蚀可溶性岩石从而出现崩塌现象，甚至会出现转移、携带以及再沉淀物质等问题，导致某个地区出现大面积地质灾害[5-6]。最近几年受到突泥、岩溶涌水等自然灾害影响，严重影响盾构隧道正常施工，同时带来巨大的工程问题[7-8]。由此可见，实际施工与运营盾构隧道工程阶段必须考虑涌水地质灾害的影响[9]。综合分析深圳地铁14号线大运—宝荷工程区段盾构隧道工程的地质情况，其位于岩溶区范围内，且岩溶发育丰富，因此有必要对该区段内的盾构隧道衬砌结构变形特征进行深入研究，保证盾构施工的安全。

1 构建有限元计算模型及选择参数

结合深圳地铁14号线工程概况，选择处于岩溶发育较丰富地段隧道作研究。隧道埋深范围25～40m，地下水位约14m。采用ABAQUS软件建立模型，直观地显示改变地下水后隧道渗流场状态，模型是尺寸为130m×160m的矩形箱体，上下取值、两侧取值分别为75m、60m。在顶面1m以下位置处划分初支、注浆圈以及二衬，并在3m以下位置处划分围岩，保证分析结果准确可靠。

结合工程资料及国内外相关地铁设计规范，在摩尔库伦准则条件下对模型施加约束，水头高度取14m，围岩采用弹塑性本构模型，衬砌结构运用弹性本构模型，通过ABAQUS软件建立的渗流-应力耦合模型模拟数值并对其分析计算。有限元计算模型所有单元参数如表1所示，衬砌结构变形监测点（即模型中的数据采样点）的布置情况如图1所示。

2 计算结果及分析

2.1 多种注浆圈厚度条件下研究衬砌结构变形特征

在探索注浆圈厚度影响衬砌结构变形时，模型建立时的部分参数取值如表2所示，由表2选取初支厚度、水头高度分别为0.2m、14m，二衬厚度设为0.4m，其他情况可参照表1所示参数，分别研究0m、3m、5m及8m情况下实际模型工况，分析衬砌结构在水平方向与竖向变形位移。不同注浆圈厚度时各监测点竖向位移变化曲线如图2所示。由图2发现，增大注浆圈厚度，衬砌结构竖向位移出现下降趋势，同时减小幅度逐步下降。

表1 有限元计算模型单元参数统计表

图1 隧道衬砌结构变形监测点布置简图

表2 模型建立时的参数取值统计表（1）

图2 不同注浆圈厚度时各监测点竖向位移变化曲线

2.2 多种注浆圈渗透系数条件下研究衬砌结构变形特征

在探索注浆圈渗透系数影响衬砌结构变形情况时，模型建立时的部分参数取值如表3所示，由表3中的参数值选取注浆圈厚度与水头高度分别为3m、14m，初支厚度取为0.2m，二衬厚度取为0.4m，其他情况可参照表1所示参数，分别研究5×10-4m/s，5×10-5m/s、5×10-6m/s、5×10-7m/s以及5×10-8m/s注浆圈渗透系数情况下的5种模型工况，分析衬砌结构的竖向和水平向变形位移。不同注浆圈渗透系数时各监测点竖向位移变化曲线图如图3所示。分析图3发现，衬砌结构竖向位移随着注浆圈渗透系数的减小而加速下降。

表3 模型建立时的参数取值统计表（2）

图3 不同注浆圈渗透系数时各监测点竖向位移变化曲线图

2.3 多种二衬厚度条件下研究衬砌结构变形特征

在探索二衬厚度影响衬砌结构变形时通过构造模型，水头高度取14m，初支厚度取0.2m，注浆圈厚度取3m，其他情况可参照表1所示参数，依次研究二衬厚度为0.2m、0.4m、0.6m及0.8m的4种工况，通过衬砌结构的竖向和水平向变形位移来分析与研究。不同二衬厚度时各监测点竖向位移变化曲线图如图4所示。分析图4发现，衬砌结构竖向位移随着二衬厚度的增加而不断减小，且减小幅度逐渐下降。