CN112883614B - 一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法。针对岩溶地层中地铁盾构隧道周围分布有溶洞的地质情况，根据地质勘查资料及施工设计资料获取相关参数；根据地层剖面参数在数值模拟软件中建立三维有限元计算模型；统计代表性溶洞及对应参数，构建地层‑溶洞有限元模型；根据盾构施工参数，构建地层‑溶洞‑隧道有限元模型，模拟盾构掘进过程；改变代表性溶洞与隧道轮廓线的距离及相对位置，利用有限元计算得到隧道模型周边的塑性变形最大距离，进而获得盾构隧道溶洞处理范围。该方法克服了现有技术中溶洞处理范围缺少理论依据的问题，提供了一种切实可行的溶洞处理范围判断方法且简单实用，便于推广。

Description

一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断 方法

技术领域

本发明涉属于隧道工程技术领域中施工参数的确定方法，具体的，涉及一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法。

背景技术

盾构掘进过程中溶洞对隧道围岩稳定性的影响显著，岩溶的存在增加了地铁隧道施工的施工难度，影响隧道的结构稳定，容易诱发岩溶塌落进而导致地面沉降。

目前，现有研究及已有专利技术表明，针对隧道提出的溶、土洞的注浆处理原则为所有岩面以上的土洞均处理；凡是区间范围内、地质勘查己揭示的土洞，全部自地面进行充填注浆加固处理。但以上方法对溶洞安全距离研究不足，溶洞处理范围判断缺少依据，依赖于工程经验。

同时，现有通过建立数值模型判断围岩稳定性的研究中，提出了隧道结构外0.5倍洞径内溶洞应处理的岩溶处治范围；溶洞影响分界线约为溶洞直径2～3倍。

现有通过数值模拟手段判断围岩稳定性的研究大部分仅考虑溶洞的二维条件，忽略了溶洞的三维尺寸，对盾构开挖过程的模拟较为粗糙，且未考虑溶洞的充填情况，由此导致部分数值模拟结果与实际工程差异较大。另一方面，上述研究着重于分析溶洞存在对围岩稳定性的影响，未形成一套可用于工程实践的盾构隧道周边溶洞处理范围判断方法。

在上述条件下，实际施工中缺少合适的溶洞安全距离判断方法，容易造成溶洞处理范围不准确，导致部分数值模拟结果与实际工程差异较大，降低施工效率，给岩溶区的盾构施工埋下安全隐患。

岩溶地层盾构隧道掘进施工中，当围岩应力达到或超过强度临界值时，将形成连续贯通的塑性变形，并产生剪切破坏，引起较大位移从而导致失稳。因此，可通过观察隧道围岩在掘进过程中产生的塑性变形范围与溶洞自身塑性变形范围贯通与否来判断隧道周边溶洞的安全距离。

发明内容

为了解决新建隧道盾构施工过程中岩溶处理范围不明确的问题，本发明提供了一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其主要技术方案为：

一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其主要包括以下五个步骤：

步骤一：根据地质勘查资料获得隧道所在位置的地层剖面参数；统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况，获得代表性溶洞及对应参数；根据施工设计资料获取盾构施工参数。

步骤二：根据地层剖面参数在数值模拟软件中建立三维有限元计算模型；

步骤三：根据代表性溶洞及对应参数，构建地层-溶洞有限元模型；

步骤四：根据盾构施工参数，构建地层-溶洞-隧道有限元模型，模拟盾构掘进过程；

步骤五：改变代表性溶洞与隧道轮廓线的距离及相对位置，利用有限元计算得到隧道模型周边的塑性变形最大距离，进而获得盾构隧道溶洞处理范围。

优选地，于步骤一中，根据地质勘查资料获取隧道所在位置的地层剖面参数包括：地表建筑物情况，地层的水平分层情况及各土层容重γ、弹性模量E、泊松比μ、黏聚力c及内摩擦角

地下水位高度。

优选地，于步骤一中，根据地质勘查资料统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况包括：溶洞平均横向宽度x_溶洞、平均纵向长度y_溶洞、平均高度z_溶洞、溶洞平均填充率a、填充物容重γ_充填，溶洞与隧道的相对位置关系(上部、平行、下部)。

优选地，于步骤一中，根据溶洞基本特征及分布情况获得代表性溶洞及对应参数包括：假设代表性溶洞为长方体，其几何尺寸与溶洞平均横向宽度x_溶洞、平均纵向长度y_溶洞、平均高度z_溶洞相等；代表性溶洞的容重γ_溶洞为：

γ_溶洞＝c*γ_充填

代表性溶洞与隧道轮廓线的距离表示为d，其与隧道的相对位置关系可以简化为位于隧道正上方，与隧道平行，位于隧道正下方。

优选地，于步骤一中，根据施工设计资料获取盾构施工参数包括：隧道埋深H、隧道穿越地层时倾角θ、盾构管片内外径、单环管片长度L_衬砌、衬砌密度、泊松比、弹性模量；盾构机主体密度、主体长度L_盾构、设计开挖直径R_隧；注浆材料密度、泊松比、弹性模量。

优选地，于步骤二中，在数值模拟软件中建立相应的三维有限元计算模型尺寸如下：三维有限元模型的横向宽度X和高度Z应大于隧道开挖影响范围，即大于6倍隧道开挖直径R_隧，满足以下公式：

X_模≥6R_隧，Z_模≥6R_隧

模型的纵向长度Y需满足模拟盾构机主体穿越代表性溶洞全过程的需求，即大于2倍盾构机主体长度L_盾构与溶洞纵向长度y_溶洞之和，满足以下公式：

Y_模≥2L_盾构+y_溶洞

优选地，于步骤三中，在上述地层有限元模型基础上，根据隧道埋深H以及设计开挖直径R_隧确定隧道的外轮廓线，并通过代表性溶洞与隧道的相对位置关系及距离d在对应位置将原有土体模型替换为代表性溶洞模型，构建地层-溶洞有限元模型。

优选地，于步骤四中，在上述地层-溶洞有限元模型基础上，根据盾构施工参数建立隧道衬砌模型，盾壳模型以及注浆层模型，通过隧道埋深将上述模型进行组合，并在模拟开挖过程中逐步对原有土体模型进行替换。

优选地，于步骤四中，所述对盾构掘进过程进行模拟，应沿着隧道掘进方向，即Y方向。具体包括：

a)隧道开挖前，先进行已有溶洞地层的岩土体自重应力场计算以达到模型的初始应力平衡；

b)选择距离边界1倍开挖直径R_隧的位置进行开挖模拟，以消除开挖对边界条件的影响，将相应位置土体替换为注浆层模型及衬砌模型。移除与盾构机主机等长的土体模型并替换为盾壳模型。

c)每步推进一个单环管片长度L_衬砌，移除该位置的土体模型并替换为等长的盾壳模型，将位于盾尾的盾壳模型替换为等长的衬砌模型和注浆层模型，保证推进过程中盾壳模型长度不变。

d)重复步骤a-c，直至盾构隧道开挖完成。

于步骤五中，获得隧道开挖Y方向的模型剖面图，采用等效塑性应变(PEEQ)描述隧道周边围岩的塑性变形，将该塑性变形范围内距隧道轮廓的最远垂直距离定义为塑性变形最大距离d_max，首先计算当代表性溶洞与隧道轮廓线的距离d较小时的数值模拟结果，若塑性变形最大距离d_max大于或等于距离d，则增大距离d重新计算，直至满足塑性变形最大距离d_max小于代表性溶洞与隧道距离d，此时该距离d即为盾构隧道周边溶洞处理范围。

更优选地，上述步骤中所述的有限元计算模型中均采用实体模型进行模拟，其中土体的本构模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，注浆层、盾壳、衬砌模型采用理想弹性模型。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.基于数值模拟方法形成一套可用于工程实践的盾构隧道周边溶洞处理范围判断方法，操作简单且具备理论依据，相较于工程经验判断及简单理论计算能考虑更真实的工程情况。

2.通过本发明获得的盾构隧道周边溶洞处理范围更为准确，贴合工程需要，可以达到节省后续施工成本的目的。

附图说明

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法的步骤流程图。

图2为本发明步骤一中隧道周边溶洞统计方法示意图。

图3为本发明步骤四中隧道衬砌模型，盾壳模型以及注浆层模型示意图。

图4为本发明实施例中地层-溶洞-隧道有限元模型示意图。

图5为本发明步骤四中数值模拟盾构掘进穿越溶洞过程的剖面示意图。

图6为本发明实施例中代表性溶洞与隧道位置关系的空间示意图。

图7为本发明步骤五中定义的隧道周围塑性变形范围、塑性变形最大距离d_max、代表性溶洞与隧道距离d示意图。

图8为本发明实施例中当代表性溶洞位于隧道正下方且距离d为1m时塑性变形最大距离的示意图。

图9为本发明实施例中当代表性溶洞位于隧道正下方且距离d分别为2m、2.5m、3m时塑性变形最大距离变化的示意图。

图10为本发明实施例中当代表性溶洞位于隧道正上方且距离d分别为2m、2.5m、3m时塑性变形最大距离变化的示意图。

图11为本发明实施例中当代表性溶洞位于隧道侧方且距离d分别为2.5m、3m时塑性变形最大距离变化的示意图。图12为本发明实施例步骤五过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

实施例：

某工程盾构掘进范围内地层主要为粘土、粉质粘土、中风化泥质灰岩(破碎)以及中风化花岗岩(破碎)。盾构隧道穿越中风化泥质灰岩岩溶区段，围岩等级以IV～V级为主，区间内岩溶发育。岩溶洞隙主要沿岩层层面及节理面发育，数量较多，多呈串珠状。溶洞高度在0～3m之间的溶洞占84％，溶洞充填率为65％～95％，平均充填率达75％，充填物主要为软塑～可塑状黏土、粉质粘土，局部夹泥质灰岩碎块。本方法通过数值模拟获得代表性溶洞对隧道周边围岩塑性变形的影响范围，进而确定盾构隧道周边溶洞的处理范围，具体地参见附图1，包括以下步骤：

步骤一：根据地质勘查资料获得隧道所在位置的地层剖面参数；统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况，获得代表性溶洞及对应参数；根据施工设计资料获取盾构施工参数。

步骤二：根据地层剖面参数在数值模拟软件中建立三维有限元计算模型。

步骤三：根据代表性溶洞及对应参数，构建地层-溶洞有限元模型。

步骤四：根据盾构施工参数，构建地层-溶洞-隧道有限元模型，模拟盾构掘进过程。

步骤五：改变代表性溶洞与隧道轮廓线的距离及相对位置，利用有限元计算得到 隧道模型周边的塑性变形最大距离，进而获得盾构隧道溶洞处理范里。

步骤一具体包括以下步骤：

(1-1)根据地质勘查资料获取隧道所在位置的地层剖面参数：隧道所在地层由上往下依次为杂填土(3.4m)、粉质粘土(7.6m)和中风化泥质灰岩(39m)，各土层及溶洞填充物的密度、弹性模量、泊松比及内摩擦角见下表1，地表无重要建筑物，且不需要考虑地下水的影响。

表1各地层物理力学参数表

(1-2)根据地质勘查资料统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况：隧道周边溶洞的平均横向宽度x_溶洞为3m、平均纵向长度y_溶洞为6m、平均高度z_溶洞为3m、溶洞平均填充率c为75％、填充物容重γ_充填见上表1，溶洞在隧道的三方向(正上方、平行、正下方)均有分布，参见附图2。

(1-3)根据溶洞基本特征及分布情况获得代表性溶洞及对应参数包括：代表性溶洞为长方体，其横向宽度x_溶洞为3m、纵向长度y_溶洞为6m、高度z_溶洞为3m，容重γ_溶洞＝c*γ_充填＝9.6kN/m³，代表性溶洞与隧道轮廓线的距离为d，首先假设d＝1.0m，后续需分别计算代表性溶洞位于隧道正上方，与隧道平行，位于隧道正下方三种情况。

(1-4)根据施工设计资料获取盾构施工参数：隧道埋深H为21.9m，隧道穿越地层时倾角θ为0°；盾构管片外径为6.2m，内径为5.5m，单环管片长度L_衬砌为1.2m，衬砌密度为2500kg/m³，泊松比为0.3，弹性模量为3×10⁴MPa；盾构机主体重量为360t，主体长度L_盾构为8.4m，将盾构机主体质量简化为等重的盾壳质量，即盾构机主体密度为18000kg/m³，设计开挖直径R_隧为6.41m；注浆层厚度为0.105m，密度为2100kg/m³，泊松比为0.2，弹性模量为1.5MPa。

步骤二具体包括以下步骤：

(2-1)确定计算模型尺寸：三维有限元模型的横向宽度X和高度Z应大于隧道开挖影响范围，即大于6倍隧道开挖直径R_隧，即大于36m，因此模型宽度X为40m，高度Z为50m；模型的纵向长度Y需满足模拟盾构机主体穿越代表性溶洞全过程的需求，即大于2倍盾构机主体长度L_盾构与溶洞纵向长度y_溶洞之和，并考虑两侧为消除开挖对边界条件影响所预留的长度(1倍隧道开挖直径R_隧)，因此模型纵向长度为42m，综上，本模型尺寸为X×Y×Z＝40m×42m×50m。

(2-2)根据地层剖面建立三维有限元计算模型：在数值模拟软件中建立相应尺寸的有限元计算模型，其地层高度划分从上至下分别为杂填土3.4m，粉质粘土7.6m，中风化泥质灰岩(破碎)39m，各土层的物理力学参数参考表1，其本构模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，采用八结点线性六面体单元对计算模型进行网格划分。

步骤三具体内容如下：在上述地层有限元模型基础上，根据隧道埋深H以及设计开挖直径R_隧确定隧道的外轮廓线，并通过代表性溶洞与隧道轮廓线的距离d在对应位置将原有土体模型替换为代表性溶洞模型，分别建立溶洞位于隧道正上方，与隧道平行，位于隧道正下方三种情况的地层-溶洞有限元模型。

步骤四具体包括以下步骤：

(4-1)构建地层-溶洞-隧道有限元模型：在上述地层-溶洞有限元模型基础上，根据盾构施工参数建立隧道衬砌模型，盾壳模型以及注浆层模型，均采用理想弹性模型进行构建，参见附图3，并通过隧道埋深H将上述模型进行组合，参见附图4。

(4-2)盾构掘进过程模拟：盾构掘进过程模拟应沿着隧道掘进方向，即Y方向。其具体包括：

4-2-a)初始应力平衡：隧道开挖前，先进行已有溶洞地层的岩土体自重应力场计算以达到模型的初始应力平衡；

4-2-b)开挖边界选择：选择距离边界1倍开挖直径R_隧(6.41 m)的位置进行开挖模拟，以消除开挖对边界条件的影响，将相应位置土体模型替换为注浆层模型及衬砌模型，移除与盾构机主机等长(8.4m)的土体模型，并将其替换为盾壳模型。

4-2-c)掘进过程的模拟：开挖沿着Y轴正方向推进，溶洞位于开挖至18m处，盾构开挖过程共18步，每步推进一个单环管片长度L_衬砌(1.2m)，移除该位置的土体模型，并将其替换为等长的盾壳模型，同时将位于盾尾的盾壳单元替换为等长的衬砌模型和注浆层模型，保证推进过程中盾壳模型长度为8.4m不变。

4-2-d)重复步骤a-c，直至盾构隧道开挖过程完成，需确保盾构机主体离开溶洞，参见附图5。

步骤五具体包括以下步骤，如图12所示：

(5-1)计算塑性变形范围：参见附图6，代表性溶洞与隧道轮廓线的距离d可以调节，首先计算当代表性溶洞位于隧道正下方且距离d(d＝1.0m)较小时的数值模拟结果。

(5-2)获得塑性变形范围云图：沿隧道开挖Y方向获得三维有限元模型的剖面图，采用等效塑性应变(PEEQ)描述隧道周边围岩的塑性变形，为便于判断，将图中等效塑性应变的边界值设为1×10^-6，参考附图7，此时图中隧道周边的灰色区域即为围岩的塑性变形范围。

(5-3)获得塑性变形最大距离并判断：如附图7所示，将塑性变形范围内距隧道轮廓的最远垂直距离定义为塑性变形最大距离d_max，将d_max和代表性溶洞与隧道距离d进行比较，参考附图8，由图可见此时塑性变形最大距离d_max大于溶洞距离d(＝1.0m)，需增大距离d重新计算。

(5-4)盾构隧道底部溶洞处理范围：增大距离d调整为1.5m，2.0m，2.5m，3m重新计算，最终可得，当d为3m时，隧道底部围岩的塑性变形最大距离d_max小于代表性溶洞与隧道距离d，参见附图9。因此、盾构隧道底部溶洞处理范围为3m。

(5-5)盾构隧道顶部溶洞处理范围：首先计算当代表性溶洞位于隧道正上方且距离d(d＝1.0m)较小时的数值模拟结果，并重复步骤(5-2)-(5-3)可得，当距离d为3m时，隧道顶部围岩的塑性变形最大距离d_max小于代表性溶洞与隧道距离d，参见附图10。因此、盾构隧道顶部溶洞处理范围也为3m。

(5-6)盾构隧道两侧溶洞处理范围：首先计算当代表性溶洞位于隧道侧方且距离d(d＝1.0m)较小时的数值模拟结果，并重复步骤(5-2)-(5-3)可得，当距离d为3m时，隧道两侧围岩的塑性变形最大距离d_max小于代表性溶洞与隧道距离d，参见附图11。因此、盾构隧道两侧溶洞处理范围也为3m。

综上可知，本工程盾构隧道周边溶洞的处理范围为隧道周边3m范围内。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例进行各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于包括以下五个步骤：

步骤一：根据地质勘查资料获得隧道所在位置的地层剖面参数；统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况，获得代表性溶洞及对应参数；同时，根据施工设计资料获取盾构施工参数；

步骤二：根据地层剖面参数在数值模拟软件中建立三维有限元计算模型；

步骤三：根据步骤一提供的代表性溶洞及对应参数，构建地层-溶洞有限元模型；

步骤四：根据步骤一提供的盾构施工参数，构建地层-溶洞-隧道有限元模型，模拟盾构掘进过程；

步骤五：改变代表性溶洞与隧道轮廓线的距离及相对位置，利用有限元计算得到隧道模型周边的塑性变形最大距离，进而获得盾构隧道溶洞处理范围；

所述的步骤一中，根据地质勘查资料获取隧道所在位置的地层剖面参数包括：地表建筑物情况，地层的水平分层情况及各土层容重γ、弹性模量E、泊松比μ、黏聚力c及内摩擦角φ，地下水位高度；

所述的步骤一中，根据地质勘查资料统计隧道周边溶洞的基本特征及分布情况包括：溶洞平均横向宽度x_溶洞、平均纵向长度y_溶洞、平均高度z_溶洞、溶洞平均填充率a、填充物容重γ_充填，溶洞与隧道的相对位置关系，即上部、平行、下部；

所述的步骤一中，根据溶洞基本特征及分布情况获得代表性溶洞及对应参数包括：设定代表性溶洞为长方体，其几何尺寸与溶洞平均横向宽度x_溶洞、平均纵向长度y_溶洞、平均高度z_溶洞相等；代表性溶洞的容重γ_溶洞为：

γ_溶洞＝a*γ_充填代表性溶洞与隧道轮廓线的最短距离表示为d，其与隧道的相对位置关系简化为位于隧道正上方，与隧道平行，位于隧道正下方；

所述的步骤一中，根据施工设计资料获取盾构施工参数包括：隧道埋深H、隧道穿越地层时倾角θ、盾构管片内外径、单环管片长度L_衬砌、衬砌密度、泊松比、弹性模量；盾构机主体密度、主体长度L_盾构、设计开挖直径R_隧；注浆材料密度、泊松比、弹性模量；

步骤五中，获得隧道开挖Y_模方向的模型剖面图，采用等效塑性应变即PEEQ描述隧道周边围岩的塑性变形，将该塑性变形范围内距隧道轮廓的最远垂直距离定义为塑性变形最大距离d_max，首先计算当代表性溶洞与隧道轮廓线的距离d为1m时的数值模拟结果，若塑性变形最大距离dmax大于或等于距离d，则增大距离d重新计算，直至满足塑性变形最大距离dmax小于代表性溶洞与隧道距离d，此时该距离d即为盾构隧道周边溶洞处理范围。

2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：于步骤二中，在数值模拟软件中建立相应的三维有限元计算模型尺寸如下：三维有限元模型的横向宽度X_模和高度Z_模大于隧道开挖影响范围，即大于6倍隧道开挖直径R_隧，满足以下公式：

X_模≥6R_遂，Z_模≥6R_遂

模型的纵向长度Y_模满足模拟盾构机主体穿越代表性溶洞全过程的需求，即大于2倍盾构机主体长度L_盾构与溶洞纵向长度y_溶洞之和，满足以下公式：

Y_模≥2L_盾构+y_溶洞。

3.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：于步骤三中，在上述地层有限元模型基础上，根据隧道埋深H以及设计开挖直径R_隧确定隧道的外轮廓线，并通过代表性溶洞与隧道的相对位置关系及距离d在对应位置将原有土体模型替换为代表性溶洞模型，构建地层-溶洞有限元模型。

4.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：于步骤四中，在上述地层-溶洞有限元模型基础上，根据盾构施工参数建立隧道衬砌模型，盾壳模型以及注浆层模型，通过隧道埋深将上述模型进行组合，并在模拟开挖过程中逐步对原有土体模型进行替换。

5.根据权利要求1所述的基于数值模拟的岩溶地层盾构隧道溶洞处理范围判断方法，其特征在于：于步骤四中，针对代表性溶洞与隧道的不同位置关系，即位于隧道正上方，与隧道平行，位于隧道正下方，分别进行盾构掘进过程的模拟，且沿着隧道掘进方向，即Y_模方向；具体包括：

a)隧道开挖前，先进行已有溶洞地层的岩土体自重应力场计算以达到模型的初始应力平衡；

b)选择距离边界1倍开挖直径R_隧的位置进行开挖模拟，以消除开挖对边界条件的影响，将相应位置土体替换为注浆层模型及衬砌模型；移除与盾构机主机等长的土体模型并替换为盾壳模型；

c)每步推进一个单环管片长度L_衬砌，移除该位置的土体模型替换为等长的盾壳模型，并将位于盾尾的盾壳模型替换为等长的衬砌模型和注浆层模型，保证推进过程中盾壳模型长度不变；

d)重复步骤a-c，直至盾构隧道开挖完成。

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