王生武 李硕

摘 要：针对大连地铁 5 号线某岩溶强烈发育区段盾构隧道开挖，运用 ABAQUS 软件建立三维数值计算模型，分析盾构掘进过程中不同方位的溶洞对隧道围岩变形的影响规律，结果表明：溶洞的存在对隧道围岩变形影响显著，隧道围岩有向溶洞存在方位倾斜的趋势;隧道开挖完成后，塑性区隧道与上部、侧部溶洞围岩未贯穿，下部溶洞产生贯穿塑性区，为掘进过程中的最危险部位。

关键词：地铁;盾构隧道;溶洞;围岩变形;数值模拟

中图分类号：U451.1

盾构法作为安全、环保、快速的建设手段，在地铁隧道修建中得到了广泛应用[1]。同时，在岩溶发育区开展盾构施工已是难以避免的工程难题，溶洞使隧道开挖过程易发生盾构机偏头、栽头，甚至围岩坍塌。溶洞的处理对隧道工程的施工进度、经济成本、人生安全影响巨大。

近几年，关于溶洞对隧道施工的影响有关学者已经开始了一定的仿真研究。如，宋战平等[2-5]研究了溶洞的不同分布位置、溶洞的尺寸大小及隧洞净距对隧道施工过程中围岩稳定性的影响规律。赖永标等[6-9]以隧洞间岩层塑性区贯穿及突变原理为破坏依据，通过围岩参数等级、溶洞尺寸、隧道埋深等影响因素，建立了智能预测模型对溶洞与隧道间的安全距离开展了研究，并将模拟结果运用到实际工程中。但是，现有的研究大多针对隧道开挖完成后进行数值模拟，而关于在开挖过程中溶洞对盾构隧道围岩变形影响的研究甚少。开挖完成后的变形与开挖过程中局部区域的变形之间存在一定的甚至比较明显的区别，盾构机偏头、栽头现象易发生在隧道开挖过程中。本文通过数值模拟对不同分布位置的溶洞对盾构隧道围岩变形影响规律进行研究。

1 工程概况

大连地铁5号线工程线路全长23.8km，设车站18座，全线采用地下线敷设，本文对泉水东站—前盐站区间盾构施工进行模拟。泉前区间设计范围里程为K19 + 803.339～K20 + 607.607，右线长804.268m，左线长813.947m，隧道埋深17.2～23.6m。

隧道穿过中风化页岩、中风化石灰岩，其中，中风化页岩岩体破碎，节理、裂隙发育严重，中风化石灰岩岩体破碎～较破碎。石灰岩为可溶岩，溶隙、溶沟发

育[10-11]。勘察各钻孔内均揭示石灰岩，其中有27个钻孔发现有溶洞，溶洞发育不规律，洞高0.30～19.50m，洞顶埋深1.80～37.70 m，洞顶标高-5.90～28.80m，洞底标高-15.40～25.10 m。场地可溶岩区钻孔见洞隙率为41.5%，线岩溶率4.8%，岩溶发育等级为强烈发育。

2 盾构隧道施工数值模拟

2.1 模型建立

理论与实践表明，地下洞室开挖后，应力应变仅在洞室周围距离洞室中心点3～5倍开挖高度或宽度的范围内存在实际影响[12]，根据隧道埋深18 m，隧道外径6.48 m，采用ABAQUS有限元软件建立模型外部尺寸66 m×60 m×60 m（宽度方向X×隧道长度方向Y×埋深方向Z），岩土体分3层，分别是3.4 m、3.1 m、53.5 m。

模型共建有岩土体、盾构机壳、衬砌管片、注浆浆体等4个部件，盾壳外径6.48 m，厚度0.2 m，长度8.4m;衬砌外径3.1 m，厚度0.35 m;注浆浆体等代层外径3.24 m，厚度0.14 m。

结合现场实测地质资料，在隧道上方、下方、侧方各设有1个直径3 m、长6 m的圆柱形溶洞，与隧道净距均为2 m。上部溶洞位于Y = 12～18m（Y表示隧道长度方向），侧部溶洞位于Y = 24～30 m，下部溶洞位于Y = 36～42m。隧道与溶洞空间的相对位置如图1所示。

岩土体采用八节点线性六面体完全积分单元（C3D8），对于隧道围岩及溶洞周围区域加密网格，最小单元边长为0.375 m。盾构机壳单元采用四节点曲面通用壳（S4）。注浆等代层、衬砌管片采用更适合于环状的八节点线性六面体非协调单元（C3D8I）。模型共划分单元87100个。边界约束为，上顶面自由边界，下底面施加Z向约束，左右两侧面施加X向约束，前后面施加Y向约束。有限元模型的网格划分如图2所示。

2.2 岩土及盾构机材料参数选取

Komiya[13]提出用圆筒形壳体模拟盾壳，将材料弹性模型取10倍钢材的弹性模量来等效考虑盾构内部结构对刚度的增强作用，注浆等代层弹性模量4MPa[14]。本文选取材料参数[15-17]如表1所示。

2.3 盾构机掘进模拟

選取实际盾构管片宽度1.2 m为一次掘进步长，进行58次掘进模拟。掘进50次刀盘到达边界，57次盾构机壳完全离开岩体，掘进58次注浆完成。

（1）初始地应力平衡模拟。隧道开挖前，先进行己有溶洞地层的岩土体自重应力场计算[18-20]，以达到含岩溶地层的初始位移平衡。

（2）进行开挖模拟。采用生死单元法，杀死掌子面前方土体，激活盾构机壳，施加掌子面压力;前方激活，后方杀死，保持机壳8.4 m。

（3）支护及同步注浆。激活衬砌和注浆等代层单元，模拟盾构机的同步注浆。

3 模拟计算结果分析

3.1 围岩变形分析

图3给出了有、无溶洞工况下，盾构掘进26.4 m（开挖22次）时，Y = 27.6 m横断面上隧道围岩水平侧移云图。由图3可见，在无溶洞情况下，隧道围岩水平侧移呈对称分布，最大水平侧移位置在隧道侧拱处;存在侧部溶洞时，隧洞围岩靠近溶洞侧出现更大水平侧移区域，隧道向溶洞侧倾斜;侧部溶洞左腰拱处水平侧移1.9mm，较无溶洞时增加了48%。

图4给出了盾构掘进37.2 m（开挖31次）时隧道围岩沉降云图。由图4可见，存在下部溶洞时，位于刀盘底部A点沉降5.5 mm，无溶洞时沉降3.5 mm，增加了2.0 mm;受下部溶洞影响，掌子面前方岩体向下移动区域范围增加，盾构机产生栽头趋势。

图5给出了盾构隧道开挖完成后隧道围岩整体沉降云图。由图5可见，有、无溶洞2种情况最大沉降值均为15.8 mm;有溶洞时最大隆起值23.9 mm，较无溶洞时减小0.1 mm。可见，溶洞对盾构开挖完成后最大沉降和隆起值影响较小，上部溶洞对沉降产生比较明显的屏蔽作用，而下溶洞对隧道仰拱隆起产生了一定的屏蔽作用;沿隧道长度上沉降的差异是由于掌子面推力造成。

3.2 典型部位沉降分析

图6给出了Y = 15.6 m横断面位置的隧道拱顶点（位于上部溶洞的正下方），在隧道开挖过程中的沉降曲线。为排除边界效应影响，取掘进距离8.4m，即以盾构机完全进入岩土体为开始，盾构机掘进60m为结束。在整个掘进过程中，无溶洞时拱顶点的沉降较有上部溶洞时更大，这是由于上部溶洞的屏蔽作用所致。在掘进到13.2m时，受掌子面推力影响，隧道拱顶点有轻微上抬趋势。由于盾构机壳及刀盘重力影响，从14.4 m掘进到15.6 m时隧道拱顶点沉降显著增加;从15.6 m到掘进24 m时，沉降基本保持不变，此时处于盾构机壳掘进过程中，盾构机壳刚度大不易变形，产生了盾构壳长度8.4 m的稳定阶段;当掘进到25.2 m时，拱顶点恰好对应于盾尾空隙，从而使得沉降迅速增大，有上溶洞时沉降15.4 mm，无溶洞时沉降17.3 mm。此后，由于同步注浆作用，拱顶点沉降值减小5%。

图7给出了Y = 39.6 m横断面位置的隧道拱底点（位于下部溶洞的正上方），在隧道开挖过程中的沉降曲线。在掘进过程中，下部溶洞减小了隧道拱底点的隆起。在掘进到37.2 m时，受刀盘推力和重力影响，隧道拱底点沉降最大，有下部溶洞时沉降6.0 mm，无溶洞时沉降4.9 mm;由于盾构机刀盘的远离，从掘进38.4 m到39.6 m时，隧道拱底点沉降有所减小;掘进48 m到49.2 m时，拱底点恰好对应于盾尾空隙，从而使得隆起迅速增大，有底部溶洞时隆起增加至13.6 mm，较无溶洞时隆起18.9 mm减小28%。

开挖完成后，在隧道全长度范围，对隧道拱顶和隧道拱底位置的沉降变化进行了分析。

图8给出了隧道拱顶沉降与隧道长度的关系曲线。为减少边界效应影响，隧道长度取10.8 m到50.4 m。隧道长度10～20 m范围，由于上部溶洞屏蔽作用的影响，沉降有所减小;在隧道长度14.4 m，有溶洞时拱顶沉降12.9 mm，较无溶洞时沉降14.5 mm減小了11%;隧道长度20～30 m范围，侧部溶洞使隧道围岩竖向刚度减小，有溶洞时隧道拱顶沉降较无溶洞时有所增加;隧道长度30～50 m范围，由于下部溶洞存在，相当于增加了隧道高度，隧道围岩横向刚度减小，受围岩挤压，拱顶沉降有所减小。

图9给出了隧道拱底沉降与隧道长度的关系曲线。隧道长度10～20 m范围，上部溶洞使隧道围岩横向刚度减小，受围岩挤压作用，拱底隆起有所减小;隧道长度20～33 m范围，由于侧部溶洞存在，隧道竖向刚度减小，隆起较无溶洞时有所增加;隧道长度33～43 m范围，由于下部溶洞存在，隧道围岩产生塑性变形，隆起值18.9 mm，较无溶洞时下沉了4.2 mm。

3.3 围岩塑性变形分析

图10给出了盾构掘进完成后，隧道围岩横断面塑性应变云图，由图10可见，隧道周围由于掌子面推力扰动，产生了环状塑性变形区，溶洞位于隧道上部、侧部、下部3种情况均在隧道拱底产生最大塑性应变。上部溶洞存在时，最大塑性应变值0.027，侧部溶洞存在时，最大塑性应变值为0.025。这表明，溶洞靠近隧道侧腰拱处塑性应变较大，但隧洞围岩塑性区域并未贯穿;下部溶洞存在时，最大塑性应变值为0.022，表明溶洞拱顶产生明显塑性变形，溶洞顶板产生贯穿塑性区。

图11 给出了隧道围岩纵断面塑性应变云图，由图11可见，隧道拱底靠近下部溶洞边界处产生明显塑性变形，最大塑性应变值为0.027。这表明，溶洞靠近开挖侧的边界最易产生贯通塑性区，为最危险部位，因此，在盾构开挖临近下部溶洞边界时应加强实时监控，防止盾构机发生载头现象。

4 结论及建议

（1）受溶洞影响，开挖过程中隧道围岩向溶洞存在方位倾斜。侧溶洞靠近隧道侧腰拱部位较无溶洞情况下水平侧移增加48%。掘进时，隧道下部的溶洞会使盾构机掌子面有向下栽头趋势，掘进完成后，上部溶洞对围岩沉降产生屏蔽作用。

（2）盾构掘进过程中，受掌子面推力影响，仰拱点发生轻微上抬，底部轻微下沉;由于盾壳刚度大，围岩位移基本不变;受盾尾空隙影响，围岩顶、底均向隧道中心收敛;注浆加衬砌使围岩顶底收敛趋势减小，盾尾空隙对围岩最终的位移变化具有较大的影响，实际施工应加强同步注浆的质量监控。

（3）隧道拱顶、底沉降曲线表明，开挖完成后，上部溶洞的屏蔽作用使隧道顶部围岩沉降有所减小;侧溶洞存在使隧道竖向刚度减小，隧道顶底向中心收敛;下部溶洞使隧道底部围岩沉降发生明显塑性变形，多下沉了4.2 mm。

（4）盾构掘进完成后，隧道周围由于盾构机刀盘推力扰动，产生了环状塑性区。存在上部溶洞时，溶洞腰拱部位产生轻微塑性变形;有侧部溶洞时，溶洞靠近隧道侧围岩出现明显塑性区，但塑性区并未贯穿;有下部溶洞时，溶洞顶部产生明显塑性变形，隧洞围岩产生贯穿塑性区，下部溶洞最易出现围岩坍塌，为危险部位，建议把底部、侧部溶洞作为优先处理对象。

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收稿日期 2019-01-16

责任编辑 朱开明

Numerical simulation of influence of karst tunnel on deformation of surrounding rock in shield tunneling

Wang Shengwu， Li Shuo

Abstract： In view of shield tunneling in a serious karst developed section of Dalian metro line 5， a three-dimensional numerical calculation model is established by using ABAQUS software， and this paper analyzes the influence patterns of different directions of the karst caves on the tunnel surrounding rock deformation in the process of shield tunneling. The results show that the karst caves have significant influence on the tunnel surrounding rock deformation， and the tunnel surrounding rock has the trend of inclining to the karst caves. The most dangerous part in the tunneling process is when the tunnel is through， the tunnel in the plastic area is not through the surrounding rock of the upper and side karst caves， and the lower karst cave is through into the plastic area.

Keywords： subway， shield tunnel， karst cave， surrounding rock deformation， numerical simulation