摘要：根據(jù)巖溶區(qū)盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，分析了巖溶區(qū)盾構(gòu)施工引起周邊地面沉降的原因。巖溶區(qū)，溶、土洞發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞中富含水、沙，盾構(gòu)施工很容易掘穿溶洞，引起涌水、涌沙和坍塌，造成土體固結(jié)沉降和地面沉陷;另外盾構(gòu)在正常掘進(jìn)過程中，造成隧道周圍圍巖變形，應(yīng)力釋放也是引起沉降的重要原因。通過Midas GTS軟件對(duì)建立的典型模型進(jìn)行計(jì)算分析，推導(dǎo)了盾構(gòu)掘進(jìn)在圍巖應(yīng)力釋放和滲流兩種情況下對(duì)周邊環(huán)境影響程度和范圍的規(guī)律，并提出相應(yīng)的處理措施，為巖溶區(qū)盾構(gòu)施工提供參考和建議。

　　關(guān)鍵詞：巖溶區(qū),盾構(gòu)施工,應(yīng)力釋放,滲流,環(huán)境影響

　　引言

　　隨著我國軌道交通工程的迅猛發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)已經(jīng)成為城市地下隧道施工的主要方法。與此同時(shí)，盾構(gòu)施工引起環(huán)境問題也越來越多，地鐵線路修建一般是通過城市的辦公、商業(yè)、居住中心，周邊建(構(gòu))筑物密集，一旦發(fā)生工程事故，影響巨大。

　　目前對(duì)盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境影響的研究主要存在以下不足：

　　(1)將隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及地表建構(gòu)筑物的安全作為主要研究對(duì)象，未從整個(gè)地層位移場進(jìn)行分析考慮 [1-2]。國內(nèi)研究大多針對(duì)地表上的建筑物的結(jié)構(gòu)部分如柱、墻等開展研究，即只考慮了由局部位移場引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的情況，未考慮場地應(yīng)力及變形耦合。

　　(2)目前的研究主要分析了普通地層下的盾構(gòu)施工，對(duì)于巖溶區(qū)的盾構(gòu)施工鮮有提及，對(duì)于巖溶區(qū)施工的地層特點(diǎn)、計(jì)算分析、施工方法及注意事項(xiàng)缺少研究。

　　針對(duì)以上問題，在前人研究基礎(chǔ)上，本文主要通過數(shù)值方法分析盾構(gòu)施工地程中遇到的溶洞、土洞坍塌涌水、涌砂引起的地面沉降與完好地基中掘進(jìn)的異同點(diǎn)，研究巖溶區(qū)盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，提出巖溶區(qū)盾構(gòu)施工的建議，為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

　　1 巖溶區(qū)地面沉降原因分析

　　形成地面沉降的兩個(gè)最主要因素是：

　　(1) 土層應(yīng)力重分布引起的地層變形：盾構(gòu)施工中，隧道襯砌環(huán)與土體之間存在施工間隙，通過同步注漿填充這些空隙，如果注漿不及時(shí)或者不飽滿的話，就會(huì)引起地層應(yīng)力重分布，引起地層變形、地面沉降。

　　(2) 固結(jié)沉降：盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，引起地下水位發(fā)生變化，使盾構(gòu)隧道周圍地層有效應(yīng)力增加，土顆粒之間會(huì)在產(chǎn)生擠壓，出現(xiàn)固結(jié)沉降。

　　地層應(yīng)力重分布主要是施工引起，而地層固結(jié)沉降是因?yàn)榭紫端畨毫ψ兓�產(chǎn)生的。盾構(gòu)法施工引起隧道周圍地表總沉降為施工沉降和固結(jié)沉降之和。

　　巖溶區(qū)的溶洞發(fā)育大都在石灰質(zhì)基巖中，溶洞以及土洞有部分沒有填充物，空洞中主要是水，盾構(gòu)掘進(jìn)引發(fā)地基變形的原因主要有以下幾點(diǎn)：

　　(1) 撐子面水土壓力不平衡造成地層應(yīng)力損失;

　　(2) 盾尾空隙和管片后注漿不足，造成地層應(yīng)力重分布;

　　(3) 盾構(gòu)機(jī)切割溶洞或土洞，造成溶、土洞涌水、涌沙，撐子面難以保持平衡，造成土層水頭損失，土體固結(jié)沉降;

　　(4) 盾構(gòu)處于上軟下硬的地層條件下，盾構(gòu)刀盤下部切割巖體，上部切割土體，由于掘進(jìn)面土層特性不均勻，造成下部巖體，掘進(jìn)緩慢，而上部切割較容易，地層應(yīng)力損失較多，水頭損失較大，綜合影響地面沉降。

　　2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

　　2.1 計(jì)算模型建立

　　計(jì)算模型如圖1所示，隧道直徑D=6.0m，隧道頂埋深H=9.7m，兩盾構(gòu)隧道中心距離為13m。地面房屋距離隧道為2.5m。土體本構(gòu)采用為莫爾—庫倫模型，管片混凝土本構(gòu)采用彈性模型。土體單元為平面單元，管片單位為梁單元。邊界條件采用鏈桿支座。

　　模型計(jì)算采用MIDIS GTS巖土模塊，采用了地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行二維平面計(jì)算分析。

　　2.2 基本假設(shè)

　　(1)地層巖土材料為均質(zhì)、各向同性的單一材料組成;

　　(2)地下水流動(dòng)規(guī)律滿足Darcy定律。

　　2.3 材料參數(shù)選取

　　根據(jù)隧道所處的地層，以及莫爾—庫倫模型需要的計(jì)算參數(shù)，列出土層參數(shù)見表1：

　　2.4 計(jì)算分析工況

　　根據(jù)盾構(gòu)在巖溶區(qū)施工的特點(diǎn)以及可能發(fā)生的工程風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算分析時(shí)主要從圍巖應(yīng)力釋放和涌水、涌沙引起滲流兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。

　　(1)隧道開挖時(shí)，管片后注漿不飽滿，引起應(yīng)力釋放對(duì)周邊建筑群影響，針對(duì)這種情況的分析，主要用在隧道開挖后，通過設(shè)置不同圍巖應(yīng)力釋放比例來研究地層的變形情況，具體計(jì)算采用四種方案進(jìn)行對(duì)比分析：

　　① 注漿效果良好，圍巖應(yīng)力釋放10%;

　　② 注漿效果較好，圍巖應(yīng)力釋放20%;

　　③ 注漿效果一般，圍巖應(yīng)力釋放30%;

　　④ 注漿效果較差，圍巖應(yīng)力釋放40%;

　　(2)巖溶區(qū)盾構(gòu)施工很容易打穿溶洞，造成撐子面失衡，引起地下水的滲流，土體固結(jié)沉降，因此針對(duì)這種情況，主要分析隧道斷面不同滲流量對(duì)環(huán)境的影響，計(jì)算時(shí)也設(shè)置了四種工況：

　　① 正常滲水量9.75m3/d;

　　② 2倍正常滲水量19.5m3/d;

　　③ 3倍正常滲水量29.25m3/d;

　　④ 10倍正常滲水量97.5m3/d;

　　3 結(jié)果分析

　　3.1 圍巖應(yīng)力釋放計(jì)算結(jié)果

　　(1)根據(jù)管片不同注漿工況，得出管片頂部沿豎向深度四條沉降曲線(見圖2)。從圖中得出：

　　① 注漿越及時(shí)、越飽滿、圍巖應(yīng)力釋放越小，地面沉降也越小。

　　② 從四條沉降曲線上得出，豎向位移變化曲率突變點(diǎn)都在6.5m左右，隧道開挖豎向影響范圍沿隧道中心一倍隧道直徑范圍(1D)。

　　(2)地面沉降沿水平向的沉降曲線見圖3，從圖中可知：

　　① 地面沉降呈現(xiàn)倒馬鞍狀，隧道正上方地面沉降最大，隧道兩邊地面沉降逐漸減小趨勢。

　　② 沉降的水平影響范圍達(dá)到5倍隧道直徑(5D)。

　　3.2 滲流固結(jié)計(jì)算結(jié)果

　　⑴根據(jù)隧道開挖不同滲流量的分析，得出滲水量與地面沉降的關(guān)系，隧道頂土層沿豎向沉降曲線見圖4。其中涌水量為97.5m3/d時(shí)，地面最大沉降為30.04mm;隧道開挖過程正常滲水量為9.75m3/d時(shí)，地面最大沉降為9.96mm;從下圖中得知：

　　① 隨著涌水量的增加，地面沉降越大，而且其引起的沉降比圍巖應(yīng)力釋放引起的變形要大的多。

　　② 滲流引起的固結(jié)沉降，往往是地表的沉降最大，而靠近開挖面的變形則較小，這是由于各層土體固結(jié)在地面形成累加效應(yīng)的結(jié)果。

　　(2) 地面沉降沿水平向的沉降曲線見圖5，從圖中得出：

　　① 兩個(gè)隧道上方地面沉降最大，隧道兩邊地面沉降逐漸減小;隨著涌水量的增加，沉降量迅速增加。

　　② 隨著滲流量的增加，地面水平影響范圍基本保持不變，水平影響范圍主要與隧道埋深有關(guān)，根據(jù)圖5，水平影響范圍達(dá)到10倍的隧道埋深(10H)。

　　4 結(jié)論

　　(1) 巖溶區(qū)盾構(gòu)施工引起的環(huán)境變化，主要隧道開挖，造成土體變形，圍巖應(yīng)力釋放以及溶、土洞涌水、涌沙，地下水滲流兩種原因造成的。地下水的滲流，土體固結(jié)沉降對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍和程度都要比圍巖應(yīng)力釋放引起的變形要大的多，造成的破壞也更嚴(yán)重。

　　(2) 圍巖應(yīng)力釋放引起的沉降，豎向影響為隧道中心周圍1倍隧道直徑范圍內(nèi)(1D)，水平影響為5倍隧道直徑范圍內(nèi)(5D);

　　(3) 滲流引起的沉降，豎向影響范圍從隧道中部一直影響到地面，水平影響范圍主要和隧道埋深有關(guān)，一般在10倍隧道埋深范圍內(nèi)(10H);

　　(4) 溶巖區(qū)盾構(gòu)施工，遇到溶洞、上軟下硬等不良地層，需要有專項(xiàng)施工方案。溶、土洞可采用地面注漿的方法，對(duì)其進(jìn)行填充處理，防止施工時(shí)出現(xiàn)涌水、涌砂、坍塌情況出現(xiàn);對(duì)于上軟下硬地層采用注漿加固和地面鉆孔爆破等措施，先期對(duì)其進(jìn)行處理。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]郭軍，地鐵隧道開挖誘發(fā)的地表沉降對(duì)鄰近建筑結(jié)構(gòu)的影響研究. 碩士論文 [D] 北京工業(yè)大學(xué). 2005.

　　[2]卿偉宸、廖紅建、，錢春宇，地下隧道施工對(duì)相鄰建筑物及地表沉降的影響[J] 地下工間與工程學(xué)報(bào). 2005, 1(6): 960–978.