巖溶處治對隧道開挖穩定性影響的數值模擬分析

郭 萍,蘇 鵬

(柳州鐵道職業技術學院,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境的要求,暗挖法以其結構形式多變、占地少、污染小等優點脫穎而出,成為眾多施工方的選擇。其中,盾構法因為其安全性高、勞動強度相對較低、對周圍環境影響小的特點,而得到廣泛使用。

雖然盾構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濟、技術方面的優越性,但在巖溶地區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環境、影響地基承載力,而且還會導致開挖面突然崩塌,影響盾構機的掘進進程,從而對安全、經濟效益、施工進度產生不容忽視的損失和危害[1-3]。

本文以柳州市盾構工程為背景,建立巖溶地區隧道盾構施工的三維數值模型,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。共計三站四區間:西江路口站—雙龍站區間、雙龍站、雙龍站—河東樞紐站區間、河東樞紐站、河東樞紐站—科技大學站區間、科技大學站、科技大學站—民族小學站區間。

(1)雙龍站—河東樞紐站區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;地貌單元內南部谷地內巖溶發育。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)及石炭系中統黃走組(C2h)四個地層單元。其中區間不良地質主要為巖溶,場區巖溶發育等級為巖溶強發育區。

2 數值模型的建立

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

根據理論研究表明,隧道開挖后,周圍圍巖在3～5倍洞徑范圍內受到的影響較大[5],需要進行數值模擬和結構設計,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。數值模擬采用的土層參數見下頁表1。

表1 地層參數取值表

盾構開挖面中心距離地表20 m建立數值模型,如圖1所示。

圖1 數值模型圖

表2 盾構以及注漿材料參數表

考慮盾構管片規格(外徑/內徑-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徑為5 500 mm。盾構參數以及注漿材料參數具體如表2所示。

考慮實際施工過程中,溶洞發育多為位于隧道下方的隱伏溶洞[6],且溶洞規模較大。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。其具體參數如表3所示。

表3 C30混凝土材料參數表

3 隧道沉降影響對比分析

根據模擬結果,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的沉降變化曲線如圖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的應力變化曲線如圖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,并最終趨于穩定。

溶洞處理后,溶洞被混凝土填充,數值模擬過程中,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。數值模擬結果可能與實際施工略有偏差,但是符合其大致規律。

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定。

4 結語

本文依托柳州市盾構工程,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,建立巖溶地區隧道盾構施工的三維數值模型,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定性的影響規律,其結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,建立巖溶地區隧道盾構施工的三維數值模型。

(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。