上砂下黏组合地层含水量丰富^[1], 上覆砂层渗透性好, 下伏黏土地层具有流变性, 且透水性差^[2], 下伏灰岩中易形成溶洞。岩溶发育地区进行地铁隧道建设时, 易带来隧道周边地层的变形、失稳破坏, 甚至在开挖过程中会造成隧道的局部坍塌^[3,4,5]。

国内外已有大量学者做了相关方面研究。刘庭金^[6]针对花岗岩地层, 运用等效轴向刚度模型理论, 计算分析盾构隧道纵向变形曲率;朱斌^[7]以南京地铁2号线盾构隧道管片结构为例, 运用ASYNS软件建立三维数值模型, 分析隧道横断面变形规律;林伟波等^[8]以湛江塆跨海盾构隧道为依托工程, 运用MIDAS GTS软件, 分析不同水头作用条件下单环管片结构的变形情况;康成等^[9]采用PLAXIS 3D软件, 建立地表荷载下盾构隧道管片结构单元模型, 分析管片结构的纵向变形规律。目前, 关于下伏溶洞对穿越上砂下黏地层地铁隧道管片变形的影响这方面研究还较少。

本文针对武汉地铁6号线Ⅱ标段前进村站—马鹦路站区间隧道穿越上砂下黏地层, 运用FLAC3D 5.0软件, 在考虑流固耦合效应的基础上, 建立三维数值模型, 研究下伏溶洞对地铁隧道管片变形的影响。

武汉地铁6号线Ⅱ标段“前马区间”位于汉阳区, 包括前进村站—红建路站及红建路站—马鹦路站区间, 采用盾构法掘进施工, 断面呈圆形, 外径6.2m, 隧道顶板埋深9.7～17.0m。

勘察资料显示, 区段场地广泛分布有三叠系观音山组 (T₁g) 、三叠系大冶组 (T₁d) 、二叠系栖霞组 (P₁q) 和石炭系黄龙组 (C₂h) 的灰岩, 上覆第四系人工填土层 (Q^ml) 的素填土、杂填土, 全新统 (Q${}_4^{\text{a}\text{l}}$) 的粉质黏土、粉细砂、中细砂、中粗砂, 上更新统 (Q${}_3^{\text{a}\text{l}+\text{p}\text{l}}$) 的含黏性土细砂、含砾卵石中粗砂以及中更新统 (Q${}_2^{\text{a}\text{l}+\text{p}\text{l}}$) 的黏土夹碎石。施工场地灰岩裂隙、溶隙较发育, 局部地段溶洞、溶槽也较发育, 溶洞集中分布在基岩面以下3m范围内, 主要为中小型溶洞, 顶板厚度较小, 浅部多分布有半充填或全充填溶洞, 充填物为黏土或黏土夹碎石, 地下水位埋深为4.52～7.28m。地铁隧道穿越上砂下黏地层时, 盾构掘进施工时易对前方土体造成较大扰动^[10]。

结合工程实际情况, 模型尺寸为80m×1.5m×50m。以隧道中心为坐标原点, 水平面内隧道轴线方向为y轴, 垂直于隧道轴线方向为x轴, 竖直向上方向为z轴, 建立数值计算模型, 如图1所示。

图1中表层土厚6.0m, 地下水位线在地下7.0m处, 上层覆盖的砂土层厚28m, 下面的黏土层厚3.0m, 隧道外径6.2m、内径5.5m, 顶板与地表距离为15m, 底板与基岩面距离为12.8m。根据叶飞等^[11]、黎春林等^[12]的研究成果, 注浆的影响厚度取3.6m。取单一溶洞作为研究对象, 并且假设溶洞为圆柱体或者椭圆柱体, 溶洞轴线与隧道轴线平行, 溶洞位于隧道正下方, 两者的空间关系如图2所示, 图中d表示溶洞顶与基岩面距离, D表示溶洞直径, w表示溶洞跨度。

岩土体的力学模型采用的是Mohr-Coulomb模型, 隧道开挖采用的是Null模型, 管片则采用shell单元。设置计算模型的边界条件时考虑流固耦合效应, 模型左、右两侧约束x方向位移, 底面约束x, y, z方向位移, 前、后两侧约束所有节点y方向位移, 顶面为自由面。隧道开挖前, 孔隙水压力为静水压力, 渗流模式下侧面及底部为不透水边界。固定溶洞和隧道洞壁孔隙水压力为0。

结合现场试验分析, 参考相关文献确定岩土体及管片物理力学参数, 如表1所示。

取拱顶、拱底、左右拱腰管片为特征点进行变形分析。以管片圆心为原点, 水平向右为x轴正方向, 沿逆时针方向, 角度在0°处为右拱腰, 角度在90°处为拱顶, 角度在180°处为左拱腰, 角度在270°处为拱底。

假设溶洞为圆柱体, 结合现场实际情况溶洞直径D固定取6.0m, 无充填, 溶洞顶距基岩面距离d取为0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0m及∞ (无溶洞) 6种情况, 分析溶洞顶与基岩面距离对管片变形影响。

特征点处管片水平位移及拱腰处水平收敛变形如表2所示。

分析表2可知, 当溶洞顶与基岩面距离d增大时, 拱腰管片水平位移逐渐增大, 无溶洞时左、右侧拱腰管片水平位移最大, 分别为-6.05, 6.23mm;d≥4.0m 时, 拱顶、拱底管片水平位移趋于0, 即水平方向基本不产生位移;拱腰管片水平位移收敛值随着d增大而增大, d=8.0m时其值为11.72mm, 与 d=∞ (无溶洞) 时的12.28mm相差4.6%, 均在管片允许变形±30mm范围, 下伏溶洞在一定程度上抑制拱腰管片水平方向收敛变形。

特征点处管片竖向位移如表3所示。

分析表3可知, 0.5m≤d≤4.0m时, 随着d的增大特征点处管片沉降变形迅速减小;d>4.0m时, 拱顶、两侧拱腰管片逐渐由沉降变成隆起;d=0.5m时, 管片整体发生沉降, 拱顶、拱底、左右侧拱腰管片沉降量分别为-65.94, -61.39, -61.97, -64.50mm;d=1.0m时, 管片整体也发生沉降, 拱顶、拱底、左右拱腰管片沉降量分别为-45.48, -39.21, -39.65, -44.56mm;d≤1.0m时, 管片变形量均超过允许变形±30mm, 需及时采取整治措施;d≥2.0m时, 管片竖向位移均在±30mm范围, 此时隧道管片处于安全状态。

假设溶洞为圆柱体, 结合现场实际情况, 溶洞顶板与基岩面距离d固定取2.0m, 无充填, 溶洞直径D取1.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 12.0m 6种情况, 分析溶洞对管片变形的影响。

特征点处管片水平位移及拱腰处水平收敛变形如表4所示。

分析表4可知, 溶洞直径D≤4.0m时, 特征点处管片水平位移变幅<0.1mm, 拱腰管片水平位移收敛值较大但变化微小;D=6.0m时, 管片水平位移变化幅度较大, 溶洞对管片水平位移产生一定影响;D≥6.0m时, 随着D增大, 拱腰管片水平位移收敛值不断增大, D增大使得岩土交界面处砂土流失增多, 隧道底部的约束逐渐减弱, 隧道拱顶、拱底砂土对管片的挤压作用减弱, 水平位移收敛值增加;D从8.0m增大到12.0m时, 拱顶、拱底、左侧拱腰管片水平位移分别增长3.47倍、23.19倍、4.38倍, 右侧拱腰管片水平位移减小58%。

特征点处管片竖向位移如表5所示。

分析表5可知, D≤4.0m时, 随着D的增大, 拱顶管片沉降量逐渐减小, 拱底、左右侧拱腰管片隆起变形逐渐增大, 且变化幅度均较小;D增大到6.0m时, 拱底、两侧拱腰管片竖向变形由隆起变成沉降, 特征点处管片沉降变形大幅度增长, 此时溶洞体积较大, 对隧道管片竖向变形产生较大影响;D=12.0m 时, 隧道管片沉降已超出允许变形±30mm, 隧道结构已产生破坏。

假设溶洞为椭圆柱体, 结合现场实际情况, 溶洞顶与基岩面距离d固定取2.0m, 溶洞高度h为3.0m, 无充填, 取溶洞跨度w为2.0, 3.0, 6.0, 12.0m 4种情况, 分析溶洞对盾构隧道管片变形的影响。

特征点处管片水平位移及拱腰处水平收敛变形如表6所示。

分析表6可知, 随着跨度w的增大, 拱底管片水平位移呈增长趋势, 右侧拱腰管片水平位移逐渐减小, 拱腰管片水平位移收敛值先减小后增大, w=2.0m时拱腰管片收敛变形有最大值12.51mm, w=6.0m时有最小值4.37mm, w=12.0m时拱腰管片水平位移收敛值接近拱顶、拱底管片水平位移, 管片发生整体右移, 管片水平变形较明显。

特征点处管片竖向位移如表7所示。

分析表7可知, 随着溶洞跨度w的增大, 拱顶管片沉降变形迅速增大, 拱底、左右侧拱腰管片由隆起变成沉降, 且沉降变形大幅度增加, w≤3.0m时溶洞体积较小, 对管片竖向变形影响较小;w≥6.0m时, 特征点管片沉降变形均超出允许变形 ±30mm, 且拱底管片沉降大于拱顶管片沉降, 下伏黏土地层形成土洞后, 在地下水渗流作用下隧道底部的砂土发生渗透流失, 减小对上部隧道管片的约束力。

假设溶洞为圆柱体, 结合现场实际情况, 溶洞顶与基岩面距离d固定取2.0m, 溶洞直径D为6.0m, 溶洞充填率ω取0 (无填充) , 0.50, 0.75, 1.00 (全充填) 4种情况, 分析溶洞对管片变形的影响。

特征点处管片水平位移及拱腰处水平收敛变形如表8所示。

分析表8可知, 随着溶洞充填率ω的增大, 隧道拱顶管片水平位移逐渐减小, 拱底、左右侧拱腰管片水平位移先减小后增大, 拱腰管片水平收敛变形先减小后大幅度增大。ω从0.75增大到1.00时, 拱腰管片水平收敛变形增大2.37倍, 说明溶洞完全充填的重要性。ω=1.00时, 拱腰管片水平收敛变形有最大值12.59mm, 接近d=∞ (无溶洞) 时的12.28mm, 溶洞充填在一定程度上减小地下水渗流, 阻碍岩溶裂隙进一步发展, 对拱顶、拱底管片水平位移产生约束力, 释放拱腰处的约束力, 使得隧道管片水平位移最大值出现在拱腰管片。

特征点处管片竖向位移如表9所示。

分析表9可知, 随着溶洞充填率ω的增大, 特征点处管片沉降变形呈减小趋势;ω≤0.75时, 特征点处管片的沉降量相近;ω=1.00时, 隧道拱顶管片最大沉降量为-4.94mm, 拱底、左右侧拱腰管片出现隆起变形, 拱底管片最大隆起量为8.59mm。当ω从0增大到0.50时, 隧道拱顶管片沉降变形降低16.8%, 变化较小;ω从0.50增大到0.75时, 拱顶管片沉降量降低39.5%;ω从0.75增大到1.00时, 拱顶管片沉降量降低90.9%, 溶洞充填率越高, 管片沉降量降低程度越高, 溶洞越稳定, 因此注浆回填处治时溶洞需充分注浆。

1) 随着d的增大, 隧道拱顶管片沉降变形减小, 拱底、拱腰处管片由沉降变成隆起, 隆起值增大且渐渐接近无溶洞情况下的变形, 拱腰管片水平收敛位移增大, d=∞时水平收敛位移有最大值12.28mm, 说明下伏溶洞的存在在一定程度上抑制管片的水平位移收敛变形;d=0.5, 1.0m时, 管片变形量超过允许变形±30mm, 下伏黏土压缩性高、流变性强, 受施工扰动后易产生压缩变形, 需对溶洞进行处治。

2) 溶洞直径D增大到6.0m时, 管片水平、竖向位移, 以及拱腰水平收敛变形增加幅度较大, 此时溶洞体积较大, 对隧道管片水平、竖向变形产生较大影响;随着D的增大, 隧道拱顶管片沉降逐渐增大, 拱底管片隆起变形逐渐减小, D=12.0m时隧道管片沉降量已超出规范规定的变形范围, 隧道结构已产生破坏。

3) 当跨度w≤3.0m时, 管片水平、竖向变形受溶洞影响较小;w≥6.0m时, 溶洞体积较大, 溶隙发展对隧道管片水平、竖向位移影响较大, 此时管片沉降变形超出变形允许±30mm, 隧道结构已发生破坏;随着w的增大, 管片水平位移收敛值先减小后增大, w=12.0m时接近拱顶或拱底管片水平位移, 管片发生整体右移, 管片水平变形较明显。

4) 随着溶洞充填率ω的增大, 隧道拱顶管片水平位移逐渐减小, 特征点处管片竖向变形呈减小趋势;当ω=0.75增大到1.00时, 拱腰管片水平收敛变形有最大值12.59mm, 接近d=∞ (无溶洞) 时的12.28mm, 管片竖向变形大幅度减小, 说明溶洞充填率越高, 管片沉降量降低程度越高, 溶洞越稳定, 因此溶洞注浆处理时需充分注浆。