代永文 李建強(qiáng) 梁 杰 向 華 楊 銳

(中國水利水電第七工程局有限公司 四川成都 610213)

1 引言

我國是巖溶分布最廣的國家，近年來隨著城市軌道交通發(fā)展，穿越巖溶地區(qū)的地鐵隧道數(shù)量日益增加。溶洞填充物松軟使地基承載力減小，增加了圍巖不穩(wěn)定因素，甚至?xí)斐啥軜?gòu)沉陷、地表沉降過大等嚴(yán)重后果[1]。因此巖溶對(duì)地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性的影響不可忽視。

圍巖穩(wěn)定是隧道安全施工的重要基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性的研究方法主要有立足于工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合力學(xué)理論的理論分析法[2]、基于假定條件建立相似模型的試驗(yàn)法[3-4]、通過經(jīng)驗(yàn)類比和綜合分析建立數(shù)學(xué)模型的數(shù)值分析法[5]。相較于理論及模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬具有經(jīng)濟(jì)成本低、效率高、可變因素靈活等優(yōu)點(diǎn)。邵勇[6]采用二維數(shù)值分析研究溶洞尺寸、與隧道位置關(guān)系等因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。謝琪[7]采用三維有限元模擬，針對(duì)溶洞數(shù)量及排列方式從盾構(gòu)隧道開挖引起的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)三方面分析圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律。雷金山[8]依托廣州地鐵工程對(duì)隧道巖溶集中區(qū)進(jìn)行三維模擬，分析盾構(gòu)隧道建設(shè)中溶洞大小、位置、形狀及與隧道間距離對(duì)圍巖變形規(guī)律的影響。李結(jié)全[9]結(jié)合南寧地鐵2號(hào)線巖溶區(qū)段，建立數(shù)值模型分析盾構(gòu)隧道施工過程中圍巖位移、應(yīng)力及地表沉降的變化規(guī)律，提出隧道結(jié)構(gòu)外0.5倍洞徑范圍內(nèi)的巖溶處治范圍。

上述研究?jī)H在二維條件下分析了巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性問題，或在三維模擬中將溶洞簡(jiǎn)化為與隧道等長(zhǎng)的空腔，忽略了溶洞的三維尺寸，僅考慮溶洞為空洞狀況。工程實(shí)際中大多數(shù)溶洞處于全填充或半填充狀態(tài)，且填充程度、填充物的差異性較大，由此導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工程差異較大。本文以南京至句容城際軌道交通工程巖溶集中段為背景，采用三維有限元模擬，考慮盾構(gòu)機(jī)自重以及盾構(gòu)隧道開挖工序帶來的影響，研究盾構(gòu)隧道施工過程中充填型溶洞尺寸及溶洞與隧道間距對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響及其規(guī)律。

2 工程概況

南京至句容城際軌道交通工程麒麟鎮(zhèn)-白水橋東站區(qū)間長(zhǎng)739.1 m，其隧道埋深范圍為12.9～23.44 m，地面無重要建筑物。選用鐵建重工DZ422復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，隧道開挖直徑為6 410 mm。

根據(jù)勘察資料，盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)地層主要為③-1ab1-2層粉質(zhì)黏土、T2z-3中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r(局部破碎)、T2z-3-1中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r(破碎)及γ-3-1中風(fēng)化花崗巖(破碎)。區(qū)間在里程K2＋527～K3＋020范圍內(nèi)穿越中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r巖溶區(qū)段，圍巖等級(jí)以Ⅳ～Ⅴ級(jí)為主。區(qū)間內(nèi)巖溶發(fā)育，鉆孔巖溶遇洞率為86.86%，體積小于50 m3的溶洞占已勘明溶洞數(shù)量的76%，高度在0～3 m內(nèi)的溶洞占84%，溶洞平均充填率達(dá)75%，充填物主要為軟塑～可塑狀黏土及粉質(zhì)黏土，局部夾泥質(zhì)灰?guī)r碎塊。區(qū)間內(nèi)地下水類型主要為孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶裂隙水，且各類型地下水間水力聯(lián)系不密切。

3 數(shù)值模型及工況設(shè)定

3.1 模型構(gòu)建

結(jié)合上述工程情況建立三維有限元數(shù)值模型，見圖1。相關(guān)理論分析及實(shí)踐表明，隧道開挖過程僅對(duì)其周圍距離隧道中心3～5倍開挖高度或?qū)挾确秶鷥?nèi)的應(yīng)力應(yīng)變存在實(shí)際影響[10-11]。為減小分析誤差，模型尺寸選擇為:x×y×z＝40 m×42 m×50 m。結(jié)合地勘資料，模型地層由上至下依次設(shè)置為雜填土(3.4 m)、粉質(zhì)黏土(7.6 m)和中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r(39 m)，地層均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。地層及隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。隧道埋深為21.9 m，隧道內(nèi)徑為5.5 m，襯砌厚度為0.35 m，注漿層厚度為0.105 m，開挖面直徑為6.41 m，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長(zhǎng)度為8.4 m。為模擬盾構(gòu)機(jī)主體自重，用相同的盾殼質(zhì)量替代盾構(gòu)機(jī)主體質(zhì)量。模型中巖土體、襯砌、注漿層及盾殼均采用C3D8R單元類型。

圖1 底部溶洞與隧道空間關(guān)系

表1 各土層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.2 開挖工況模擬

以拱底圍巖豎向變形為例，當(dāng)溶洞尺寸為a×b×c＝4 m×4 m×6 m時(shí)，圍巖豎向位移為32.87 mm，相較于溶洞尺寸a×b×c＝2 m×2 m×6 m時(shí)的20.49 mm增加60.42%?？梢娙芏闯叽鐚?duì)圍巖變形存在影響，即溶洞尺寸越大，拱底圍巖豎向位移也越大，但該影響小于溶洞與隧道距離帶來的影響。

（11）全旗已育成各種樹苗八百五十多畝，營(yíng)造防風(fēng)固沙林三千八百畝，在草原上筑成一道道綠色屏障。 （1970·《人民日?qǐng)?bào)》）

我記得近代畫家李苦禪畫過一幅寬368厘米、高580厘米、面積達(dá)21平方米的巨作《盛夏圖》。對(duì)于這件通幅寫意荷花的作品，媒體這樣推介：“李先生邊畫邊說：‘只有我偉大中華民族之文明才能有這樣偉大的寫意畫藝術(shù)，把她拍下來叫后世子孫、叫世界看看！’題之《盛夏圖》則意在企盼我‘華夏’興盛，誠乃苦禪老人一生愛國情懷之表現(xiàn)”。

表2 模型計(jì)算工況

隧道施工分18次動(dòng)態(tài)開挖，每次向前掘進(jìn)1.2 m，溶洞位于開挖至18 m處。隧道與溶洞剖面見圖2。具體模擬步驟如下:

(1)初始地應(yīng)力平衡及邊界條件(Step 1):施加相應(yīng)邊界條件，開挖前先進(jìn)行已有溶洞地層的巖土體自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算以達(dá)到模型的初始應(yīng)力平衡。

除了機(jī)遇，周邊景區(qū)也對(duì)廬山西海的客源市場(chǎng)有較大的競(jìng)爭(zhēng)力(例如廬山,星子,黃山等具獨(dú)特的文化旅游資源的景點(diǎn))。在全國都在加大旅游開發(fā)的形勢(shì)下,廬山西海風(fēng)景區(qū)還要面臨來自中部地區(qū)旅游景區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)。除此之外，地方保護(hù)主義和地域的條塊分割等弊端也會(huì)對(duì)廬山西海風(fēng)景區(qū)的客源有一定的分流。

(2)指定開挖位置并設(shè)置盾構(gòu)機(jī)(Step 2～3):為防止開挖對(duì)邊界條件的影響，從距邊界6 m處開挖，移除相應(yīng)位置土體，激活注漿層及襯砌，隨后移除與盾構(gòu)機(jī)主機(jī)等長(zhǎng)的土體，激活盾殼。

經(jīng)計(jì)算得知，在3*3式密碼中，折線經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為4時(shí)有1624種情況，經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為5有7152種，經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為6有26016種，經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為7有72912種，經(jīng)過的點(diǎn)數(shù)為8和9均有140704種?？傻?，3*3圖形的密碼排列情況共389112種。

圖2 底部溶洞與隧道剖面

4 溶洞分布對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響分析

根據(jù)溶洞沿Y軸正方向的分布形狀，選取與前文相同情況下溶洞左邊界、中部及右邊界三個(gè)斷面對(duì)應(yīng)的圍巖位移進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

4.1 溶洞存在對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)圍巖變形的影響

你說說，時(shí)為國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技術(shù)部主任的鄧永輝會(huì)缺錢嗎？肯定不缺！然而，鄧永輝卻以買房缺錢的名義，向北京澤源惠通科技公司老板劉某提出借款300萬元。劉某當(dāng)然清楚，這是鄧永輝在訛他，明知是個(gè)當(dāng)也得裝憨去上哇，因?yàn)樗揽苦囉垒x在國家電網(wǎng)的地位牽線做業(yè)務(wù)。因此，劉某先后5次送給鄧永輝362萬元和一套價(jià)值34.7萬元的紅木家具。

選取溶洞左邊界對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵圍巖節(jié)點(diǎn)(隧道拱底、左拱腰、拱頂)及相應(yīng)位移，分析有無溶洞情況下圍巖位移隨加載步的變化規(guī)律，即隧道底部溶洞存在(溶洞尺寸a×b×c＝4 m×4 m×6 m，與隧道距離d＝1 m)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，見圖3。

圖3 溶洞左邊界對(duì)應(yīng)圍巖變形隨加載步變化曲線

由圖3a可知，拱底圍巖豎向位移受溶洞的影響大且其數(shù)值變化和盾構(gòu)掘進(jìn)過程有關(guān)。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)主體與溶洞的相對(duì)位置，可將盾構(gòu)推進(jìn)過程分為4階段:①盾構(gòu)機(jī)未推至溶洞，溶洞對(duì)拱底圍巖豎向位移影響較??；②盾構(gòu)機(jī)主體經(jīng)過溶洞，隧道所處巖體質(zhì)量(74.23 t/m)部分被盾構(gòu)機(jī)主體質(zhì)量(37.43 t/m)取代，溶洞存在使拱底圍巖豎向位移增加；③盾構(gòu)主體經(jīng)過溶洞，襯砌和注漿層施加，隧道所處盾構(gòu)機(jī)主體質(zhì)量被襯砌和注漿層質(zhì)量(9.48 t/m)取代，溶洞存在使拱底圍巖豎向位移顯著增加(從3.14 mm提高為19.18 mm)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響最大；④盾構(gòu)主體完全離開溶洞，拱底圍巖豎向變形趨于穩(wěn)定。

圖3b、圖3c中左拱腰圍巖水平位移及拱頂圍巖豎向位移隨盾構(gòu)掘進(jìn)過程呈相同變化規(guī)律，但溶洞存在對(duì)其影響較小，減小幅度分別為21.3%及6.6%。

(2)溶洞尺寸對(duì)隧道圍巖變形的影響

(3)開挖模擬(Step 4～21):模擬盾構(gòu)機(jī)主體沿y軸正方向推進(jìn)過程，每推進(jìn)一環(huán)移除相應(yīng)土體單元，激活盾殼單元，移除位于盾尾的盾殼單元并激活該處的襯砌層及注漿層，推進(jìn)過程中保持已激活的盾殼單元長(zhǎng)度8.4 m不變。

(2)溶洞縱向尺寸對(duì)圍巖變形的影響

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中圍巖穩(wěn)定性分析主要從圍巖強(qiáng)度、變形量、變形速率及圍巖塑性區(qū)四個(gè)方面考慮。其中圍巖位移是圍巖力學(xué)形態(tài)變化和圍巖穩(wěn)定性的最直接體現(xiàn)，本文就溶洞分布對(duì)圍巖變形的影響規(guī)律作詳細(xì)分析[12]。

圖4 不同斷面對(duì)應(yīng)拱底圍巖位移隨加載步變化曲線

由圖4可知，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)主體離開相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)后，其拱底圍巖豎向變形便趨于穩(wěn)定，此時(shí)溶洞中心對(duì)應(yīng)處圍巖豎向位移最大，溶洞左邊界次之。由此可得溶洞縱向尺寸對(duì)圍巖的影響不可忽略，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隧道底部溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為溶洞中心對(duì)應(yīng)處拱底圍巖的豎向變形增加，即底鼓現(xiàn)象更明顯。

4.2 溶洞與隧道距離及尺寸對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

(1)溶洞與隧道距離對(duì)隧道圍巖變形的影響

保持溶洞尺寸不變，改變?nèi)芏磁c隧道間距離(d＝1～6 m)，研究此間距對(duì)圍巖變形的影響。圖5～圖7為溶洞中心對(duì)應(yīng)的圍巖變形情況。

圖5 溶洞與隧道間距離對(duì)拱底圍巖變形的影響

圖6 溶洞與隧道間距離對(duì)左拱腰圍巖變形的影響

圖7 溶洞與隧道間距離對(duì)拱頂圍巖變形的影響

從圖5a可見，當(dāng)距離d＝1 m時(shí)，拱底圍巖豎向位移為32.87 mm，相較于無溶洞時(shí)的位移3.09 mm增加了963.75%；當(dāng)距離d＝5 m時(shí)影響較小。將其關(guān)系繪制成圖5b，隨著溶洞距離隧道越近，拱底圍巖變形增加。

圖6中，針對(duì)左拱腰圍巖水平位移，當(dāng)距離d＝1 m時(shí)其數(shù)值為2.22 mm，相較于無溶洞時(shí)的位移2.84 mm減小21.83%；當(dāng)距離d＝2.5 m時(shí)影響較小。即溶洞距隧道越近，隧道拱腰圍巖變形越小。

從圖7可知，當(dāng)距離d＝1 m時(shí)，拱頂圍巖豎向位移為-3.71 mm，相較于無溶洞時(shí)的位移-3.92 mm減小5.36%；當(dāng)距離d＝1.5 m時(shí)影響較小。即溶洞與隧道間距離減小，隧道拱頂圍巖變形也隨之減小。

綜上，隧道底部溶洞存在將增加拱底圍巖豎向位移，減小拱腰水平位移和拱頂豎向位移。隧道底部溶洞對(duì)圍巖各部位的位移影響程度排序?yàn)?拱底＞拱腰＞拱頂。

保持溶洞與隧道間距離不變，研究溶洞尺寸對(duì)圍巖變形的影響。圖8為溶洞中心對(duì)應(yīng)處各圍巖節(jié)點(diǎn)變形情況。

盾構(gòu)隧道開挖過程中，針對(duì)溶洞尺寸及與隧道間距離對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行模擬，見表2。本工程中已勘明溶洞的平均充填率為75%，故模型中采用“空?qǐng)隽W(xué)模型”簡(jiǎn)化溶洞，并對(duì)填充物密度及彈性模量折減25%模擬充填率的影響。本文主要研究隧道下方溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

中國農(nóng)資傳媒鉀肥觀察家觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)資源匱乏成為國家糧食安全的掣肘之痛，當(dāng)責(zé)任意識(shí)轉(zhuǎn)化為一股創(chuàng)新動(dòng)能，撬動(dòng)了“鹽湖”品牌逐步升級(jí)。當(dāng)一份份殊榮接踵而至，“鹽湖人”也將企業(yè)傳承的“鹽湖精神”詮釋的淋漓盡致。當(dāng)然，在行業(yè)向前發(fā)展需要鹽湖時(shí)，鹽湖股份也堅(jiān)守著“壓艙石”崗位毫不動(dòng)搖。

譚祖英等[8]人的研究顯示，局麻藥與嗎啡類藥物合用于硬膜外腔，麻醉阻滯有效的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，羅哌卡因的用量會(huì)相對(duì)減少，不良反應(yīng)發(fā)生率要比單獨(dú)使用羅哌卡因麻醉藥物的對(duì)照組低，本次的研究結(jié)果與其研究基本相符。

圖8 溶洞尺寸對(duì)圍巖變形的影響

溶洞尺寸對(duì)拱腰及拱頂圍巖變形呈現(xiàn)出相同的影響規(guī)律，當(dāng)溶洞尺寸增加，拱腰圍巖水平位移量減小，拱頂圍巖豎向位移量也隨之減小。

5 結(jié)論

本文從盾構(gòu)隧道圍巖穩(wěn)定性問題出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程，從圍巖變形方面對(duì)比分析充填型溶洞尺寸以及溶洞與隧道間距離對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律并得出以下結(jié)論:

(1)隧道底部溶洞的存在對(duì)圍巖變形存在影響，拱底圍巖的豎向位移受其影響較大，拱腰和拱頂次之，且圍巖變形與盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程相關(guān)。

(2)溶洞縱向尺寸對(duì)圍巖變形存在影響，表現(xiàn)為溶洞中部對(duì)應(yīng)圍巖豎向位移大于溶洞兩側(cè)。

（2）非心理詞典通路。根據(jù)形、音對(duì)應(yīng)規(guī)則朗讀者接受書面的文字視覺刺激直接獲得語音，并直接將語音輸送至語音緩沖器。這一通路完全不需要心理詞典的信息，借助拼音文字所特有的形——音對(duì)應(yīng)規(guī)則就可以獲得書面刺激的語音（畢鴻燕、翁旭初，2006）。

(3)隨溶洞與隧道間距離減小，拱底圍巖豎向位移增加，拱腰圍巖水平位移減小，拱頂圍巖豎向位移減小，在一定范圍內(nèi)，圍巖變形與距離呈較好的線性關(guān)系。

現(xiàn)實(shí)中，草根和精英的界限很清晰，向上流動(dòng)的空間很擁擠，成功的標(biāo)準(zhǔn)也頗為單一。在社會(huì)的標(biāo)簽下，甘相偉無疑是個(gè)小人物。但他從心底想要讀書、想要學(xué)習(xí)，所做的一切都有著明確的意義。在這個(gè)急功近利的時(shí)代，他的堅(jiān)持讓人感動(dòng)。

(4)隨溶洞尺寸增加，拱底圍巖豎向位移增加，拱腰圍巖水平位移減小，拱頂圍巖豎向位移減小。溶洞尺寸對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響小于溶洞與隧道間距離的影響。