不同岩溶条件下盾构隧道受力数值模拟研究

2022-03-05杨雪冬

辽宁省交通高等专科学校学报 2022年6期

杨雪冬

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

1 引言

随着隧道项目的不断增多，隧道在施工时所遇到的不良地质也不断增多，如岩溶地层等。岩溶地层有较低的力学强度和较差的稳定性，在盾构隧道施工时常遇到较多的技术难题，且常会出现各种各样的施工事故［1］。工程事故的出现不仅影响到经济和人员安全，也会造成不良的社会影响，不利于隧道行业的发展。工程事故的发生原因多种多样，但主要还是施工质量把控的不足［2］，因此，为确保岩溶隧道的施工安全，进一步把握隧道施工时的受力规律非常必要。

2 盾构隧道穿越岩溶区时的问题分析

以某盾构隧道为例，从其地质勘探报告可知，区域内沿线的地质条件为：

第四系全新统（Q4）：杂填土，层底埋深和标高分别为1.2-3.7m 和28-30m，较为松散，表层为沥青混凝土路面，中部主要为碎石垫层，且夹杂有一定的粉土和粘土等；淤泥质粘土，层底埋深和标高分别为3-6m 与26-28m，呈流塑性，压实性较高。

上更新统（Q3）地层：粘土，层底埋深和标高分别为4-8m 和23-28m，可塑性较强，切面较平整，有普遍分布，且无规律；

下伏基岩为寒武系（Э）灰岩：中风化灰岩，褐灰色，岩芯较为完整，节理较为发育，且局部有发育溶蚀；溶洞，底层埋深和标高分别为10-28m 和3.6-22m，填充有硬塑粘土，且夹杂有灰岩碎块。

2.1 岩溶塌陷

岩溶塌陷的产生原因和岩溶裂缝、上覆岩层性质和岩溶水等有较大联系。

（1）岩溶裂缝发育

岩溶裂缝发育和岩溶塌陷规模与速度等有较大联系，岩溶裂缝是岩溶发育的重要前提［3］。在地下动水的影响下，水流不断带走岩溶裂缝上覆土层里的土颗粒，随着动水所带走的土颗粒不断增多，岩溶裂缝持续发育后会反过来影响到上覆土体，导致上覆土体结构失稳，地表就会随之表现出岩溶塌陷。

（2）上覆地层岩土性质

岩溶塌陷的重要影响因素包括上覆岩土的性质。如在砂岩和煤层等地质条件下就容易产生地表塌陷等事故，而上覆地质为黏土层等结构较为稳定的出现塌陷事故的可能性较小。

（3）岩溶水

在可溶性岩层中，动水是否有溶蚀性是其产生岩溶的重要前提。在灰岩地质中，纯水基本不具备溶蚀能力，仅动水中的CO2成分在一定浓度后才会产生溶蚀作用［4］。

2.2 诱发因素

在地质作用的长期影响下，各种地质体在无外界因素作用时均处于相对稳定的状态。岩溶发育的地质里，在上覆土体的堆积作用下，部分地下水力联系通道被堵塞，上覆土体和下伏岩溶保持相对平衡状态，此时若无外界影响，一般难以发生岩溶塌陷事故，因此，外界诱发是产生岩溶塌陷的必要前提。探讨岩溶塌陷的机理可从地质环境或上覆土体被破坏的力学机理等角度入手。基于此，本文主要探讨不同岩溶条件对盾构隧道的施工影响。

3 有限元模型

3.1 建模

地质环境各项参数如下表1 所示。以数值模拟的方式探讨盾构隧道在不同溶洞因素影响下的受力情况，此外，为更好探讨盾构隧道在单一因素影响下的受力情况，在建模时以相对理想化的方式看待其他条件［5］。

表1 岩土体力学参数

Flac3d 模拟软件有较多本构模型，在此次模拟中，选择以Mohr-Coulomb 本构模型作为岩土层的本构模型，并以理想弹性本构模型模拟衬砌。所建模型节点和单元分别有70342 个和91793 个，模型尺寸为50m×4m×40m，顶部约束条件为自由边界，四周约束条件为法向位置约束，底部则为刚性约束。所建模型如下图1 所示。

图1 数值模拟示意图

3.2 验证

平衡模型初始地应力，以探讨只有重力作用时模型的力学状态［6］，所得结果如下图2 所示。限于篇幅，本文仅列出部分数据。

图2 不平衡应力曲线

从结果看，模型在仅有自重作用时不存在内部缺陷，可计算到完全收敛，此时最下层岩层有0.92MPa 的竖向应力，初始重力平衡计算结果和原岩应力分布情况基本符合，说明所建模型正确。

4 数值模拟结果

4.1 溶洞顶与隧道的距离对管片结构的影响

地质分析模型如下图3 所示。图中溶洞为无填充型溶洞，从现有研究可以知道，较小直径的溶洞对盾构隧道管片结构所产生的影响较小，而过大直径的溶洞不利于探讨溶洞顶与隧道的距离对管片结构产生的影响［7］，综合考虑之下，选择以4m 作为溶洞直径。

图3 地质分析模型

为探讨溶洞所处空间位置对管片结构受力的影响，以溶洞中心处于同一竖直线为前提，探讨在d=2m、4m 和8m 和不存在溶洞时的情形。

（1）衬砌管片结构位移

从模拟结果看，衬砌管片结构的竖向位移主要出现在拱顶和拱底，将最大位移和距离间的关系汇总至下图4。

图4 管片最大位移点和距离的关系

由上图可知，衬砌管片位移绝对值相对较小，原因在于隧道和溶洞所处的中风化灰岩层有较好的工程性质，且衬砌管片有较高强度。此外，隧道和溶洞的距离越近，溶洞所产生的影响就越大，具体表现在管片的竖向位移随着距离的不断接近而不断增大，但距离在8m 之后所产生的影响较小，可初步认为，在溶洞和隧道的距离超过8m 时相对安全。

（2）衬砌管片最大主应力

将模拟结果中的最大主应力的最小值和最大值与距离的关系汇总至下图5。

图5 管片最大主应力和距离的关系

以正值为拉应力，从结果看，在拱顶处有最大拉应力，但数值较小，可知溶洞的存在不会对管片造成较大影响。但从其变化趋势看，随着不断增大的距离，最大主应力不断减小， 8m 距离和不存在溶洞时的工况有基本一致的数值。

（3）衬砌管片最小主应力

将数值模拟结果汇总到下图6。

图6 最小主应力d 和距离的关系

由图6 可知，随着不断增大的溶洞距离，最小主应力不断减小。从衬砌管片抗拉强度上看，最小主应力的极值仍较小，不会威胁到管片结构，此外， 8m 和无溶洞存在的工况有基本一致的数值。

综合上述分析结果，对比距离为8m 的工况和无溶洞存在的工况可知，无论是沉降位移还是受力情况，两者均有相似的数值和变化趋势，因此可基本认为，在8m 以上的距离之后即可忽略溶洞对管片受力的影响，即8m 是安全距离。

4.2 不同填充程度的溶洞对管片结构的影响

在上述模型的基础上，探讨填充程度分别为0、30%、60%和100%的溶洞对管片结构的影响。

从模拟结果看，在拱顶处有最大沉降位移，在拱底处有最大隆起位移，以此为基础，提取出最大位移特征值，并汇总至下图7。

图7 管片位移最大点和填充程度的关系

从结果可知，溶洞填充程度和管片位移呈反比例关系，越高的溶洞填充程度下有越小的管片沉降位移量。

限于篇幅，本文将直接给出其余模拟结果。从衬砌管片的最大主应力看，溶洞填充程度与其呈反比例关系，随着不断增大的溶洞填充程度，管片结构所受影响就越小；从衬砌管片的最小主应力看，随着不断增加的溶洞填充程度，最小主应力不断减小，但比起管片抗拉强度而言，其所造成的影响较小。

综合上述分析可知， 60%填充程度的工况和100%填充程度的工况有基本一致的数值和变化趋势，即在填充程度达到60%时溶洞所产生的影响就可以忽略不计。

4.3 不同溶洞因素下对地表沉降的影响

在上述所建立模型的基础上，探讨不同溶洞因素对地表沉降造成的影响。所得结果如下：从不同溶洞顶板和隧道距离产生的影响看，总体上，地表沉降较小，不会对施工安全造成太大影响，但随着不断增大的距离，地表沉降位移不断增大，说明距离和地表沉降为反比例关系；从填充程度上看，地表沉降总体上均在允许范围内，无溶洞存在时有最小的地表沉降，越高的溶洞填充程度下有越小的地表沉降值，即溶洞的注浆填充非常有必要。