摘  要: 以在建广州地铁盾构穿越岩溶填充区为依托，采用 FLAC^3D三维数值模拟程序，研究盾构施工力学行为，总结穿越岩溶填充区过程中围岩和管片变形特性。结果表明: 围岩变形主要集中在岩溶填充区范围内，其位移明显要大于周围岩土体，特别是地质界面处前后2 m 范围内，容易导致管片错位破坏，因此要加强设计参数; 掌子面挤出变形基本上下对称分布，主要影响范围是掌子面前方 6 m，其地层加固有效距离为 6 m; 盾构穿越地层发生变化时，管片纵向不均匀变形相当明显，主要表现为竖向位移，管片主要承受竖向力的作用，其力学行为表现为仰拱和拱顶向内弯折，而两侧变形向外弯折，应进行不对称配筋设计，以利于结构的安全性和经济性。

关键词: 盾构 施工力学 地层变形 岩溶 稳定性

 

      随着城市化进程的加快，越来越多的城市开始地下铁道规划和建设^［1-2］。然而，部分城市地铁隧道建设中由于岩溶存在，会发生塌陷、漏水、失稳等现象，致使盾构施工时可能造成衬砌管片破坏、失稳等现象，严重威胁施工安全^［3-5］。已建成的广州地铁 2 号、8 号线三元里—远景区间明挖盾构始发井和盾构区间，下部基岩岩溶发育，包括大量溶洞、溶蚀槽、土洞等。

      目前，国内外岩溶区隧道围岩力学特性的研究方法主要有理论分析法^［6-7］。理论分析法可以分析圆形隧道周围的圆形溶洞对隧道围岩稳定性的影响，但地质条件和地下结构形式的复杂性，其适用性十分有限，不具有通用的实践价值^［8-10］。

      从总体上看，目前国内对岩溶区盾构施工力学行为研究不足，在治理上消极被动。因此，本文依托地铁9 号线广州北站 ～ 花城路站区间岩溶盾构隧道工程实践，分析研究盾构穿越岩溶区过程中围岩及管片的变形特性。

 

      广州市轨道交通 9 号线呈西东走向，经广州市花都区和白云区，线路西起飞鹅岭，经花都汽车城、广州北站、花都区政府、机场商务区等重点地段，至 3 号线北延段工程高增站止，线路大致沿风神大道、农新路、秀全西路、秀全大道、公益大道、迎宾大道敷设。9 号线路全长 20. 1 km，全部为地下线。岩溶发育总体上强烈且不均匀，单井涌水量在数百至数千 m³/ d，甚至更大。而炭质灰岩的裂隙或溶洞发育相对弱，透水性、富水性也较弱。在秀全大道部分地段砂层直接覆盖在灰岩面上，砂层中的地下水与灰岩溶洞水连通呈互补给状态，地下水水量很大。部分地段灰岩面覆盖有冲洪积土层或残积土层，局部厚度较大，透水性差，一定程度上起到隔水作用，岩溶水一般具承压性。

      岩溶是本区间最主要的不良地质，冲洪积区秀全大道是灰岩广泛分布的区域，地势较低，灰岩上覆大面积较厚的砂层( 粉细砂、中粗砂和砾砂) ，为埋藏型岩溶形态。地下水丰富，岩溶发育。充填及半充填溶洞中，充填物以软 ～ 流塑状的软黏土为主，混灰岩碎块及砂粒，部分溶洞充填物钻探时钻具自沉或人工加压可以压下，其承载力极低。

 

      以广州北站—花城路站区间为研究背景，采用FLAC^3D三维快速拉格朗日差分软件。盾构施工影响范围为洞径的 3 ～5 倍，因此计算范围取: 纵向 100 m，其中中风化泥灰岩 30 m，岩溶填充区 50 m，中风化炭质灰岩 20 m，水平方向约 70 m; 下边界距隧道仰拱 25m，模型上表面取至地表。隧道覆土厚度 20 m。前、后、左、右边界及下边界法向约束，上边界为自由边界。计算模型如图 1 所示，共有148 665节点，141 600个单元。

      根据广州市轨道交通 9 号线工程广州北—花城路区间岩土工程勘察规范，围岩计算参数如表 1 所示，岩土体本构选用 Mohr-Coulomb 弹塑性模型。

      隧道穿越地层复杂多变，岩溶填充区使得下卧土层不均匀，导致隧道因纵向土体分布不均匀而产生差异沉降。

      由于盾构穿越地层的不均匀性，必然导致围岩变形的异常，影响结构的安全和稳定性。

      盾构施工穿越中风化泥灰岩与岩溶填充区分界面、岩溶填充区中间断面、岩溶填充区与中风化炭质灰岩分界面时，地表隧道正上方沿纵向沉降曲线如图 2所示。

      从图 2 可以看出，盾构端头到达中风化泥灰岩与岩溶填充区分界面时，由于中风化泥灰岩弹性模量很大，地表变形很小，地层相对安全，不会引起塌方等不稳定事故。随着盾构端头的掘进，进入岩溶填充区，地层变形逐渐增大，当盾构端头到达填充区中间位置时，地表沉降基本对称，最大地表沉降 ＞ 10 mm。盾构端头到达岩溶填充区与中风化炭质灰岩分界面时，地表沉降进一步增大，但是总体变形很小，为 13 mm，围岩稳定性较好。

      洞周变形往往是最直观判断围岩稳定性的标准，影响管片的受力状态，施工结束后，洞周变形如图 3所示。

      从图 3 可以看出，管片在中风化泥灰岩和中风化炭质灰岩中变形很小，在岩溶填充区变形相对较大，变形为整体下沉特征，但是地质界面突变显著，极易造成管片的弯折破坏。要加强界面处的设计参数，从而控制最终的变形，以利于提高管片衬砌整体的稳定性。

      掌子面中心沿隧道纵向深部岩土体挤出变形曲线如图 4 所示，规定向掌子面后方变形为负，向掌子面前方挤出变形为正。

      从图 4 可以看出，随着前方岩土体与掌子面距离逐渐增大，掌子面前方核心土体挤出变形减小。主要影响范围是掌子面前方 6 m，进行掌子面预加固时，其加固有效距离为 6 m。

      盾构穿越岩溶填充区，施工结束后，管片变形如图5 所示。

      从图 5 可以看出: 隧道穿越不同地层时，隧道管片的纵向不均匀变形相当明显，主要表现为竖向变形，拱顶下沉4 cm，仰拱隆起6 cm，水平变形1. 7 cm，因此管片主要承受竖向力的作用，其力学行为表现为仰拱和拱顶向内弯折，而两侧变形向外弯折，进行不对称配筋设计有利于结构的安全性和经济性。隧道拱顶、拱底管片的竖向位移和边墙沿纵向水平变形曲线如图 6所示。

      从图 6 可以看出，岩溶填充区衬砌主要表现为整体下沉，在地质分界处前后2 m 左右发生突变，因此对分界处的地层进行加固处理，可大大改善支护结构受力，更有利于洞室结构稳定，增加其整体安全度。另外，管片也应进行相应的加强设计，尤其是地质分界处前后 2 m 范围内。

 

      1) 岩溶填充区使得下卧土层不均匀，导致隧道因沿纵向土性分布不均匀而产生差异沉降。围岩变形主要集中在岩溶填充区范围内，其位移明显要大于周围岩土体，特别是地质界面处，容易导致管片的错位破坏，因此要加强设计参数。

      2) 掌子面挤出变形基本上下对称分布，当掌子面到达中风化泥灰岩与岩溶填充区分界面时，掌子面挤出变形较大，达 12 cm。当掌子面到达岩溶填充区中间断面时，掌子面向前变形 3 cm。当掌子面到达岩溶填充区与中风化炭质灰岩分界面时，掌子面挤出变形较小，只有 0. 2 mm。掌子面前方 6 m 为有效加固距离。

      3) 盾构穿越岩溶区时，管片纵向不均匀变形相当明显，主要表现为竖向变形，管片主要承受竖向力的作用，其力学行为表现为仰拱和拱顶向内弯折，而两侧变形向外弯折。进行不对称配筋设计有利于结构的安全性和经济性。岩溶填充区衬砌主要表现为整体下沉，在地质分界处前后 2 m 左右发生突变，因此要对分界处的地层进行加固处理。

 

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