頂部溶洞對貴陽軌道交通隧道圍巖變形及襯砌內(nèi)力研究分析

（貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550003）

1 引言

隨著西南地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)不斷的發(fā)展，越來越多的城市開始修建城市軌道交通來滿足人們的交通需求，但是如何處理和規(guī)避城市隧道開挖過程中所遭遇的巖溶災(zāi)害問題是難點。在巖溶發(fā)育地區(qū)隧道施工過程中，不可避免會遇到許多溶洞，這些溶洞一般分為露出型溶洞和隱伏溶洞[1]。露出型溶洞指在隧道開挖過程中溶洞已經(jīng)侵入了開挖輪廓線以內(nèi)，而隱伏溶洞則在施工過程中發(fā)現(xiàn)不了，它有可能在隧道的拱部、肩部、邊墻部或者底部。在隧道開挖階段，隱伏溶洞的不同位置、大小、充填物會嚴(yán)重影響隧道原有的應(yīng)力平衡，當(dāng)隧道支護不足時會發(fā)生嚴(yán)重的巖溶突水、突泥災(zāi)害，帶給施工人員生命危險[2]。

為了評價城市軌道交通隧道底部溶洞尺寸對隧道圍巖的影響，依托貴陽城市軌道交通1號線背景，利用flac3D 5.0軟件計算隧道開挖時，不同頂部溶洞尺寸大小和溶洞距隧道距離對隧道圍巖穩(wěn)定性及襯砌的內(nèi)力的影響，得到計算結(jié)果并進(jìn)行分析。

2 工程背景

2.1 貴陽城市軌道交通1號線簡介

1號線線路全長35.11km，起于觀山湖區(qū)朱昌鎮(zhèn)竇官村，經(jīng)云巖區(qū)和南明區(qū)，止于經(jīng)開區(qū)場壩村，線路由西向東，由北向南走向。其中地下線長30.07km，路基段長1.54km，高架線長3.5km，共設(shè)車站25座（20座地下站、2座地面站、3座高架站），其中換乘車站9座。

2.2 貴陽軌道交通1號線溶洞情況

軌道交通1號線地質(zhì)鉆孔5878個，發(fā)現(xiàn)溶洞1196個（部分為串狀溶洞），見洞率為20.3%。根據(jù)貴陽軌道交通1號線實施鉆孔情況，對鉆孔遇溶情況按溶洞洞徑及不同埋深情況統(tǒng)計見表1。貴陽城市軌道交通線1號線巖溶情況見表2。

表1 貴陽市軌道交通區(qū)間溶洞洞徑統(tǒng)計

表2 貴陽城軌交通線1號線巖溶段落占比情況

貴陽城市軌道交通1號線工程施工過程中發(fā)現(xiàn)多處樁基底、結(jié)構(gòu)底板下、區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)周圍有隱伏溶洞的情況；而老城區(qū)巖溶強烈發(fā)育，施工中發(fā)現(xiàn)有巖溶破碎帶、大型溶洞和溶腔、巖溶管道水和暗河等情況，如延安路站破碎帶和巖溶管道水、雅蠻區(qū)間大型溶洞及暗河，施工難度和施工工程風(fēng)險大。

溶洞見圖1，溶洞涌水見圖2。

3 底部溶洞對隧道圍巖影響數(shù)值分析

3.1 計算參數(shù)

貴陽城軌交通1號線的埋深范圍從5m到200m不等，但在大部分中心城市地區(qū)埋深分布在5m～35m范圍內(nèi)，圍巖等級主要為IV級和V級。本次模型實驗取30m埋深。圍巖等級定位IV級，具體參數(shù)如表3所示。

表3 IV級圍巖力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

3.2 模型建立

以貴陽軌道交通1號線為背景，基于flac3D 5.0建立二維平面數(shù)值模擬模型（見圖3）。隧道開挖斷面為水平距離為6.5m，高度為7m的馬蹄形斷面。模型水平方向取8倍洞徑，隧道拱頂距上部邊界30m，隧道底部距離底部邊界50m。圍巖采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，圍巖的材料假定為各向同性。僅考慮開挖初期支護后隧道圍巖穩(wěn)定性變化，不考慮二次襯砌影響。

3.3 不同工況建立

本實驗共模擬溶洞直徑大小為2,4,6,8米四種情況下在溶洞距隧道1,3,5,7米時對隧道圍巖位移場及初支襯砌內(nèi)力的影響。

3.3.1 位移場影響研究

頂部溶洞情況下隧道開挖后的豎直位移云圖和水平位移云圖如圖4、圖5所示：

各工況下頂部溶洞對隧洞拱頂沉降位移以及水平最大位移的分析結(jié)果如圖6、圖7所示。（規(guī)定豎向坐標(biāo)為有溶洞時位移與無溶洞時的位移比值）

從圖6可以看到，拱頂沉降的位移隨著溶洞的大小和距離的變化而變化。當(dāng)溶洞大于4m時，拱頂位移比無溶洞時減小，特別是溶洞大于隧道洞徑時，減小的幅度比較大，最大減小幅度達(dá)到了40%左右。隨著溶洞與隧道的距離增大，減小幅度逐漸減小，說明溶洞距離隧道越遠(yuǎn)，對隧道圍巖的位移影響越小。當(dāng)溶洞比較小時，溶洞對隧道拱頂位移是增大的，最大增幅達(dá)到20%。

從圖7可以看到，有溶洞時拱腰的水平收斂基本呈大于無溶洞水平收斂情況，當(dāng)溶洞洞徑為8m距離隧道1m時水平收斂最大，增幅達(dá)到70%左右。隨著溶洞離隧道距離越遠(yuǎn)，溶洞對隧道水平收斂影響基本呈減小趨勢。

3.3.2 初期支護軸力研究

在沒有溶洞的時候，噴射混凝土的最大軸力均勻分布在拱腰上，頂部出現(xiàn)溶洞后，噴射混凝土的最大軸力出現(xiàn)在拱頂處，比無溶洞時大。拱腰及拱底的軸力相對無溶洞時減小。無溶洞和頂部溶洞時的初期支護軸力分別見圖8，圖9。

從圖10可以看到，有頂部溶洞存在時初期支護軸力的最大值明顯比無溶洞時要大，最大增幅達(dá)到了兩倍以上，出現(xiàn)在支護的頂部。隨著溶洞距隧道的距離增加，溶洞對支護軸力的影響也隨之減小。

4 結(jié)論

本文在貴陽軌道交通1號線背景下，利用flac3d 5.0軟件模擬了洞徑大小為2,4,6,8米的頂部溶洞在距離隧道1,3,5,7米工況下，隧道圍巖的位移及初期支護軸力的變化情況。得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)隧道頂部出現(xiàn)溶洞時，會對圍巖的拱頂沉降和水平收斂位移產(chǎn)生影響，水平收斂基本呈增加趨勢；當(dāng)洞徑大于4m時，拱頂位移會減小，洞徑小于等于4m時，拱頂位移相比無溶洞時略微增加。

（2）隧道頂部溶洞會增加初期支護的軸力，且改變最大軸力的位置。溶洞洞徑越大，離隧道越近，軸力越大。當(dāng)頂部出現(xiàn)溶洞時，需對初期支護進(jìn)行加強。

（3）當(dāng)頂部溶洞離隧道越近時對隧道圍巖變形和襯砌內(nèi)力影響越大，越遠(yuǎn)則影響越小。