巖溶處治對隧道開挖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析

郭 萍,蘇 鵬

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院,廣西 柳州 545616)

0 引言

隨著我國交通對地鐵需求的增大以及在城市修建地鐵對于周邊環(huán)境的要求,暗挖法以其結(jié)構(gòu)形式多變、占地少、污染小等優(yōu)點脫穎而出,成為眾多施工方的選擇。其中,盾構(gòu)法因為其安全性高、勞動強度相對較低、對周圍環(huán)境影響小的特點,而得到廣泛使用。

雖然盾構(gòu)法因其能夠迅速防水、支護的特點而在含水地層修建長隧道具有經(jīng)濟、技術(shù)方面的優(yōu)越性,但在巖溶地區(qū)修建隧道所面臨的問題仍然不可小覷。溶洞不僅會破壞地質(zhì)環(huán)境、影響地基承載力,而且還會導致開挖面突然崩塌,影響盾構(gòu)機的掘進進程,從而對安全、經(jīng)濟效益、施工進度產(chǎn)生不容忽視的損失和危害[1-3]。

本文以柳州市盾構(gòu)工程為背景,建立巖溶地區(qū)隧道盾構(gòu)施工的三維數(shù)值模型,探究巖溶處治措施對隧道開挖的影響,以注漿C30的混凝土為主要處理方式,以下伏溶洞與隧道的距離為變量,研究巖溶處治前后對隧道穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

柳州市城市公共交通配套工程一期(門頭路至蓮花山莊)土建施工03標從西江路口站(不含車站)到民族小學站(不含車站),地下線路長度約為2.88 km,隧道埋深為14～20 m。共計三站四區(qū)間:西江路口站—雙龍站區(qū)間、雙龍站、雙龍站—河東樞紐站區(qū)間、河東樞紐站、河東樞紐站—科技大學站區(qū)間、科技大學站、科技大學站—民族小學站區(qū)間。

(1)雙龍站—河東樞紐站區(qū)間隧道穿越的主要地層為:硬塑狀紅黏土、可塑狀紅黏土、強風化白云巖、中風化白云巖、微風化白云巖;上覆土層:填筑土、硬塑狀紅黏土;下臥土層:微風化白云巖。

(2)河東樞紐站—科技大學站區(qū)間隧道穿越的主要地層為:硬塑狀紅黏土、可塑狀紅黏土、強風化白云巖、中風化白云巖;上覆土層:填筑土、硬塑狀紅黏土;下臥土層:微風化白云巖。

(3)科技大學—民族小學區(qū)間豎井線位宏觀地貌屬侵蝕-溶蝕、堆積類巖溶峰林谷地(平原),以開闊的谷越為特征;地貌單元內(nèi)南部谷地內(nèi)巖溶發(fā)育。自上而下可分為第四系人工填土層(Q4ml)、第四系湖積層(Ol)、第四系殘積層(Qel)及石炭系中統(tǒng)黃走組(C2h)四個地層單元。其中區(qū)間不良地質(zhì)主要為巖溶,場區(qū)巖溶發(fā)育等級為巖溶強發(fā)育區(qū)。

2 數(shù)值模型的建立

采用Midas GTS NX有限元軟件進行分析[4],建立隧道盾構(gòu)施工的三維數(shù)值模型。

根據(jù)理論研究表明,隧道開挖后,周圍圍巖在3～5倍洞徑范圍內(nèi)受到的影響較大[5],需要進行數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)設計,建立巖土層模型。其大小為高沿深度方向為Z軸方向,橫斷面方向沿X軸方向,沿隧道掘進方向為Y軸。建立60 m×80 m×61.2 m的立方體,其中土體依次為3.5 m的填筑土、3.4 m的紅黏土、53.1 m的中風化白云巖。數(shù)值模擬采用的土層參數(shù)見下頁表1。

表1 地層參數(shù)取值表

盾構(gòu)開挖面中心距離地表20 m建立數(shù)值模型,如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型圖

表2 盾構(gòu)以及注漿材料參數(shù)表

考慮盾構(gòu)管片規(guī)格(外徑/內(nèi)徑-寬度/分度)為φ6 200/5 500～1 200/1 500/22.5 mm,以及開挖直徑為φ6 470 mm,建立盾構(gòu)隧道模型如圖2所示。

(a)空間

其中,盾殼厚度為6 mm,管片厚度為350 mm,管片外側(cè)注漿范圍為6 200～6 470 mm,注漿采用C30混凝土,開挖完成后的隧道內(nèi)徑為5 500 mm。盾構(gòu)參數(shù)以及注漿材料參數(shù)具體如表2所示。

考慮實際施工過程中,溶洞發(fā)育多為位于隧道下方的隱伏溶洞[6],且溶洞規(guī)模較大。本次模擬工況為:模擬溶洞洞徑為5 m,位置處于隧道正下方。圖3為溶洞頂距隧道開挖截面底的距離分別為5 m、10 m、15 m、20 m時溶洞的位置分布。以溶洞與隧道之間的距離為變量,分析溶洞與隧道間的距離對處治效果的影響。

圖3 溶洞與隧道位置示意圖

實際施工過程中,對于大型溶洞,要采用壓力吹填方式填充細粒沙石后再注漿加固[7]。為簡化模擬過程,注漿后注漿體材料近似為與溶洞體積相等的C30混凝土。其具體參數(shù)如表3所示。

表3 C30混凝土材料參數(shù)表

3 隧道沉降影響對比分析

根據(jù)模擬結(jié)果,表4列出了當溶洞頂至隧道開挖截面底的距離分別為5 m、10 m、15 m、20 m時隧道拱頂處的沉降值。為了便于分析溶洞與隧道距離對于處治效果的影響,繪制不同距離條件下溶洞處治前后隧道拱頂?shù)某两底兓€如圖4所示。

圖4 不同距離溶洞處治前后隧道拱頂處沉降對比曲線圖

表4 隧道拱頂處最大沉降值模擬結(jié)果表

由圖4可知,當溶洞頂距隧道底5 m時,溶洞處治后與處治前相比隧道拱頂處位移變化最大,溶洞的處治效果最好。而當溶洞與隧道距離>10 m時,溶洞處治前后差別不大,此范圍的溶洞沒有必要進行處理。根據(jù)圖4溶洞與隧道距離對隧道拱頂沉降影響的變化趨勢可知,對溶洞充填處理后,溶洞與隧道的距離對于隧道拱頂沉降影響不大;對于未處理溶洞,隨著距離的增加,拱頂沉降量逐漸減小,溶洞與隧道的距離>15 m后,沉降量的變化不明顯。由此可知,對于實際工程,處于10 m范圍內(nèi)的溶洞應進行必要的處理,處治效果較為明顯。

不同距離條件下溶洞處治前后隧道拱頂?shù)膽ψ兓€如圖5所示。

圖5 不同距離溶洞處治前后隧道拱頂處應力對比曲線圖

由圖5可知,溶洞處治前后隧道拱頂應力變化較大。當溶洞與隧道間距為5 m時,溶洞處治前后隧道拱頂處應力相近,其原因可能為溶洞距離隧道過近[8],此時隧道不依靠底部來提供支撐力,圍巖應力主要靠拱側(cè)和拱頂承擔;當溶洞與隧道間距為10 m時,溶洞處治前后隧道拱頂處應力差距最大,此時溶洞與隧道間的巖層發(fā)揮支撐作用;而當溶洞頂與隧道開挖面底的間距>15 m時,溶洞處治前后對隧道影響不大。

溶洞未處理時,溶洞與隧道的距離影響較為復雜,其主要原因是受到溶洞與隧道間巖層的臨界支撐和應力擴散的作用。溶洞距離隧道過近,隧道與溶洞間巖層不能有效地分擔圍巖壓力,導致隧道拱頂應力較大。隨著溶洞與隧道距離增加,隧道受到溶洞影響減小,拱頂應力隨之下降。當隧道與溶洞間的距離增大到一定值時,隧洞間巖層逐步發(fā)揮支撐作用同時引起應力擴散,增大拱頂應力值。當隧洞間距離進一步增加,拱頂應力再次變小,并最終趨于穩(wěn)定。

溶洞處理后,溶洞被混凝土填充,數(shù)值模擬過程中,混凝土近似視為剛體,增加了隧道下部支撐力,并導致拱頂壓力增加。數(shù)值模擬結(jié)果可能與實際施工略有偏差,但是符合其大致規(guī)律。

不同距離條件下溶洞處治前后隧道拱底的應力變化曲線如圖6所示。

圖6 不同距離溶洞處治前后隧道拱底處應力對比曲線圖

由圖6可知,溶洞處治前后隧道拱底應力變化較大。當溶洞與隧道間距為5～15 m時,溶洞處治效果明顯。當溶洞頂與隧道開挖截面底的間距>15 m時,處治前與處治后的拱底應力都趨于穩(wěn)定。

溶洞未處理時,隧道與溶洞間巖層不能有效地分擔圍巖壓力,僅靠管片自身支撐。隨著溶洞與隧道距離增加,溶洞與隧道間巖層發(fā)揮支撐能力并應力擴散,增大拱底應力值。當隧洞間距離進一步增加,影響范圍減小,拱底應力減小并最終趨于穩(wěn)定。

溶洞處理后,溶洞被混凝土填充,距離較近時拱底應力較小。隨著距離增加,由于填充混凝土的剛度大于周圍巖體,填充物對巖體有相對向上的力,增大了拱底應力。隨著距離進一步增加,拱底應力減小并最終趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文依托柳州市盾構(gòu)工程,運用Midas GTS NX有限元分析軟件,考慮下伏溶洞與隧道間距影響,建立巖溶地區(qū)隧道盾構(gòu)施工的三維數(shù)值模型,同時進行處治前后的對比分析,探究了下伏溶洞與隧道間距離對隧道開挖穩(wěn)定性的影響規(guī)律,其結(jié)果對指導實際工程施工具有一定的參考意義。

(1)基于有限元分析軟件,考慮下伏溶洞與隧道間距影響,概化地層物理力學參數(shù),建立巖溶地區(qū)隧道盾構(gòu)施工的三維數(shù)值模型。

(2)當溶洞頂距隧道底5 m時,溶洞處治后與處置前相比隧道拱頂處位移變化最大,溶洞的處治效果最好;對于未處理溶洞,隨著距離的增加,拱頂沉降量逐漸減小,溶洞與隧道的距離>15 m后,沉降量的變化不明顯;溶洞充填處理后,溶洞的與隧道的距離對于隧道拱頂沉降影響不大。

(3)當溶洞頂距隧道底15 m以內(nèi)時,處治前后拱頂應力變化明顯,其力學行為較復雜。由于隧道與溶洞間巖層支撐力的作用以及產(chǎn)生的應力擴散,處治后的拱頂應力大于處治前的拱頂應力;處理后的溶洞被填充,隧道與溶洞間巖層發(fā)揮的支撐力減少,處治后的拱底應力大于處治前的拱頂應力。