岩溶强发育区盾构隧道下穿市政桥梁的数值模拟分析

钟伟程

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

1 引言

岩溶地区修建地铁一直是地下工程施工的重难点之一，尤其是地下工程在岩溶地区穿越大量建（构）筑物，施工中稍有不慎，极有可能引发地质灾害，造成上方地层坍塌，建（构）筑物沉降变形导致倒塌的风险。根据岩溶地区独特的地质条件，设计师在隧道设计过程中必须特殊考虑其围岩的应力状态，并对其进行针对性的处理。王艳军[1]对穿越岩溶地区的隧道结构模型进行了深度的探讨，把溶洞简化成一个椭圆形的土体，对隧道开挖围岩的应力及位移进行了计算。马栋[2]对深埋隧道和岩溶间的破坏机理做出解释，并运用数值分析的方法模拟了岩溶位置和规模对隧道受力的影响。蔡维龙[3]基于广州地铁8号线亭岗站—白云湖区间穿越岩溶发育区，针对性地提出岩溶风险区的工程处理方案。由此可见，对于隧道穿越岩溶发育的不良地层，合理选择岩溶的处理方案，并针对此地层选择合理的隧道计算方法，对隧道设计尤为重要。

本文依托广州市轨道交通18号线北延段工程白云东平—白云城市中心盾构区间，对隧道在岩溶地区穿越市政桥梁进行数值模拟计算，分析了盾构隧道在岩溶地区下穿既有市政桥梁的影响，为后续设计施工提供参考。

2 工程概况

广州市轨道交通18号线作为连接广州南沙区至白云区的南北快线，整条线路穿越的地层复杂多变。18号线北延段白云东平—白云城市中心位于广州市白云区，区间隧道全长约4.4 km，线路呈东西向敷设，穿越上方大量建构筑物，部分区域人流量较大，且线路穿越地层主要为灰岩，岩溶高度发育，施工风险极高。本区间隧道采用盾构法施工，选用泥水/土压双模盾构机，盾构外径8.5 m，内径7.7 m，管片厚度0.4 m，依据地层条件，拟采用泥水模式。区间隧道左右线在某里程段正交下穿空港大道市政桥梁的桩基，下穿位置隧道拱顶埋深达到35.3 m，与空港大道的平面最小净距约为3.32 m。空港大道桥桩采用钻孔灌注桩，桩长21.3～42.4 m不等，桩径1.2～1.8 m。

3 工程地质

本段区间工程的详细勘察阶段钻孔揭露本段区间场地范围内主要覆盖第四系土层，揭露到的地层主要有人工填土、砂层、粉质黏土、碎屑岩全风化及中微风化灰岩。结合本区间隧道埋深，区间隧道洞身在空港大道附近穿越地层主要为中微风化砾岩层，上部覆土主要有人工填土、可塑状粉质黏土、中粗砂及硬塑状粉质黏土，岩土层物理力学性质参数见表1。本区间勘察钻孔所遇溶土洞隙长度近901.6 m，钻孔穿过溶岩的长度约4 700 m，溶土洞的见洞率约70.2%，线见洞率约19.0%，依据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，可判断为岩溶强发育。

表1 岩土力学参数表

4 岩溶处理

在盾构施工之前，需对本段区间揭露的溶土洞提前进行处理，部分溶洞规模较大且大部分无充填或半充填，对盾构隧道稳定性的影响主要表现在以下3个方面：

1）钻探揭露部分个别顶板厚度较薄，局部甚至小于0.5 m，岩溶洞体高度大，且填充物松软或无填充，在受到外力作用情况下，可造成顶板塌落，地面发生塌陷，影响场地稳定性，对于隧道施工影响较大。

2）灰岩岩面起伏大，溶沟、溶槽、竖向溶蚀裂隙和落水洞等岩溶形态发育，岩溶地下水丰富，地铁隧道穿越溶土洞和溶沟、溶槽发育地段时存在盾构机偏位、栽头、坑道突涌或坍塌等工程风险，甚至引发地质灾害，因而增加了设计与施工难度。

3）大部分地段灰岩面上分布有可塑状粉质黏土和松散桩砂层，其工程性质较差。隧道施工扰动及对岩溶水的抽排，容易造成地表水土流失，进而引发地表沉降。

结合广州市对岩溶处理的相关技术条例及类似的工程经验[4]，需对本工程盾构隧道施工影响范围内的溶土洞进行注浆填充处理。处理范围主要是隧道结构轮廓外放3 m范围内，地面至隧道底范围内的溶土洞均需处理；隧道底板以下为灰岩时，结构轮廓外放3 m范围内，隧道底板以下3 m内的溶洞必须处理。

5 数值分析计算

基于本工程场地的实际情况，拟采用Midas GTS NX模拟区间隧道左右线开挖对空港大道桥桩的影响。工程采用150 m×150 m×80 m的模型尺寸，隧道左右线间距为16 m。依据本工程的详勘钻孔，溶土洞位于隧道掘进方向上方位置，分别位于中风化与强风化灰岩质砾岩地层的交界处，此溶土洞靠近南侧桥桩，与桥桩的平面净距约4 m，与隧道的竖向净距为7.3 m；以及中风化与微风化灰岩质砾岩地层的交界处，此溶洞靠近北侧桥桩，与隧道的平面净距约3.9 m，竖向净距约5 m。溶土洞在本模型中均采用直径为5 m、高度为5 m的圆柱体模拟。

对于岩溶处理，在盾构始发前需要对溶土洞附近土层进行取芯检测。依据现场取芯检测结果，整体芯样标准贯入度平均值在N=18，由此结果及参考文献[5-6]综合判断，可认为在岩溶处理效果良好的前提下，溶土洞的土层参数近似于残积粉质黏土，因此，在数值模型模拟中，对溶洞实际土层参数按残积粉质黏土考虑。

对于盾构机，盾构机盾壳及管片采用壳单元模拟，桥桩采用杆单元模拟。整体的地层本构模型均采用Mohr-Coulomb本构模拟盾构隧道穿越时的岩土体特性。如图1所示。

图1 区间隧道下穿空港大道桥桩整体模型

6 结果分析

本模型模拟了盾构在岩溶微风化地层穿越桥桩的3个阶段，分别是盾构穿越桥桩前、穿越时及穿越后，采用双线盾构同时施工。图2为盾构穿越桥桩后的最终变形图。

图2 盾构穿越桥桩后最终变形图

在盾构穿越前，盾构还未进入桥桩的影响范围之内，左右线距离桥桩平面净距约50 m，对空港大道桥桩的影响较小，北侧桥桩桩顶及桩侧的最大变形只有0.6 mm，在盾构进入桥桩范围约23 m时，北侧及南侧桥桩变形逐渐增加，即进入了桥桩的影响范围，北侧桥桩桩底变形增加至12.3 mm，桩侧增加至11.5 mm，南侧桥桩的桩底变形达到5 mm，桩侧达到2.6 mm。盾构最终穿越时，北侧桥桩底部最终变形达到18.7 mm，桩侧达到17.7 mm，而南侧桥桩桩底的最终变形达到8.6 mm，桩侧为6.8 mm，见图3和图4。

图3 盾构穿越北侧桥桩后总变形图

图4 盾构穿越南侧桥桩后变形图

由此结果可以看出，北侧桥桩的整体变形值要比南侧桥桩的整体变形值要大，原因在于北侧溶洞的相对位置距离隧道相对于南侧要近，溶土洞可视为隧道附近的软弱地层，受盾构隧道开挖的扰动，地层变化较大，对北侧桥桩的影响较大。南侧的溶土洞实际位于中风化灰岩质砾岩与强风化灰岩质砾岩地层的交界处，与隧道之间还相隔一段中风化岩层，故在实际隧道开挖工况时，南侧桥桩受到土体扰动的影响较小。本次计算中，北侧桥桩的变形已超出桥桩的变形控制要求，即大于10 mm，是由于本模型中盾构上覆土的微风化岩层厚度偏小，强风化岩层覆盖于微风化岩层之上，在开挖过程中盾构对强风化地层的扰动效果较大，造成北侧桥桩的变形较大[7]。

7 结论及思考

基于数值模拟分析计算结果，有以下3点结论及思考：

1）本区间隧道穿越空港大道所处的地层位于中微风化岩层中，整体地层条件较好，围岩级别较高，因此在穿越时，整体对桥桩的影响较小。溶土洞距离隧道越近，隧道开挖对附近土体的扰动越大，对桥桩的影响越大。

2）盾构穿越施工前，应按处理原则对隧道周边的溶洞进行注浆处理，在进行数值分析计算时，溶土洞的土层参数的取值可依据现场实际取芯检测结果综合判断，本区间溶土洞土层参数基于现场的检测结果，取值按粉质黏土层考虑。

3）灰岩地区的地层条件较为敏感，盾构施工穿越有可能引起空港大道路面、桥台及邻近建（构）筑物等变形或沉降，建议在施工前，对空港大道桥桩进行预注浆加固，并在施工过程中，制订详细的监测方案，并根据实际监测成果，及时反馈信息，指导施工，以确保桥梁的整体结构安全。

8 结语

从数值模拟的结果中可以看出，盾构隧道在岩溶地区的掘进对周边环境的影响较大，主要体现在盾构穿越时对溶土洞这类软弱地层的扰动较大，影响周边地层的稳定性，因此，在下穿市政桥梁这类敏感性建构筑物时应做好岩溶处理及桥梁的预加固措施，在盾构进行下穿掘进时保证上部建构筑结构安全。