引言
我国国土面积非常广阔，水文地质条件相当复杂，岩溶分布面积在世界排名第一，岩溶这种不良的地质现象在我国很多省份是普遍存在的，在岩溶区域分布较广地区建设地铁工程，穿越岩溶地层成为不可避免的问题，在地铁隧道开挖过程中，往往会遇到岩溶溶洞等不良地质条件，如果不对这些溶洞进行处理，当盾构机穿越这些溶洞时，可能会造成地表产生较大沉降、盾构机栽头、隧道内结构破坏等事故，甚至可能造成隧道塌陷、人员伤亡等，这是地铁工程建设面临非常大的困难和风险，针对盾构隧道穿越岩溶区的一系列安全问题，国内外学者研究进行了大量的研究，代永文等以南京至句容城际轨道交通工程为背景，研究了底溶洞的大小以及底溶洞与隧道的距离对围岩稳定性的影响，崔庆龙等提出了一种岩溶洞穴处理程序，来降低岩溶地区盾构隧道施工过程中的潜在危险，并详细介绍了岩溶洞穴治理的处理标准和灌浆材料，钟志全等依托某地铁隧道两站区间下穿建筑物工程。
分析了盾构掘进时建筑物下方溶洞的存在对建筑物的影响，得到了有溶洞时的盾构隧道开挖引起建筑物的沉降增大为无溶洞时盾构隧道开挖引起建筑物沉降的2~3倍的结论，李金奎等依托大连地铁5号线后后区间工程，采用MIDASGTS数值模拟软件，分析了盾构隧道在掘进过程中溶洞对地表沉降和隧道围岩的影响，并对比了溶洞处理前后盾构隧道接近溶洞过程中拱腰等变形情况，李术才等提出了岩溶隧道渗流通道综合治理的关键技术，采取方法系统地评价岩溶隧道突水的风险，并通过数值模拟软件对其有效性进行了验证，程巧建、李小利等认为采用物探、雷达探测等多种方式测定溶洞，确定溶洞的形态和大小是合理且必要的，李慎奎等、吕延豪等分别根据武汉地区和长江地区的岩溶治理问题。
提出了帷幕注浆和溶洞充填注浆等措施的可行性，张聪等通过室内试验和现场原型试验，得到了TGM是一种比较理想的水下岩溶越江盾构隧道注浆材料，梅恒等依托济南地铁Ｒ1号线工程，研究了注浆技术，通过试验确定了注浆材料的最佳配比，并综合评价了注浆效果，目前的研究中对溶洞的位置、形状和大小的探测，注浆材料和注浆技术以及空溶洞对隧道开挖的影响的研究较为完善，但是对注浆加固范围和原则以及溶洞注浆加固对盾构隧道开挖的影响的研究很少。
为此本研究依托深圳地铁16号线盾构隧道穿越岩溶溶洞工程，采用数值计算分析方法，建立溶洞注浆加固对地铁盾构隧道建设安全影响的力学计算模型，综合考虑岩溶溶洞注浆加固的空间属性，重点研究不同位置处溶洞注浆加固前后对地铁盾构隧道稳定性的影响作用。
工程概况
深圳市城市轨道交通16号线起自龙岗区大运站，止于坪山区田心站，正线全长29.2km全部采用地下敷设方式，全线设车站23座区间25段，全线各车站主要采用明挖法施工，其中换乘站共9座，区间为盾构法施工，线路穿越岩溶地段范围较大，且岩溶较为发育存在上软下硬，盾构姿态控制施工难度较大，地质较为复杂。
其中，从大运站至同乐村站的15.3km中有13.3km穿越石灰岩地层，田心车辆段岩溶发育区面积15.2万m2，岩溶发育程度高，溶洞规模大，以无填充和部分填充为主，从详勘揭示的岩溶地层看，正线岩溶段钻孔720个，揭露溶洞钻孔269个，平均见洞率为37.36％，龙东村站的见洞率最大为66.67％，洞高2~5m的溶洞占39.5％，溶洞大于5m的占16.7％。尤其在龙岗大范围存在岩溶不良地质体溶蚀、溶洞发育且分布不规律对隧道施工具有一定的影响，回龙埔站至同乐村站的溶洞见洞率如图所示。
回龙埔站至同乐村站溶洞见洞率
数值计算模型与分析方法
1. 数值计算模型
根据地质条件和本工程的实际情况，本次数值模拟采用有限差分软件FLAC3D建立了三维计算模型，隧道开挖采用大直径盾构隧道开挖管片厚度为0.4m开挖直径为8.0m、洞高为5.０m、埋深为30.6m，考虑到相关的尺寸，效应模型边界到盾构隧道边界的距离均须大于3倍的隧道洞径，模型的最终尺寸如下：长度为70m、宽度为100m、高度为70m，本次数值模拟注浆区域划分为充填层和3个注浆加固层，并考虑了注浆加固对不同位置盾构隧道的影响，分别建立了溶洞位于盾构隧道上方、下方和侧方为１、2、3、4、5m的数值模型。共计15个数值计算模型，本次模拟将溶洞断面简化为圆形截面，如图2所示为溶洞位于盾构隧道上方4m的数值模型计算剖面图。因模型数量较多，其他位置的数值计算模型与图2所示的数值计算模型相似。本模型未考虑地下水的影响，主要分析不同位置处溶洞注浆加固前后对地铁盾构隧道稳定性的影响。
数值计算模型
2. 材料力学参数
根据地质勘探报告以及相应数值模拟的经验，地层为微风化灰岩充填层和注浆加固层采用水泥砂浆，盾构隧道管片采用C50混凝土，地层模型采用摩尔库伦模型充填层、注浆加固层采用应变硬化模型，盾构管片衬砌采用线弹性模型，各材料力学参数选取情况如表所示。
3. 数值计算分析方法
数值计算方法如下:
（1）边界条件：模型左右边界、前后边界约束法向方向位移，底部边界约束竖直方向位移，模型岩土顶部为自由面。
（2）地应力平衡：设置自由落体的加速度9.8m/s2，模型顶部自由面设置均布荷载40kPa，地应力平衡之后进行溶洞注浆加固模拟。
（3）溶洞形状和大小的选取：对于洞径较小的溶洞，溶洞断面一般为圆形、似圆形，为了方便建模和数值计算分析，本次模拟假定溶洞的断面为圆形，根据深圳地铁16号线工程实际情况，洞高2-5m的溶洞占39.5％，大于5m的溶洞占16.7％，选择临界值5m作为本次数值模拟的溶洞洞径大小进行计算。
（4）溶洞处理方法：采用溶洞注浆加固的方法，采用水泥砂浆为注浆材料，对溶洞进行注浆加固，并考虑浆液的扩散效应，将注浆加固区域划分为3部分，3个注浆加固层的宽度分别为0.5、1、2m。
（5）开挖方法：采用盾构方式开挖，开挖直径为8.0m，开挖后随即进行管片支护，管片厚度为40cm。
（6）重力荷载均采用重力的方式施加。
具体施工步骤如图所示。
施工步骤详图
数值计算结果分析
1. 地表沉降分析
下图分别给出了盾构隧道穿越溶洞竖向位移云图和地表沉降曲线图，由图可知：
（1）在对溶洞未进行注浆加固的情况下，任意位置的盾构隧道在溶洞与隧道距离1m处开挖时引起的地表沉降均为最大，尤其是盾构隧道在侧方穿越溶洞时，引起的地表沉降的变形量最大了，这可能是由于隧道距离溶洞较近，间接增大了隧道的开挖区域，随着溶洞与隧道距离的增加，地表沉降变形量不断减小。
盾构隧道穿越溶洞竖向位移云图
（2）在对溶洞进行注浆加固的情况下，地表沉降降低，其中当盾构隧道在溶洞侧方穿过的情况下地表沉降变化量较为显著，地表的沉降分别由原来的160、150、147.79、147.53、118.8mm降低为14.52、17.44、20.44、23.62、26.32mm，分别减少了90.9％、88.4％、86.2％、84.0％、77.8％。
（3）随着溶洞与隧道距离的增加，注浆效果逐渐减弱，地表沉降略有增大这可能是因为对溶洞注浆加固后，水泥砂浆的自身重力等给地层增加了荷载使地表沉降增大。
地表沉降曲线图
2. 隧道结构变形分析
选择盾构隧道的拱顶、左拱腰、右拱腰、拱底作为特征点进行隧道沉降分析，溶洞注浆加固前后，位于溶洞不同位置的盾构隧道的拱顶竖向位移曲线、拱底竖向位移曲线、左拱腰竖向位移曲线、右拱腰竖向位移曲线如图所示。
由图可知，对溶洞未进行注浆加固的情况下，隧道围岩的拱顶竖向位移均较大，尤其是侧方溶洞对拱顶竖向位移的影响最大，这与苏峰等，认为侧溶洞对隧道周边土体稳定性影响最大，是一致的，上方溶洞对拱顶竖向位移的影响次之，下方溶洞对拱顶竖向位移的影响最小。在溶洞与隧道的距离较近时，围岩拱顶沉降较大，隧道基本上处于塌陷状态，随着距离的增大，隧道围岩拱顶沉降逐渐减小并趋向稳定。在对溶洞进行注浆加固的情况下，拱顶沉降明显降低，其中侧穿时围岩的拱顶平均沉降由溶洞未注浆加固时的203.1mm降低为55.4mm，降低72.7％，下穿时围岩拱顶的平均沉降由溶洞未注浆加固时67.0mm降低为25.7mm，降低61.6％，上穿时围岩拱顶的平均沉降由溶洞未注浆加固时的37.4mm降低为30.4mm，降低18.7％，当溶洞位于隧道侧方时，溶洞的注浆加固对隧道围岩拱顶沉降的改善最明显。
拱顶竖向位移曲线图
由下图可知，隧道开挖引起围岩拱底产生了竖向位移，也就是隆起，围岩拱底的隆起变形以隧道侧穿溶洞时最大，最大变形为67.54mm，并且随着溶洞与隧道距离的增加。拱底的竖向位移也略有增加，但基本保持平稳，从曲线可以看出，侧方溶洞对拱底竖向位移的影响最大。上方溶洞对拱底竖向位移的影响次之，下方溶洞对拱底竖向位移的影响最小，但是上方溶洞注浆加固对拱底竖向位移的改善效果并不明显，仍以侧方溶洞注浆加固效果最明显，下方溶洞次之。
拱顶竖向位移曲线图
由下图可知，隧道开挖引起围岩左右拱腰的竖向位移基本一致，但以位于溶洞近的一侧的拱腰的竖向位移较大，对溶洞注浆加固后的拱腰的竖向位移的变化规律与拱顶的竖向位移的变化规律也基本一致，随着溶洞与隧道距离的增大，左右拱腰的竖向位移呈现收敛趋势。
左拱腰竖向位移曲线图
右拱腰竖向位移曲线图
3. 隧道管片应力分析
盾构隧道管片最大主拉应力和最大主压应力分布见表，从整体上看，隧道管片的最大主拉应力和最大主压应力主要集中在隧道的拱顶、拱腰、和拱底。
由表可知，当溶洞位于隧道下方5m处时，管片上的应力为较小的压应力，对管片的影响很小所以可以忽略，在溶洞位于隧道上方的情况下，设溶洞与隧道之间的距离为ｓ，当ｓ≤3m时，隧道管片的最大主拉应力主要出现在拱顶附近，当ｓ≥3m时，隧道管片的最大主拉应力则主要出现在拱底附近位置，最大主拉应力为1.622MPa，低于C50混凝土的抗拉强度1.89MPa，所以管片结构较安全，发生受拉破坏的可能性很小，在溶洞位于隧道侧方的情况下，当ｓ≤3m时，隧道管片的最大主拉应力主要出现在拱腰且靠近溶洞一侧的附近位置，当ｓ≥3m时，隧道管片的最大主拉应力则主要出现在拱顶和拱底附近位置，因当1m≤ｓ≤3m时，溶洞注浆加固前最大主拉应力分别为3.125MPa和1.807MPa，均大于或接近C50混凝土的抗拉强度1.89MPa，溶洞注浆加固后最大主拉应力减少为0.659、0.882MPa，很大程度上降低了管片受拉破坏的可能性。因此，当隧道在溶洞侧方穿过时，对溶洞进行注浆加固处理，是非常有必要的。在溶洞位于隧道下的情况下，隧道管片的最大主拉应力主要出现在拱底附近位置溶洞的注浆加固处理也在一定程度上降低了管片的最大主拉应力。
由下表可知，在溶洞位于隧道上方的情况下，隧道管片的最大主压应力主要出现在拱腰附近位置，溶洞位于隧道侧方的情况下，隧道管片的最大主压应力主要出现在拱腰靠近溶洞一侧附近位置，在溶洞位于隧道下的情况下，隧道管片的最大主压应力主要出现在拱腰上方附近位置，所以对拱腰位置管片进行有效加固。实施足够的支撑，是非常有必要的，从表2中可以看出，溶洞注浆加固前后管片最大主压应力均小于C50混凝土的抗压强度50MPa。但溶洞注浆加固后在一定程度上也降低了隧道管片的最大主压应力。
4. 塑性破坏区分析
因模型数量较多ꎬ溶洞与隧道的距离越近，溶洞注浆加固前后塑性破坏区的变化越明显，所以仅选取溶洞与隧道相距1m的情况说明溶洞注浆加固对围岩塑性破坏区的影响，溶洞注浆加固前后围岩的塑性破坏区分布如图所示。由图可知：溶洞注浆加固以后，盾构隧道周围的塑性破坏区得到明显改善，以盾构隧道侧穿和下穿溶洞时围岩塑性破坏区的变化最为明显，所以溶洞注浆加固改善了围岩受拉、受剪状态、围岩的整体稳定性得到显著提高。
盾构隧道穿越溶洞塑性破坏区云图
结语
依托深圳地铁16号线盾构隧道穿越岩溶区工程，基于FLAC3D数值计算软件，建立溶洞注浆加固对地铁盾构隧道建设安全影响的力学计算模型，综合考虑岩溶溶洞注浆加固的空间属性，重点研究了溶洞注浆加固对不同盾构隧道开挖位置的影响，得出以下结论：
（1）随着溶洞与隧道距离的增加，盾构隧道开挖受未注浆加固溶洞的影响越来越小，但是在近距离穿越溶洞时，相比于上穿和下穿，侧穿未注浆加固溶洞对隧道围岩的稳定性影响最大，因此若有类似工程，应尽可能避免近距离侧穿未注浆加固的溶洞。
（2）相比于对溶洞不进行处理的盾构隧道开挖，溶洞的注浆加固处理可以有效地控制地表沉降，在很大程度上降低了隧道围岩的变形量，极大的减小了盾构隧道开挖时围岩坍塌的可能性，提高了隧道围岩的整体稳定性。但是盾构隧道的穿越位置不同，溶洞注浆加固效果的效果也有所差异，侧穿时的溶洞的注浆加固对地表沉降和围岩变形的控制最明显。
（3）相比于对溶洞不进行处理的盾构隧道开挖支护，溶洞的注浆加固在一定程度上改善了盾构隧道管片的受力状态，降低了衬砌结构破坏的可能性。