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摘 要：针对长沙地铁某线路隧道在溶洞区段的开挖问题，本文提出了一种盾构洞内超前环形预注浆的加固方法来控制溶洞区段盾构隧道的地层沉降。首先根据相关的地质资料，建立了溶洞和隧道的三维数值模型、盾构开挖模型、及注浆加固模型，采用了FLAC 3D盾构洞内超前环形预注浆加固进行了数值模拟;从地表沉降、隧道的收缩变形两个方面，对注浆控制效果进行分析，并与传统的注浆填充加固方法做了对比。结果表明，该方法在控制溶洞区段盾构隧道的地层沉降方面效果很好，而传统的注浆填充加固方法效果不理想。
关键词：盾构;预注浆加固;数值模拟
0 前言
近几年，我国发展迅速，城市规模不断扩大，长沙地铁隧道也发展迅速，而与此同时湘江地区广泛分布的溶洞也给长沙的地铁建设带来了巨大的风险和挑战。目前，已有很多学者就溶洞对隧道开挖的影响、风险、溶洞的处理措施等做了大量的工作，但是现在隧道施工方法不断改进，盾构机的使用越来越多，在处理溶洞地区的盾构隧道问题时，需要我们进一步研究。目前，注浆已普遍应用于隧道的加固中，用注浆法解决溶洞地区的隧道问题的技术在工程上也应用较多。例如：黎新亮[1]以长沙地铁3号线区间隧道为工程实际，详细介绍了溶洞的处理方案，选择在江面或地面对需要处理的溶洞进行注浆填充加固处理。钱庄等[2]人以广州地铁某区间盾构隧道施工为背景，详细分析了砂土覆盖型岩溶地层中盾构隧道施工地面注浆加固的实例。另外，也有一些盾构机与超前钻探注浆应用方面的报导：王建波[3]发明了一种盾构机超前注浆设备并申请了专利，朱英会等[4]人对钻注一体机在盾构超前注浆加固中的应用、处理流程进行了详细介绍，同时对洞内溶洞钻探、注浆加固施工的注意事项给出了建议。郭志峰[5]等以盾构下穿湿地自然保护区的岩溶地段工程为例，表明了地表注浆条件不允许的情况下，在盾构洞内对溶洞进行超前注浆填充加固的优越性。但由于盾构机本身的复杂性和不确定性，可供参考的地方还需要进一步探索。
以往的案例中，无论是从地表注浆还是结合超前钻机的盾构超前预注浆，大都是对开挖影响区内的溶洞进行填充加固处理。以往的案例中，无论是从地表注浆还是结合超前钻机的盾构超前预注浆，都是对开挖影响区內的溶洞进行填充加固处理[6]。而本文以长沙地铁4号线为工程参考，提出了一种在盾构机外围沿开挖路径向前形成一个环状保护层的预注浆模型来穿越溶洞地层，并利用有限差分软件FLAC 3D，从盾构造成的地表沉降、隧道的收缩变形两个方面，对该注浆方案进行了分析，并与传统的地表注浆填充加固方案进行了对比，旨在进一步优化溶洞地层盾构隧道的处理对策，为类似的工程提供参考。
1 工程背景
以长沙地铁某线路隧道为背景，该区段下伏石灰岩地层中，岩溶、破碎带发育较多，是该项目的重难点控制工程之一。该区段穿越主城区，采用明挖法施工势必严重影响地面交通秩序，且隧道埋深较大，因此采用了盾构法进行施工。
经现场观察，该区段虽然地层岩性复杂，岩层软硬交替频繁，破碎带较多，但场地内无影响线路稳定性的大型活动性断裂、崩塌、滑坡和泥石流、显著的地面沉降及地裂缝，岩溶作用是地质主要控制点之一。因此我们对该场地的地层进行大致归类，可分为人工填土、泥粉质粘土、粉质粘土、细砂圆砾、强风化岩、中风化岩。
该区段溶洞发育程度、大小、分布均十分复杂，溶洞的填充类型主要分为无填充、部分填充和全填充，填充物多为散碎砾石和软黏土，承载力很低，可能造成地面塌陷、盾构机陷落等工程事故。
2 模型的建立
2.1 溶洞与隧道的概化模型
根据工程实际，模拟中需要将实际问题进行简化考虑，本文取溶洞位于隧道正侧面、净距小于1倍洞径、直径与隧道相同的情况来研究，并将溶洞简化为规则的空心球体考虑。模型尺寸及溶洞与隧道的相对位置如图1所示。
如图1，结合相关工程，盾构隧道埋深取18 m，直径取6 m，溶洞直径也取6 m，两者间净距4 m。模拟的地质参数也进行简化考虑，分为水平的4层，岩土体采用摩尔库伦准则，不考虑流固耦合作用，溶洞设置为空模型。模拟所用参数如表1。另外，模型底面设置为固定约束，顶面为自由面，其他面仅约束该方向的位移。
2.2 盾构开挖的模型与实现
本文的模拟在保证精度和运算速度的前提下尽可能接近工程实际。盾构开挖模型如图2所示。
建立盾构模型时与划分的网格相契合。模型中将刀盘切削岩石、掌子面平衡的过程简化为一个个舱，分别为刀盘仓、泥水或土压平衡仓、设备舱及舱内安装的管片，为了真实模拟盾构掘进的过程，本文做了如下考虑：
（1）刀盘和平衡仓设置为弹性体模型，刀盘前掌子面设置了沿重力梯度的支护压力，刀盘切削时有挤入作用，刀盘正前方50 cm土体刚度降低20%。另外，在平衡仓与设备舱交界处利用f ix命令，来实现只在平衡仓内动态平衡。
（2）设备舱主要模拟盾构内部的设备自重。
（3）考虑盾构的超挖，本文中设置了盾构钢壳，在钢壳外设置了盾构对土体的摩擦力（如图2），且下部摩擦力最大，上部其次，侧部最小，分别用F1、F2、F3表示，忽略土体对盾构的摩擦。盾构对土体的切削摩擦也会扰动周围的土体，取盾构机外侧25 cm为扰动区，区内土体刚度降低10%。
（4）管片设置为线弹性模型，且忽略了各接头处的影响，因此将其刚度折减20%来考虑。
（5）盾尾注浆时考虑浆液随掘进硬化的过程，浆液设置初始注浆压力，硬化过程中压力降低，刚度提高。考虑浆液硬化过程中向扰动区的扩散，扰动区刚度提高5%，盾尾注浆体考虑为线弹性模型。
（6）不考虑其他因素的影响。
盾构开挖模型相关参数如表2所示。 2.3 注浆模型及假设
本文模拟了一种新型的盾构洞内超前注浆方法，该方法是盾构在开挖至溶洞区段之前，从设备舱开仓，沿盾构掘进方向，在盾构环向一周钻孔并注浆，注浆过程中施加一定的压力，边退管边注浆，最终要保证盾构周围形成一个环形的注浆加固套。
此模型中有如下考虑：
（1）注浆管的浆液扩散假设为均匀的柱状扩散，在注浆管周围一定范围内形成注浆体，且假设注浆加固有效半径不小于0.7 m，加固环假设为线弹性模型，E=150 MPa，μ=0.3。
（2）盾构环向每隔一定的距离就设置一注浆孔，最终在盾体外围形成连续的圆柱状加固环，将其简化为均匀的圆环。
（3）不考虑钻孔扰动及其他因素的影响。
3 模拟结果及分析
为了验证本文提出的盾构洞内超前环形预注浆加固在溶洞地区的应用，基于前面介绍的模型，我们利用FLAC 3D软件进行了数值模拟分析，并从盾构造成的地表沉降、隧道的收缩变形两个方面，与传统的注浆填充加固方法进行了对比。
3.1 地表沉降
在注浆填充加固和洞内超前环形预注浆加固的对比实验中，我们均在盾构掘进至y=12.5 m时实施加固（溶洞段位于y=17 m～23 m，超前环形预注浆加固段与之相同），等待注浆达到强度后再开始掘进。为了观察两种方案最终的效果，我们取盾构掘进至y=47.5 m时来研究。
以下考虑（1）有溶洞未处理，（2）无溶洞，（3）注浆填充加固处理，（4）洞内超前环形预注浆加固4种情况，对比分析了沿隧道轴线上的地表沉降情况，如图4所示。图中1、2、3、4曲线分别对应上述4种情况。
盾构掘进至y=47.5 m时，4种情况溶洞区段（y=17 m～
23 m）的位移情况如图4所示，有溶洞未处理的情况下地表沉降最大，沉降值超過了24 mm;对于溶洞进行注浆填充加固的情况，加固前地表沉降变化不大，填充加固后（y>16 m）的区段，地表沉降与没有溶洞的情况基本一致;对于洞内超前环形预注浆加固的情况，在注浆区段能有效的减小地表沉降。
隧道开挖至其它环时的情况也都与此结果类似，不再一一列举。
3.2 隧道的收缩变形
与之前相同，我们取盾构掘进至y=47.5 m时来研究。为了更明显的观察隧道的收缩变形，我们在y=20 m，即正过溶洞中心处切片。如图5、图6分别是有溶洞未处理、注浆填充加固处理、洞内超前环形预注浆加固三种情况时的盾构周围土体总位移和水平位移的云图。具体结果如表3所示。
由计算结果可以看出，由于溶洞位于隧道左侧，注浆填充很好的减小了隧道左侧土体的位移，但对上部、右侧的变形控制效果不理想;而洞内超前环形预注浆加固可以更有效的控制隧道周围土体各处的位移，效果十分显著。
4 结论
溶洞在形成的过程中，承载力逐渐降低，可将其视作一个应力释放的过程，因此溶洞上部土体的力会在应力重分配的过程中，逐渐传递到下部土层，溶洞承载力较低，则溶洞周围岩土体受上部土体的自重应力，相比溶洞形成前会增加。当隧道预开挖线侧部较近范围内有已经形成的溶洞时，采用传统的注浆方法填充加固溶洞时，虽然有一定的注浆压力，但远不能改变溶洞周围范围内隧道上部土体已增加的自重应力，因此，该方法在控制溶洞区段隧道的地层位移上效果较差;而采用洞内超前环形预注浆加固方法时，可以增强隧道周围即将发生位移的土体的刚度，从而可以有效控制溶洞区段隧道周围的地层位移，本文的模拟也给了很好的验证。因此，本文所得结论如下：
（1）溶洞的形成是一个应力释放的过程，周围岩土体所受自重应力增加，会加剧地面沉降。
（2）传统的对溶洞进行填充加固的注浆方法，远远不能抵消溶洞形成过程应力释放造成的土层应力重分布，因此，该方法在保证溶洞的坍塌、突水、防止盾构机陷落等方面有一定的效果，但在控制溶洞区段隧道周围地层的位移上效果不理想。
（3）盾构洞内超前环形预注浆方法，可以改善隧道周围即将发生位移的土体的力学性质，可以有效控制溶洞区段隧道周围的地层位移。
参考文献：
[1]黎新亮.盾构隧道穿越湘江溶洞区工程风险分析及应对措施探讨[J].铁道标准设计，2014（2）：64-70.
[2]钱庄，许烨霜，沈水龙，等.砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工地面注浆加固实例分析[J].隧道建设，2016，36（4）：479-484.
[3]王建波.一种盾构机超前注浆设备，CN202250100U[P]. 2012.
[4]朱英会，孙善辉.钻注一体机在盾构超前注浆加固中的应用[J].建筑机械化，2012，33（8）：65-67.
[5]郭志峰，郑勇，郭县华.洞内超前钻探注浆在盾构过溶洞区的施工技术[J].铁道建筑技术，2015（3）：20-24.
[6]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].人民交通出版社，2010.
关键词：盾构;预注浆加固;数值模拟
0 前言
近几年，我国发展迅速，城市规模不断扩大，长沙地铁隧道也发展迅速，而与此同时湘江地区广泛分布的溶洞也给长沙的地铁建设带来了巨大的风险和挑战。目前，已有很多学者就溶洞对隧道开挖的影响、风险、溶洞的处理措施等做了大量的工作，但是现在隧道施工方法不断改进，盾构机的使用越来越多，在处理溶洞地区的盾构隧道问题时，需要我们进一步研究。目前，注浆已普遍应用于隧道的加固中，用注浆法解决溶洞地区的隧道问题的技术在工程上也应用较多。例如：黎新亮[1]以长沙地铁3号线区间隧道为工程实际，详细介绍了溶洞的处理方案，选择在江面或地面对需要处理的溶洞进行注浆填充加固处理。钱庄等[2]人以广州地铁某区间盾构隧道施工为背景，详细分析了砂土覆盖型岩溶地层中盾构隧道施工地面注浆加固的实例。另外，也有一些盾构机与超前钻探注浆应用方面的报导：王建波[3]发明了一种盾构机超前注浆设备并申请了专利，朱英会等[4]人对钻注一体机在盾构超前注浆加固中的应用、处理流程进行了详细介绍，同时对洞内溶洞钻探、注浆加固施工的注意事项给出了建议。郭志峰[5]等以盾构下穿湿地自然保护区的岩溶地段工程为例，表明了地表注浆条件不允许的情况下，在盾构洞内对溶洞进行超前注浆填充加固的优越性。但由于盾构机本身的复杂性和不确定性，可供参考的地方还需要进一步探索。
以往的案例中，无论是从地表注浆还是结合超前钻机的盾构超前预注浆，大都是对开挖影响区内的溶洞进行填充加固处理。以往的案例中，无论是从地表注浆还是结合超前钻机的盾构超前预注浆，都是对开挖影响区內的溶洞进行填充加固处理[6]。而本文以长沙地铁4号线为工程参考，提出了一种在盾构机外围沿开挖路径向前形成一个环状保护层的预注浆模型来穿越溶洞地层，并利用有限差分软件FLAC 3D，从盾构造成的地表沉降、隧道的收缩变形两个方面，对该注浆方案进行了分析，并与传统的地表注浆填充加固方案进行了对比，旨在进一步优化溶洞地层盾构隧道的处理对策，为类似的工程提供参考。
1 工程背景
以长沙地铁某线路隧道为背景，该区段下伏石灰岩地层中，岩溶、破碎带发育较多，是该项目的重难点控制工程之一。该区段穿越主城区，采用明挖法施工势必严重影响地面交通秩序，且隧道埋深较大，因此采用了盾构法进行施工。
经现场观察，该区段虽然地层岩性复杂，岩层软硬交替频繁，破碎带较多，但场地内无影响线路稳定性的大型活动性断裂、崩塌、滑坡和泥石流、显著的地面沉降及地裂缝，岩溶作用是地质主要控制点之一。因此我们对该场地的地层进行大致归类，可分为人工填土、泥粉质粘土、粉质粘土、细砂圆砾、强风化岩、中风化岩。
该区段溶洞发育程度、大小、分布均十分复杂，溶洞的填充类型主要分为无填充、部分填充和全填充，填充物多为散碎砾石和软黏土，承载力很低，可能造成地面塌陷、盾构机陷落等工程事故。
2 模型的建立
2.1 溶洞与隧道的概化模型
根据工程实际，模拟中需要将实际问题进行简化考虑，本文取溶洞位于隧道正侧面、净距小于1倍洞径、直径与隧道相同的情况来研究，并将溶洞简化为规则的空心球体考虑。模型尺寸及溶洞与隧道的相对位置如图1所示。
如图1，结合相关工程，盾构隧道埋深取18 m，直径取6 m，溶洞直径也取6 m，两者间净距4 m。模拟的地质参数也进行简化考虑，分为水平的4层，岩土体采用摩尔库伦准则，不考虑流固耦合作用，溶洞设置为空模型。模拟所用参数如表1。另外，模型底面设置为固定约束，顶面为自由面，其他面仅约束该方向的位移。
2.2 盾构开挖的模型与实现
本文的模拟在保证精度和运算速度的前提下尽可能接近工程实际。盾构开挖模型如图2所示。
建立盾构模型时与划分的网格相契合。模型中将刀盘切削岩石、掌子面平衡的过程简化为一个个舱，分别为刀盘仓、泥水或土压平衡仓、设备舱及舱内安装的管片，为了真实模拟盾构掘进的过程，本文做了如下考虑：
（1）刀盘和平衡仓设置为弹性体模型，刀盘前掌子面设置了沿重力梯度的支护压力，刀盘切削时有挤入作用，刀盘正前方50 cm土体刚度降低20%。另外，在平衡仓与设备舱交界处利用f ix命令，来实现只在平衡仓内动态平衡。
（2）设备舱主要模拟盾构内部的设备自重。
（3）考虑盾构的超挖，本文中设置了盾构钢壳，在钢壳外设置了盾构对土体的摩擦力（如图2），且下部摩擦力最大，上部其次，侧部最小，分别用F1、F2、F3表示，忽略土体对盾构的摩擦。盾构对土体的切削摩擦也会扰动周围的土体，取盾构机外侧25 cm为扰动区，区内土体刚度降低10%。
（4）管片设置为线弹性模型，且忽略了各接头处的影响，因此将其刚度折减20%来考虑。
（5）盾尾注浆时考虑浆液随掘进硬化的过程，浆液设置初始注浆压力，硬化过程中压力降低，刚度提高。考虑浆液硬化过程中向扰动区的扩散，扰动区刚度提高5%，盾尾注浆体考虑为线弹性模型。
（6）不考虑其他因素的影响。
盾构开挖模型相关参数如表2所示。 2.3 注浆模型及假设
本文模拟了一种新型的盾构洞内超前注浆方法，该方法是盾构在开挖至溶洞区段之前，从设备舱开仓，沿盾构掘进方向，在盾构环向一周钻孔并注浆，注浆过程中施加一定的压力，边退管边注浆，最终要保证盾构周围形成一个环形的注浆加固套。
此模型中有如下考虑：
（1）注浆管的浆液扩散假设为均匀的柱状扩散，在注浆管周围一定范围内形成注浆体，且假设注浆加固有效半径不小于0.7 m，加固环假设为线弹性模型，E=150 MPa，μ=0.3。
（2）盾构环向每隔一定的距离就设置一注浆孔，最终在盾体外围形成连续的圆柱状加固环，将其简化为均匀的圆环。
（3）不考虑钻孔扰动及其他因素的影响。
3 模拟结果及分析
为了验证本文提出的盾构洞内超前环形预注浆加固在溶洞地区的应用，基于前面介绍的模型，我们利用FLAC 3D软件进行了数值模拟分析，并从盾构造成的地表沉降、隧道的收缩变形两个方面，与传统的注浆填充加固方法进行了对比。
3.1 地表沉降
在注浆填充加固和洞内超前环形预注浆加固的对比实验中，我们均在盾构掘进至y=12.5 m时实施加固（溶洞段位于y=17 m～23 m，超前环形预注浆加固段与之相同），等待注浆达到强度后再开始掘进。为了观察两种方案最终的效果，我们取盾构掘进至y=47.5 m时来研究。
以下考虑（1）有溶洞未处理，（2）无溶洞，（3）注浆填充加固处理，（4）洞内超前环形预注浆加固4种情况，对比分析了沿隧道轴线上的地表沉降情况，如图4所示。图中1、2、3、4曲线分别对应上述4种情况。
盾构掘进至y=47.5 m时，4种情况溶洞区段（y=17 m～
23 m）的位移情况如图4所示，有溶洞未处理的情况下地表沉降最大，沉降值超過了24 mm;对于溶洞进行注浆填充加固的情况，加固前地表沉降变化不大，填充加固后（y>16 m）的区段，地表沉降与没有溶洞的情况基本一致;对于洞内超前环形预注浆加固的情况，在注浆区段能有效的减小地表沉降。
隧道开挖至其它环时的情况也都与此结果类似，不再一一列举。
3.2 隧道的收缩变形
与之前相同，我们取盾构掘进至y=47.5 m时来研究。为了更明显的观察隧道的收缩变形，我们在y=20 m，即正过溶洞中心处切片。如图5、图6分别是有溶洞未处理、注浆填充加固处理、洞内超前环形预注浆加固三种情况时的盾构周围土体总位移和水平位移的云图。具体结果如表3所示。
由计算结果可以看出，由于溶洞位于隧道左侧，注浆填充很好的减小了隧道左侧土体的位移，但对上部、右侧的变形控制效果不理想;而洞内超前环形预注浆加固可以更有效的控制隧道周围土体各处的位移，效果十分显著。
4 结论
溶洞在形成的过程中，承载力逐渐降低，可将其视作一个应力释放的过程，因此溶洞上部土体的力会在应力重分配的过程中，逐渐传递到下部土层，溶洞承载力较低，则溶洞周围岩土体受上部土体的自重应力，相比溶洞形成前会增加。当隧道预开挖线侧部较近范围内有已经形成的溶洞时，采用传统的注浆方法填充加固溶洞时，虽然有一定的注浆压力，但远不能改变溶洞周围范围内隧道上部土体已增加的自重应力，因此，该方法在控制溶洞区段隧道的地层位移上效果较差;而采用洞内超前环形预注浆加固方法时，可以增强隧道周围即将发生位移的土体的刚度，从而可以有效控制溶洞区段隧道周围的地层位移，本文的模拟也给了很好的验证。因此，本文所得结论如下：
（1）溶洞的形成是一个应力释放的过程，周围岩土体所受自重应力增加，会加剧地面沉降。
（2）传统的对溶洞进行填充加固的注浆方法，远远不能抵消溶洞形成过程应力释放造成的土层应力重分布，因此，该方法在保证溶洞的坍塌、突水、防止盾构机陷落等方面有一定的效果，但在控制溶洞区段隧道周围地层的位移上效果不理想。
（3）盾构洞内超前环形预注浆方法，可以改善隧道周围即将发生位移的土体的力学性质，可以有效控制溶洞区段隧道周围的地层位移。
参考文献：
[1]黎新亮.盾构隧道穿越湘江溶洞区工程风险分析及应对措施探讨[J].铁道标准设计，2014（2）：64-70.
[2]钱庄，许烨霜，沈水龙，等.砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工地面注浆加固实例分析[J].隧道建设，2016，36（4）：479-484.
[3]王建波.一种盾构机超前注浆设备，CN202250100U[P]. 2012.
[4]朱英会，孙善辉.钻注一体机在盾构超前注浆加固中的应用[J].建筑机械化，2012，33（8）：65-67.
[5]郭志峰，郑勇，郭县华.洞内超前钻探注浆在盾构过溶洞区的施工技术[J].铁道建筑技术，2015（3）：20-24.
[6]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].人民交通出版社，2010.