下伏溶洞對穿越上砂下黏地層隧道管片受力的影響分析

李 萍，李 威，文武雙，高詩明，陳建平

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074；2.中鐵十一局集團 城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430074)

隨著城市化建設和地下空間開發進程的加快，越來越多的地鐵隧道穿越巖溶地質區。在巖溶區修建地鐵隧道時，由于溶洞的存在，改變了圍巖物理力學性質和應力場，同時在隧道開挖過程中溶洞使得隧道的施工力學過程更加復雜[1-2]，容易造成圍巖和支護結構應力集中，并可能導致隧道坍塌[3-4]。

為研究溶洞對地鐵隧道穩定性的影響，易介民[5]針對地鐵隧道穿越土層，運用MIDAS/GTS軟件，分析了隧道周邊溶洞對襯砌管片受力的影響；趙宏國[6]運用FLAC 3D 5.0軟件，研究了既有地鐵隧道和不同大小的頂部溶洞對新修地鐵隧道管片受力的影響；邵勇等[7]運用FLAC 3D 5.0數值分析軟件，研究了地鐵隧道穿越灰巖時溶洞尺寸、位置等對圍巖塑性區的影響；李培楠等[8]針對地鐵隧道穿越砂層，運用MIDAS/GTS軟件，探討了溶洞的不同分布位置、尺寸大小及其與隧道間的不同凈距對襯砌管片內力分布的影響。周禾等[9]運用ANSYS軟件研究盾構隧道穿越微風化巖層段時管片的受力特征。但是目前針對隧道穿越上砂下黏地層，溶洞對地鐵隧道盾構管片受力的影響尚缺乏系統的研究。

本文針對武漢地鐵六號線Ⅱ標段前馬(前進村站—馬鸚路站)區間隧道穿越上砂下黏地層，運用FLAC 3D 5.0數值模擬軟件，考慮了流固耦合效應，分析盾構機掘進開挖后下伏溶洞對管片受力的影響。

1 工程概況

武漢地鐵六號線Ⅱ標段前馬區間隧道位于漢陽區，采用盾構法施工，斷面呈圓形，外徑6.2 m，隧道頂板埋深9.7～17.0 m。

隧址區廣泛分布三疊系觀音山組、大冶組、二疊系棲霞組和石炭系黃龍組的灰巖，上覆第四系下全新統的粉質黏土、粉細砂、中細砂、中粗砂，上更新統的含黏性土細砂、含礫中粗砂以及中更新統的黏土夾碎石。場區灰巖裂隙、溶隙發育，局部地段溶洞、溶槽發育，溶洞多為中小型溶洞，溶洞頂板厚度較薄，主要集中在基巖面以下3 m范圍內，淺部溶洞多為半充填或全充填，充填物為黏土或黏土夾碎石。地下水位埋深4.52～7.28 m。隧道穿越該類地層時，盾構施工過程中容易對前方土體造成較大擾動，造成流砂甚至砂土液化[10]。

2 數值模擬

2.1 計算模型的建立

結合現場實際情況，模型尺寸取80.0 m(長)×1.5 m(寬)×50.0 m(高)。以隧道中心為坐標原點，隧道軸線方向為y軸，水平面內垂直隧道軸線方向為x軸，鉛直向上為z軸建立數值計算模型，見圖1。

圖1 數值計算模型

圖1中表層土厚6.0 m，地下水位線在地下7.0 m處，砂土層厚28.0 m，下面的黏土層厚3.0 m，隧道外徑6.2 m，內徑5.5 m，頂板距地表15.0 m，底板距基巖面12.8 m。考慮盾尾注漿等對管片周圍土體強度的影響，根據黎春林等[11]的研究成果，注漿影響厚度取3.6 m。取單一溶洞為研究對象。假設溶洞為圓柱體，其軸線平行于隧道軸線，位于隧道正下方，溶洞與隧道空間關系見圖2。圖中d為溶洞頂與基巖面的距離，D為溶洞直徑。

巖土體的力學模型均采用Mohr-Coulomb模型，隧道開挖采用Null模型，管片采用Shell結構單元。計算模型的邊界條件考慮了流固耦合效應。模型左右兩側約束x方向位移，模型底面約束x,y,z方向位移，模

圖2 溶洞與隧道空間關系(單位：m)

型前后兩側約束y方向的位移，頂面為自由面。隧道開挖前孔隙水壓力為靜水壓力，滲流模式下側面及底部為不透水邊界。固定溶洞和隧道洞壁孔隙水壓力為0。

2.2 計算參數的確定

通過現場試驗、室內常規物理力學試驗分析結果，結合相關文獻[12-13]確定巖土體及管片物理力學參數，見表1。

表1 巖土體及管片物理力學參數

2.3 結果分析

取拱頂、拱底、左右拱腰為特征點進行受力分析。在隧道橫截面水平向右為x軸正方向，沿逆時針方向，0°處為右拱腰，90°處為拱頂，180°處為左拱腰，270°處為拱底。

2.3.1 溶洞頂與基巖面距離對隧道管片受力的影響

假設溶洞為圓柱體，固定溶洞直徑D為6.0 m，無充填，取溶洞頂距基巖面距離d為0.5，1.0，2.0，4.0，8.0 m及無溶洞6種情況，分析溶洞頂距基巖面距離對隧道管片受力的影響。

1)管片軸力

特征點處管片軸力及最大軸力見表2。

分析表2可知：隨著d的增大，特征點處管片軸力先增大后減小；d=8.0 m時特征點處管片軸力及最大軸力接近無溶洞時，說明d=8.0 m時隧道管片軸力受溶洞的影響較小；管片最大軸力均出現在拱底兩側1.91 m范圍內；溶洞的存在造成了應力重分布，改變了管片最大軸力的分布。

表2 特征點處管片軸力及最大軸力

2)管片剪力

特征點處管片剪力及最大剪力見表3。

分析表3可知：隨著d的增大，隧道管片所受剪力總體呈增大趨勢，但增長幅度逐漸減小；左拱腰管片剪力增長幅度最小，右拱腰管片剪力增長幅度最大，說明d的變化對左拱腰管片剪力影響最小，對右拱腰管片剪力影響最大；d=2.0 m時拱底左側0.87 m處管片出現最大剪力4.49×104N；隨著d的增大，管片最大剪力不斷向隧道拱底偏移，且均出現在拱底左側1.66 m范圍內。

表3 特征點處管片剪力及最大剪力

3)管片彎矩

特征點處管片彎矩及最大彎矩見表4。

表4 特征點處管片彎矩及最大彎矩

分析表4可知：隨著d的增大，管片彎矩呈增大趨勢，且最大彎矩逐漸向拱底靠攏，均出現在拱底左側1.72 m范圍內；d=∞(無溶洞)時，拱底左側0.3 m處管片出現最大彎矩2.95×104N·m；d=8.0 m時管片彎矩接近無溶洞時，可見d越大，對管片彎矩的影響越小；d=0.5 m時，拱頂、拱底、左拱腰、右拱腰管片彎矩與無溶洞時相比分別降低了45%，64%，83%，92%。

2.3.2 溶洞直徑對隧道管片受力的影響

假設溶洞為圓柱體，結合現場實際情況固定溶洞頂與基巖面距離為2.0 m，無充填，取溶洞直徑D為1.0，2.0，4.0，6.0，8.0，12.0 m 6種情況，分析溶洞直徑對盾構隧道管片受力的影響。

1)管片軸力

特征點處管片軸力及最大軸力見表5。

分析表5可知：溶洞直徑D≤4.0 m時，特征點處管片軸力波動范圍小；D≥6.0 m時，同一溶洞直徑下拱底管片軸力大于其他特征點，且變化幅度最小，說明D變化對拱底管片軸力影響最小；D=8.0 m時特征點處管片軸力變化顯著，說明D增至8.0 m時對管片軸力影響較大；管片最大軸力均出現在隧道拱底兩側3.07 m范圍內。

表5 特征點處管片軸力及最大軸力

2)管片剪力

特征點處管片剪力及最大剪力見表6。

表6 特征點處管片剪力及最大剪力

分析表6可知：D≤4.0 m時，各特征點處管片剪力變化幅度<1%，此時受D變化的影響較小；當D>4.0 m時，隨著D的增大兩側拱腰管片剪力大幅增長,D從8.0 m增至12.0 m時左拱腰管片剪力增長了1.82倍，且該處出現了最大剪力，此時管片結構可能已經破壞；管片最大剪力均出現在拱底左側3.09 m范圍內。

3)管片彎矩

特征點處管片彎矩及最大彎矩見表7。

表7 特征點處管片彎矩及最大彎矩

分析表7可知：D≤4.0 m時特征點處管片彎矩變化幅度<1%，管片彎矩受D變化的影響較小；D>4.0 m時，隨著D的增大拱腰管片彎矩總體上呈增長趨勢，D從8.0增至12.0 m時，左拱腰管片彎矩增長了92%；隧道管片最大彎矩均出現在拱底左側2.86 m范圍內。

2.3.3 溶洞充填率對隧道管片受力的影響

假設溶洞為圓柱體，結合現場實際情況，固定溶洞頂與基巖面距離為2.0 m，溶洞直徑為6.0 m，取溶洞充填率w為0(無充填)，0.50，0.75，1.00(全充填)4種情況，分析溶洞充填率對盾構隧道管片受力的影響。

1)管片軸力

特征點處管片軸力及最大軸力見表8。

表8 特征點處管片軸力及最大軸力

分析表8可知：當w增大時，隧道拱頂、拱底管片軸力先增大后減小，左右拱腰管片軸力逐漸增大；溶洞充填減少了上覆黏土顆粒的流失，在一定程度上限制了溶隙的發展，延緩了溶洞頂板的破壞，阻止了土洞的形成，最終影響隧道管片軸向受力狀態；當w從0增至0.50時特征點處管片軸力增長幅度<0.6×105N；當w從0.75增至1.00時兩側拱腰管片軸力分別增大了29%，27%；隨著w的增大，隧道管片最大軸力出現位置由拱腰向拱底移動，且均出現在拱底兩側3.08 m范圍內。

2)管片剪力

特征點處管片剪力及最大剪力見表9。

表9 特征點處管片剪力及最大剪力

分析表9可知：隨著w的增大，拱底管片剪力呈增大趨勢，其他特征點處管片剪力先減小后增大，且管片最大剪力出現位置由拱腰向拱底移動，均出現在拱底左側2.73 m范圍內；當w從0增至0.50時拱底管片剪力增大了95%；從0.50增至0.75時拱頂管片剪力增長了1.14倍，左右拱腰管片剪力分別減小了49%，74%；w增至1.00時拱頂、拱底、左右拱腰管片剪力分別增長了1.30倍、76%、40%、5.65倍。

3)管片彎矩

特征點處管片彎矩及最大彎矩見表10。

表10 特征點處管片彎矩及最大彎矩

分析表10可知：隨著w的增大，隧道管片彎矩總體先減小后增大，管片最大彎矩出現位置由拱腰向拱底移動，且均出現在拱底左側2.73 m范圍內；當w從0增至0.50時右拱腰管片彎矩減小了29%；從0.50增至0.75時拱頂、拱底管片彎矩分別增大了2.17倍、1.88倍，左右拱腰管片彎矩分別減小了69%,80%；充填率從0.75增至1.00時拱頂、拱底、左右拱腰彎矩分別增長了1.23倍、1.02倍、1.92倍、8.67倍。

3 結論

1)隨著溶洞頂與基巖面距離d的增大，管片內力總體呈增大趨勢，且逐漸接近無溶洞時的受力；當d增大時，管片最大內力出現位置逐漸向拱底移動，且均出現在拱底兩側1.91 m范圍內。

2)溶洞直徑D增至8.0 m時，管片內力受溶洞影響較大。當D=12.0 m時，管片最大剪力出現在左側拱腰，此時管片可能已經破壞。隨著D的增大，管片最大軸力出現位置逐漸向拱底轉移，且均出現在隧道拱底兩側3.07 m范圍內。

3)隨著溶洞充填率的增大，隧道管片內力總體呈增大趨勢；溶洞充填減少了上覆黏土顆粒的流失，在一定程度上限制了溶隙的發展，延緩了溶洞頂板破壞，從而阻止了土洞的形成，最終影響隧道管片受力狀態。當充填率增至1.0時，管片剪力和彎矩增長幅度較大，且管片最大內力出現位置由拱腰逐漸向拱底移動。

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