溶洞分布對(duì)城軌交通盾構(gòu)隧道 影響規(guī)律研究

齊明山 郭振坤 王春凱 柳獻(xiàn)

摘 要：針對(duì)近年來(lái)廣州、長(zhǎng)沙、武漢及云貴等巖溶發(fā)育地區(qū)地鐵工程現(xiàn)狀，文章以貴陽(yáng)市軌道交通 3 號(hào)線為工程背景，采用二維數(shù)值模型對(duì)溶洞分布影響進(jìn)行模擬計(jì)算分析。經(jīng)模擬計(jì)算分析，得出溶洞不同方位、不同尺寸、與盾構(gòu)隧道不同凈距以及在不同圍巖等級(jí)中對(duì)隧道開(kāi)挖洞室穩(wěn)定性、隧道襯砌管片受力的影響規(guī)律，以確定貴陽(yáng)市軌道交通 3 號(hào)線盾構(gòu)施工中溶洞處理范圍，為巖溶發(fā)育區(qū)城市軌道交通建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;溶洞分布;盾構(gòu)隧道;受力特性;處理范圍

中圖分類號(hào)：TU502

隨著國(guó)內(nèi)交通的不斷發(fā)展[1-3]，盾構(gòu)法隧道逐漸被使用于各種復(fù)雜地層條件，如上軟下硬復(fù)合地層[4-5]、高水壓[6]以及巖溶發(fā)育區(qū)[7-12]。穿越巖溶發(fā)育區(qū)的盾構(gòu)隧道在施工階段存在盾構(gòu)機(jī)陷落、隧道偏線、突泥涌水等工程風(fēng)險(xiǎn)[13-15]，在運(yùn)營(yíng)階段溶洞也會(huì)影響襯砌結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力分布，故在盾構(gòu)掘進(jìn)前需對(duì)隧道周邊溶洞提前作加固處理[16]。蘇偉?等[17]通過(guò)三維數(shù)值分析與模型試驗(yàn)確定側(cè)部、下部溶洞對(duì)襯砌內(nèi)力影響規(guī)律，并確定相應(yīng)地層條件下的溶洞處理范圍;蘇鋒等[18]運(yùn)用三維數(shù)值分析提出溶洞的存在會(huì)引起管片出現(xiàn)縱向彎矩;潘清等[19]分析了溶洞直徑、溶洞的方位、溶洞與隧道的凈距對(duì)隧道洞周收斂以及襯砌管片的影響規(guī)律;李萍等[20]通過(guò)三維數(shù)值模型，考慮流固耦合效應(yīng)，研究下伏溶洞對(duì)穿越上砂下黏地層隧道管片受力的影響分析。

目前，有關(guān)溶洞對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖洞室穩(wěn)定性、襯砌內(nèi)力分布特性的影響規(guī)律等已有分析，但不同區(qū)域地質(zhì)差異較大，為保證貴陽(yáng)市軌道交通3號(hào)線盾構(gòu)區(qū)段施工安全、防止地表塌陷并保證隧道在運(yùn)營(yíng)階段正常運(yùn)營(yíng)，還需對(duì)3號(hào)線沿線溶洞發(fā)育情況及穿越地層條件進(jìn)行分析。本文選用二維平面模型分析不同地層條件、不同方位、不同尺寸、與盾構(gòu)隧道不同凈距的溶洞對(duì)隧道開(kāi)挖洞室穩(wěn)定性及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響規(guī)律，確定該地層條件下貴陽(yáng)地區(qū)軌道交通溶洞處理范圍，同時(shí)為其他巖溶發(fā)育區(qū)隧道建設(shè)提供支持。

1 工程概述

貴陽(yáng)市軌道交通3號(hào)線一期工程盾構(gòu)區(qū)段內(nèi)，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，管片環(huán)寬1.5 m，管片厚度0.35 m，接頭采用彎螺栓，環(huán)縱縫均不設(shè)凹凸榫。3號(hào)線起點(diǎn)為花溪環(huán)城高速公路北側(cè)的桐木嶺站，終點(diǎn)為烏當(dāng)區(qū)洛灣站，全長(zhǎng)43.19 km，其中地下線41.83 km，高架線0.71 km，過(guò)渡段0.65 km。沿線以中風(fēng)化白云巖、泥質(zhì)白云巖、中風(fēng)化“砂糖狀”白云巖、灰?guī)r等可溶性碳酸鹽為主。據(jù)鉆孔揭露，鉆孔巖石常見(jiàn)溶隙及溶洞，且溶洞多處于4級(jí)圍巖，發(fā)育高度在1～5m之間，而80%以上發(fā)育高度小于3m。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，各斷面隧道埋深、地層類型、各地層厚度差異較大。為能分析溶洞位于隧道上方時(shí)對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，本文選取隧道上部有溶洞的皂角井站—太慈橋站區(qū)間段地層作為分析地層。在皂角井站—太慈橋站區(qū)間段取一典型斷面，隧道埋深26 m，上覆0.8 m雜填土，16.6 m紅黏土，其余均為中風(fēng)化白云巖。

2 計(jì)算模型

2.1 數(shù)值模型

（1）模型尺寸。模型兩側(cè)與隧道底部均取5D（D為襯砌外徑）作為邊界，即模型尺寸定為66 m×62 m（寬×高）。

（2）模型邊界。上邊界取自由邊界，左右邊界約束水平位移，底部邊界約束豎向位移。

（3）模型計(jì)算簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。

（4）平面單元模擬地層，梁?jiǎn)卧M隧道襯砌圓環(huán)。

計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

2.2 計(jì)算基本假定

（1）地層初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng)。

（2）不考慮地下水。

（3）地層水平分層，假定均勻、各向同性，材料選用Drucker-Prager模型。

（4）溶洞簡(jiǎn)化為圓形，均無(wú)填充。

（5）考慮開(kāi)挖后地層與襯砌協(xié)調(diào)變形。

2.3 計(jì)算工況

計(jì)算工況分為初始、開(kāi)挖、襯砌3個(gè)工況，如圖2所示（以頂部溶洞分析為例），具體如下。

（1）初始工況。僅溶洞存在，地層未開(kāi)挖時(shí)計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)。

（2）開(kāi)挖工況。開(kāi)挖地層，應(yīng)力釋放50%。

（3）襯砌工況。拼裝盾構(gòu)襯砌圓環(huán)，應(yīng)力釋放50%。

2.4 計(jì)算參數(shù)

為準(zhǔn)確分析隧道開(kāi)挖時(shí)圍巖變形規(guī)律，并較好地模擬圍巖與襯砌環(huán)的相互作用，按照貴陽(yáng)市軌道交通地勘報(bào)告并參考JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A，計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1、表2。

3 溶洞方位對(duì)隧道影響

3.1 無(wú)溶洞

表3給出了無(wú)溶洞時(shí)開(kāi)挖洞室收斂及襯砌內(nèi)力情況，由表3數(shù)據(jù)可見(jiàn)，無(wú)溶洞時(shí)，開(kāi)挖工況下隧道洞室拱頂下沉、拱底上浮量均為1.24 mm，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在洞室拱底約為410 kPa，管片最大剪力16 kN。

3.2 上部溶洞

3.2.1 洞室收斂

表4 給出了溶洞在隧道上部時(shí)開(kāi)挖洞室收斂情況，由表4數(shù)據(jù)可知，溶洞在隧道上部時(shí)，洞室拱頂下沉略有減小，下沉量大于拱底上浮量;拱底上浮量減?。ㄗ畲鬁p小量6%），隨溶洞與隧道中心距離增加趨近于無(wú)溶洞時(shí)上浮量;洞室頂部及底部變形小于2 mm，洞室圍巖穩(wěn)定，計(jì)算未出現(xiàn)塑性區(qū)。

3.2.2 襯砌內(nèi)力

圖3給出了溶洞中心在隧道上部0.5D時(shí)開(kāi)挖洞室襯砌內(nèi)力情況，從圖3數(shù)據(jù)可知，溶洞在隧道上部時(shí)，隧道頂部正彎矩減小，0°附近減小量最大，約為9.7 kN · m（減小50%），上半環(huán)其余位置正彎矩增加（或負(fù)彎矩減?。?襯砌軸力在隧道頂部增加47 kN（增加24%），隧道肩部及腰部軸力均減小，減小最大值約56kN;襯砌最大剪力15 kN，拱頂左右10°范圍內(nèi)剪力明顯增加。

由此可見(jiàn)，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力而言，上部溶洞存在的主要影響為，隧道頂部彎矩減小，軸力增加，表明溶洞的存在對(duì)結(jié)構(gòu)受力而言無(wú)不利影響;剪力在隧道頂部左右10°附近出現(xiàn)明顯變化。

3.3 側(cè)部溶洞

3.3.1 洞室收斂

表5 給出了溶洞在隧道側(cè)部時(shí)開(kāi)挖洞室收斂情況，由表5數(shù)據(jù)可知，溶洞在隧道側(cè)部時(shí)，洞室拱頂下沉、拱底上浮量均增加，最大分別增加15%、5%，隨溶洞與隧道中心距離增加趨近于無(wú)溶洞時(shí)頂部和底部變化值;洞室頂部及底部變形小于2 mm，洞室圍巖穩(wěn)定，計(jì)算未出現(xiàn)塑性區(qū)。

3.3.2 襯砌內(nèi)力

圖4給出了溶洞中心在隧道側(cè)部0.5D時(shí)開(kāi)挖洞室襯砌內(nèi)力情況，從圖4數(shù)據(jù)可知，溶洞在隧道側(cè)部時(shí)，隧道近溶洞側(cè)腰部負(fù)彎矩最大，增加6 kN · m（增加30%），遠(yuǎn)離溶洞一側(cè)腰部負(fù)彎矩增加5%;近溶洞側(cè)，隧道肩部及腳部正彎矩增加，增加量約3 kN · m;對(duì)于襯砌軸力，隧道頂部和底部軸力變化在3%以內(nèi)，近溶洞側(cè)腰部增加88kN，增加12%，遠(yuǎn)離溶洞一側(cè)腰部軸力增加40kN，增加5.6%;對(duì)于襯砌剪力，剪力最大值17 kN，增加6%，近溶洞一側(cè)腰部襯砌剪力明顯增加。

由此可見(jiàn)，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力而言，側(cè)部溶洞存在的主要影響為，隧道腰部彎矩增加，軸力增加，表明溶洞的存在對(duì)結(jié)構(gòu)受力而言可能造成不利影響;剪力在近溶洞側(cè)腰部上下10°附近出現(xiàn)明顯變化。

3.4 下部溶洞

3.4.1 洞室收斂

表6 給出了溶洞在隧道下部時(shí)開(kāi)挖洞室收斂情況，從表6數(shù)據(jù)可知，溶洞在隧道下部時(shí)，開(kāi)挖洞室拱頂下沉量減?。ㄗ畲鬁p小14%），且隨溶洞與隧道距離增加數(shù)值趨近于無(wú)溶洞時(shí)下沉量;對(duì)于拱底上浮，在隧道邊界與溶洞中心相距0.5D時(shí)，上浮量增加7%，距離大于等于D時(shí)，數(shù)值均為1.22 mm，小于無(wú)溶洞時(shí)拱底上浮量;洞室頂部及底部變形小于2 mm，洞室圍巖穩(wěn)定，計(jì)算未出現(xiàn)塑性區(qū)。

3.4.2 襯砌內(nèi)力

圖5給出了溶洞中心在隧道下部0.5D時(shí)開(kāi)挖洞室襯砌內(nèi)力情況，由圖5數(shù)據(jù)可知，溶洞在隧道下部時(shí)，隧道底部正彎矩減小，最大減小量約15 kN · m（減小70%），下半環(huán)其余位置正彎矩增加（或負(fù)彎矩減?。?，136°處正彎矩增加最大為7 kN · m（增加800%）;對(duì)于襯砌軸力，隧道底部軸力增加75kN（增加33%），隧道頂部軸力基本不變，其余位置軸力減小;襯砌剪力最大值18 kN（增加12%），隧道底部?jī)蓚?cè)10°范圍內(nèi)剪力發(fā)生明顯變化。

由此可見(jiàn)，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力而言，下部溶洞存在的主要影響為，隧道底部彎矩減小，軸力增加，表明溶洞的存在對(duì)結(jié)構(gòu)受力而言無(wú)不利影響;剪力最大值在隧道底部左右兩側(cè)有所增加。

4 溶洞尺寸及與隧道距離對(duì)隧道影響

4.1 洞室收斂

4.1.1 溶洞在隧道上部

表7給出了不同溶洞尺寸、與隧道不同距離（溶洞中心距隧道邊界）下開(kāi)挖洞室收斂情況，從表7數(shù)據(jù)可知，溶洞在隧道上部時(shí)，溶洞較小時(shí)洞室拱頂下沉基本不變或減小，溶洞直徑為4.5 m時(shí)增加30%;拱底上浮量減?。ㄗ畲鬁p小量13%），隨溶洞與隧道中心距離增加趨近于無(wú)溶洞時(shí)上浮量。

4.1.2 溶洞在隧道側(cè)部

表8 給出了不同溶洞尺寸、與隧道不同距離下開(kāi)挖洞室收斂情況，從表8數(shù)據(jù)可知，溶洞在隧道側(cè)部時(shí)，地層開(kāi)挖后洞室拱頂下沉及拱底上浮量均增加，但拱頂下沉量大于拱底上浮量，最大值分別增加43%、16%，隨溶洞與隧道距離增加而減小，數(shù)值趨近于無(wú)溶洞時(shí)下沉量;溶洞與隧道中心距離一致時(shí)，開(kāi)挖洞室頂部及底部變形增量與溶洞直徑正相關(guān)。

4.1.3 溶洞在隧道下部

表9 給出了不同溶洞尺寸、與隧道不同距離下開(kāi)挖洞室收斂情況，從表9數(shù)據(jù)可知，溶洞在隧道下部時(shí)，開(kāi)挖洞室拱頂下沉量減小，且隨溶洞與隧道距離增加趨近于無(wú)溶洞時(shí)下沉量;相同距離下，溶洞尺寸與拱頂下沉量負(fù)相關(guān)，溶洞直徑為4.5 m時(shí)，下沉量最小，減小32%;對(duì)于拱底上浮，在隧道邊界與溶洞中心相距0.5D時(shí)上浮量均增加，溶洞直徑為4.5 m時(shí)上浮量最大，增加12%，距離大于等于D時(shí)，均小于無(wú)溶洞時(shí)拱底上浮量。

由此可見(jiàn)，溶洞所在方位引起開(kāi)挖工況下隧道洞室頂?shù)资諗孔兓?guī)律各異，就貴陽(yáng)市軌道交通3號(hào)線所處地層而言，由于圍巖變形模量較大，洞室頂部及底部變形小于2 mm，洞室圍巖穩(wěn)定，計(jì)算未出現(xiàn)塑性區(qū)。

4.2 襯砌內(nèi)力

4.2.1 襯砌拉力

各方位溶洞引起的最大拉應(yīng)力隨溶洞與隧道距離變化關(guān)系見(jiàn)圖6，由圖6可知，溶洞在隧道上部和下部時(shí)，隨著溶洞直徑增加，襯砌結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力減?。ㄖ稻∮跓o(wú)溶洞時(shí)最大拉應(yīng)力），且同一直徑溶洞對(duì)隧道的影響基本不受距離影響;溶洞在隧道側(cè)部時(shí)，在溶洞中心距隧道腰部距離小于D時(shí)，隨著溶洞直徑增加，襯砌最大拉應(yīng)力增加，溶洞直徑為4.5 m時(shí)最大拉應(yīng)力為571kPa（增加40%）;距離大于D時(shí)溶洞尺寸對(duì)隧道影響較小，且與無(wú)溶洞時(shí)相比最大拉應(yīng)力減小，有利于襯砌結(jié)構(gòu)安全。

4.2.2 襯砌剪力

各方位溶洞引起的剪力隨溶洞與隧道距離變化關(guān)系見(jiàn)圖7，溶洞與隧道距離在D范圍以內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)剪力增加較大，尤其是溶洞在隧道側(cè)部更加明顯，剪力最大增加為無(wú)溶洞時(shí)的3倍。溶洞與隧道距離大于D時(shí)，側(cè)部、下部溶洞對(duì)襯砌剪力影響可以忽略，剪力基本恢復(fù)到無(wú)溶洞時(shí)的水平，而頂部溶洞卻造成襯砌剪力再次增加。

5 圍巖剛度影響

考慮隧道穿越區(qū)間5級(jí)圍巖的存在（強(qiáng)風(fēng)化白云巖、強(qiáng)風(fēng)化“砂糖狀”白云巖），變形模量的減小，勢(shì)必造成對(duì)開(kāi)挖時(shí)圍巖變形及襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，故本節(jié)主要對(duì)溶洞存在時(shí)，圍巖剛度（變形模量）影響進(jìn)行參數(shù)化分析。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，5級(jí)圍巖下除開(kāi)挖洞室拱頂下沉量和拱底上浮量增加至130 mm左右外，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力在不同方位溶洞影響下的變化規(guī)律與4級(jí)圍巖時(shí)基本一致，故此處不作贅述。下面分析3 m直徑的溶洞在不同方位時(shí)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響，以確定不同圍巖等級(jí)下貴陽(yáng)市軌道交通3號(hào)線沿線溶洞處理范圍。

圖8給出了5級(jí)圍巖下襯砌最大拉應(yīng)力、最大剪力變化規(guī)律，由圖8可知，在溶洞中心距隧道邊界大于D時(shí)，溶洞的存在對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響可控制在5%以內(nèi)。

綜上分析，對(duì)于貴陽(yáng)地區(qū)4或5級(jí)圍巖，為工程安全，適當(dāng)增加溶洞處理范圍，處理原則最終定為。

（1）隧道上部溶洞全部填充處理。

（2）隧道側(cè)部及底部溶洞，與隧道凈距6 m范圍內(nèi)溶洞應(yīng)該處理。

6 結(jié)論及建議

（1）本文采用二維數(shù)值模型分析了不同方位、不同尺寸溶洞對(duì)隧道洞室及襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，并以此確定了貴陽(yáng)地區(qū)軌道交通溶洞處理范圍。文中二維數(shù)值分析模型將溶洞存在對(duì)隧道的影響當(dāng)作平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)考慮，雖然未能體現(xiàn)隧道不均勻下沉及縱向彎矩，但管片受力分析而言偏于安全。

（2）溶洞在隧道上部（下部）時(shí)，襯砌頂部（底部）彎矩減小，軸力增加，僅從襯砌最大拉應(yīng)力來(lái)看溶洞的存在對(duì)結(jié)構(gòu)受力而言無(wú)不利影響;但在上部（下部）附近會(huì)產(chǎn)生較大的剪力集中。

（3）溶洞在隧道側(cè)部時(shí)，襯砌腰部彎矩增加，軸力增加，從管片最大拉應(yīng)力來(lái)看，該類溶洞的存在對(duì)襯砌可能造成不利;就襯砌結(jié)構(gòu)剪力而言，相同溶洞與隧道距離下，相比于隧道上下部溶洞，側(cè)部溶洞造成的襯砌最大剪力值更大。

（4）就溶洞處理范圍而言，隧道上部溶洞應(yīng)全部填充處理;隧道側(cè)部及底部，溶洞處理范圍可定為與隧道凈距6 m以內(nèi)。

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收稿日期 2019-09-23

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Study on influence of karst cave distribution on urban rail transit shield tunnel

Qi Mingshan， Guo Zhenkun， Wang Chunkai， et al.

Abstract： In view of the current situation of metro projects in karst developed areas such as Guangzhou， Changsha， Wuhan， Yunnan and Guizhou in recent years， this paper takes Guiyang rail transit line 3 as a project study case， and uses two-dimensional numerical model to simulate and analyze the influence of karst cave distribution. Through the simulation calculation and analysis， it works out the influence patterns of different directions and dimensions of the karst tunnel， different clearance from the shield tunnel and different surrounding rock grades on the tunneling stability and the stress of the tunnel lining segments， so as to determine the affected area of the karst shield tunneling of Guiyang rail transit line 3， providing reference for the urban rail transit construction in the karst developed area.

Keywords： urban rail transit， karst cave distribution， shield tunnel， stress characteristics， affected area