摘要：根据岩溶区盾构施工的特点，分析了岩溶区盾构施工引起周边地面沉降的原因。岩溶区，溶、土洞发育强烈，溶洞中富含水、沙，盾构施工很容易掘穿溶洞，引起涌水、涌沙和坍塌，造成土体固结沉降和地面沉陷;另外盾构在正常掘进过程中，造成隧道周围围岩变形，应力释放也是引起沉降的重要原因。通过Midas GTS软件对建立的典型模型进行计算分析，推导了盾构掘进在围岩应力释放和渗流两种情况下对周边环境影响程度和范围的规律，并提出相应的处理措施，为岩溶区盾构施工提供参考和建议。
关键词：岩溶区,盾构施工,应力释放,渗流,环境影响
引言
随着我国轨道交通工程的迅猛发展，盾构施工技术已经成为城市地下隧道施工的主要方法。与此同时，盾构施工引起环境问题也越来越多，地铁线路修建一般是通过城市的办公、商业、居住中心，周边建(构)筑物密集，一旦发生工程事故，影响巨大。
目前对盾构隧道施工对周边环境影响的研究主要存在以下不足：
(1)将隧道结构稳定以及地表建构筑物的安全作为主要研究对象，未从整个地层位移场进行分析考虑 [1-2]。国内研究大多针对地表上的建筑物的结构部分如柱、墙等开展研究，即只考虑了由局部位移场引起结构内力重分布的情况，未考虑场地应力及变形耦合。
(2)目前的研究主要分析了普通地层下的盾构施工，对于岩溶区的盾构施工鲜有提及，对于岩溶区施工的地层特点、计算分析、施工方法及注意事项缺少研究。
针对以上问题，在前人研究基础上，本文主要通过数值方法分析盾构施工地程中遇到的溶洞、土洞坍塌涌水、涌砂引起的地面沉降与完好地基中掘进的异同点，研究岩溶区盾构施工对周边环境的影响，提出岩溶区盾构施工的建议，为相关工程实践提供参考依据。
1 岩溶区地面沉降原因分析
形成地面沉降的两个最主要因素是：
(1) 土层应力重分布引起的地层变形：盾构施工中，隧道衬砌环与土体之间存在施工间隙，通过同步注浆填充这些空隙，如果注浆不及时或者不饱满的话，就会引起地层应力重分布，引起地层变形、地面沉降。
(2) 固结沉降：盾构掘进时对地层产生扰动，引起地下水位发生变化，使盾构隧道周围地层有效应力增加，土颗粒之间会在产生挤压，出现固结沉降。
地层应力重分布主要是施工引起，而地层固结沉降是因为孔隙水压力变化产生的。盾构法施工引起隧道周围地表总沉降为施工沉降和固结沉降之和。
岩溶区的溶洞发育大都在石灰质基岩中，溶洞以及土洞有部分没有填充物，空洞中主要是水，盾构掘进引发地基变形的原因主要有以下几点：
(1) 撑子面水土压力不平衡造成地层应力损失;
(2) 盾尾空隙和管片后注浆不足，造成地层应力重分布;
(3) 盾构机切割溶洞或土洞，造成溶、土洞涌水、涌沙，撑子面难以保持平衡，造成土层水头损失，土体固结沉降;
(4) 盾构处于上软下硬的地层条件下，盾构刀盘下部切割岩体，上部切割土体，由于掘进面土层特性不均匀，造成下部岩体，掘进缓慢，而上部切割较容易，地层应力损失较多，水头损失较大，综合影响地面沉降。
2 计算模型及参数选取
2.1 计算模型建立
计算模型如图1所示，隧道直径D=6.0m，隧道顶埋深H=9.7m，两盾构隧道中心距离为13m。地面房屋距离隧道为2.5m。土体本构采用为莫尔—库伦模型，管片混凝土本构采用弹性模型。土体单元为平面单元，管片单位为梁单元。边界条件采用链杆支座。
模型计算采用MIDIS GTS岩土模块，采用了地层结构法进行二维平面计算分析。
2.2 基本假设
(1)地层岩土材料为均质、各向同性的单一材料组成;
(2)地下水流动规律满足Darcy定律。
2.3 材料参数选取
根据隧道所处的地层，以及莫尔—库伦模型需要的计算参数，列出土层参数见表1：
2.4 计算分析工况
根据盾构在岩溶区施工的特点以及可能发生的工程风险，计算分析时主要从围岩应力释放和涌水、涌沙引起渗流两个方面进行考虑。
(1)隧道开挖时，管片后注浆不饱满，引起应力释放对周边建筑群影响，针对这种情况的分析，主要用在隧道开挖后，通过设置不同围岩应力释放比例来研究地层的变形情况，具体计算采用四种方案进行对比分析：
① 注浆效果良好，围岩应力释放10%;
② 注浆效果较好，围岩应力释放20%;
③ 注浆效果一般，围岩应力释放30%;
④ 注浆效果较差，围岩应力释放40%;
(2)岩溶区盾构施工很容易打穿溶洞，造成撑子面失衡，引起地下水的渗流，土体固结沉降，因此针对这种情况，主要分析隧道断面不同渗流量对环境的影响，计算时也设置了四种工况：
① 正常渗水量9.75m3/d;
② 2倍正常渗水量19.5m3/d;
③ 3倍正常渗水量29.25m3/d;
④ 10倍正常渗水量97.5m3/d;
3 结果分析
3.1 围岩应力释放计算结果
(1)根据管片不同注浆工况，得出管片顶部沿竖向深度四条沉降曲线(见图2)。从图中得出：
① 注浆越及时、越饱满、围岩应力释放越小，地面沉降也越小。
② 从四条沉降曲线上得出，竖向位移变化曲率突变点都在6.5m左右，隧道开挖竖向影响范围沿隧道中心一倍隧道直径范围(1D)。
(2)地面沉降沿水平向的沉降曲线见图3，从图中可知：
① 地面沉降呈现倒马鞍状，隧道正上方地面沉降最大，隧道两边地面沉降逐渐减小趋势。
② 沉降的水平影响范围达到5倍隧道直径(5D)。
3.2 渗流固结计算结果
⑴根据隧道开挖不同渗流量的分析，得出渗水量与地面沉降的关系，隧道顶土层沿竖向沉降曲线见图4。其中涌水量为97.5m3/d时，地面最大沉降为30.04mm;隧道开挖过程正常渗水量为9.75m3/d时，地面最大沉降为9.96mm;从下图中得知：
① 随着涌水量的增加，地面沉降越大，而且其引起的沉降比围岩应力释放引起的变形要大的多。
② 渗流引起的固结沉降，往往是地表的沉降最大，而靠近开挖面的变形则较小，这是由于各层土体固结在地面形成累加效应的结果。
(2) 地面沉降沿水平向的沉降曲线见图5，从图中得出：
① 两个隧道上方地面沉降最大，隧道两边地面沉降逐渐减小;随着涌水量的增加，沉降量迅速增加。
② 随着渗流量的增加，地面水平影响范围基本保持不变，水平影响范围主要与隧道埋深有关，根据图5，水平影响范围达到10倍的隧道埋深(10H)。
4 结论
(1) 岩溶区盾构施工引起的环境变化，主要隧道开挖，造成土体变形，围岩应力释放以及溶、土洞涌水、涌沙，地下水渗流两种原因造成的。地下水的渗流，土体固结沉降对周边环境的影响范围和程度都要比围岩应力释放引起的变形要大的多，造成的破坏也更严重。
(2) 围岩应力释放引起的沉降，竖向影响为隧道中心周围1倍隧道直径范围内(1D)，水平影响为5倍隧道直径范围内(5D);
(3) 渗流引起的沉降，竖向影响范围从隧道中部一直影响到地面，水平影响范围主要和隧道埋深有关，一般在10倍隧道埋深范围内(10H);
(4) 溶岩区盾构施工，遇到溶洞、上软下硬等不良地层，需要有专项施工方案。溶、土洞可采用地面注浆的方法，对其进行填充处理，防止施工时出现涌水、涌砂、坍塌情况出现;对于上软下硬地层采用注浆加固和地面钻孔爆破等措施，先期对其进行处理。
参考文献：
[1]郭军，地铁隧道开挖诱发的地表沉降对邻近建筑结构的影响研究. 硕士论文 [D] 北京工业大学. 2005.
[2]卿伟宸、廖红建、，钱春宇，地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响[J] 地下工间与工程学报. 2005, 1(6): 960–978.
