不同岩溶条件下盾构隧道受力数值模拟研究_杨雪冬.pdf

文章编号：1008-3812（2022）06-013-04辽 宁 省 交 通 高 等 专 科 学 校 学 报JOURNALOFLIAONINGPROVINCIALCOLLEGEOFCOMMUNICATIONS第24卷 第6期2 0 2 2年1 2月Vol.24 No.6Dec.2 0 2 2不同岩溶条件下盾构隧道受力数值模拟研究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（）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杨雪冬（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳111000）摘要以某盾构隧道为依托，分析研究了该隧道在穿越岩溶区时遇到的地质问题，基于该隧道的工程地质条件，通过Flac3d软件建立数值模型以探讨盾构隧道在不同岩溶条件下的受力情况。从结果看，管片结构位移和地表沉降均和溶洞顶与管片距离d成反比例关系，且8m距离即为安全距离；管片和地表沉降均与溶洞填充程度呈反比例关系，且60%的填充程度下即可忽略溶洞的影响。关键词溶洞；盾构隧道；管片结构；地表沉降；数值模拟中图分类号：U451文献标识码：A收稿日期：2022-06-13作者简介：杨雪冬（1989），男，吉林榆树人，工程师。研究方向：隧道工程。13辽 宁 省 交 通 高 等 专 科 学 校 学 报2022年持相对平衡状态，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50m4m40m，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。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。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。地层重度（KN/m2）弹性模量E（MPa）泊松比V粘聚力c（KPa）摩擦角（）平均厚度d（m）杂填土18.0300.366.082.32淤泥质黏土17.0270.4321102.42粘土土18.8600.3847182.33中风化灰岩26.3278000.273563530m注浆砂土23.29512.820.2019.8440.05-图2不平衡应力曲线图3地质分析模型图4管片最大位移点和距离的关系14杨雪冬：不同岩溶条件下盾构隧道受力数值模拟研究第6期由上图可知，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。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。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。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。4.4实测结果和数值模拟对比为验证数值模拟结果的准确性，选取部分监图5管片最大主应力和距离的关系图6最小主应力d和距离的关系图7管片位移最大点和填充程度的关系15辽 宁 省 交 通 高 等 专 科 学 校 学 报2022年测点的实测数据进行对比分析。地表沉降的监测断面如下图8所示。管片拱顶沉降和净空收敛监测点均布设在同一个断面，以30环作为标准段间距，并在曲线段适当进行加密，以10环作为布设间距，所得监测结果如下表2和表3所示。限于篇幅，仅列出部分典型测点数据。表2地表累计沉降值（mm）表3隧道累计变形值从整体上看，监测数据变化较为平稳，且均处于规范要求范围内，可有效确保隧道的施工安全，即数值模拟的推导规律及结果可有效指导实际工程。5结论因所依托的盾构隧道项目处于有较好工程性质的中风化灰岩层中，且衬砌管片有较高的结构强度，因此，溶洞的存在对其仅有较小影响，所取得的数值模拟结果及其对管片结构造成的影响均较小。但从不同溶洞因素对管片结构受力和地表沉降影响上看，仍是取得了一定的成果：（1）溶洞顶和管片的距离与管片结构的受力和位移均为反比例关系，且对比可知，溶洞与隧道的距离为8m时即为安全距离。（2）溶洞填充程度和管片结构受力与位移呈反比例关系，且在60%的填充程度下即可忽略溶洞的影响。参考文献1 魏云峰.单侧基坑开挖对盾构隧道影响的数值模拟及现场监测研究 J.科学技术创新，2022（29）：113-118.2 昌进，李鹏飞，曾繁裕.喀斯特岩溶地区盾构法施工联合探测技术应用 J.交通世界，2022（19）：49-52.3 何历超，姜瑜.超大直径盾构隧道接头抗弯性能影响因素研究 J.公路交通科技，2022，39（09）：110-115.4 叶扬春.岩溶地层邻近建筑物盾构隧道施工风险评估及控制研究 D.南宁：广西大学，2022.5 张政.岩溶溶洞对盾构隧道掘进安全性的影响特征与处理方法研究 D.济南：山东大学，2021.6 赵方彬.复杂地质条件下盾构隧道穿越施工对既有桥梁桩基的影响研究 D.徐州：中国矿业大学，2021.7 苏鹏.隐伏溶洞对盾构隧道围岩稳定性影响的模型试验研究D.大连：大连交通大学，2020.图8监测断面布设示意图测点编号地表沉降累计值（mm）测点编号地表沉降累计值（mm）12-2.5835-3.6313-3.0836-2.3914-1.3437-2.20对应线路测点编号净空收敛值（mm）测点编号拱底累计沉降值（mm）测点编号拱顶累计沉降值（mm）左线190.4919-02-2.2419-010.30200.5920-02-0.3520-010.34右线04-0.0904-020.8504-010.44050.6805-02-0.3605-010.20Numerical Simulation of Shield Tunnel under Different Karst ConditionsYang XuedongAbstractBased on a shield tunnel,the geological problems encountered when the tunnel traversed thekarst area were analyzed and studied.Based on the engineering geological conditions of