底部既有不規(guī)則溶洞車(chē)站施工加固方案比選

俞欽欽，趙 俊，丁杭春，馬國(guó)海，張兆偉

（杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江杭州310004）

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市地鐵交通的迅速發(fā)展，大量地鐵車(chē)站建立在不良地質(zhì)上，其中一個(gè)顯著的代表就是巖溶地質(zhì)，在巖溶地區(qū)建立地鐵車(chē)站風(fēng)險(xiǎn)很大。例如，圍護(hù)結(jié)構(gòu)成槽易塌孔，臨時(shí)立柱樁基承載力不足，基坑開(kāi)挖擾動(dòng)土體后坑底土層向巖溶洞隙內(nèi)漏砂等。因此需要對(duì)巖溶地層進(jìn)行加固處理，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。

李慎奎等［1］以武漢地鐵巖溶專(zhuān)項(xiàng)勘察資料和地鐵工程中巖溶處理案例為依據(jù)，采用綜合統(tǒng)計(jì)方法分析了巖溶發(fā)育特征和規(guī)律，總結(jié)出地鐵車(chē)站、區(qū)間隧道穿越巖溶區(qū)時(shí)的處理方法；歐孝奪等［2］在南寧地鐵2號(hào)線工程施工過(guò)程中頻遇巖溶難題，結(jié)合某盾構(gòu)隧道區(qū)間的施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了盾構(gòu)隧道巖溶處置的原則和范圍，分別從溶（土）洞處理和巖溶突水、突泥的應(yīng)急處理兩方面進(jìn)行巖溶處治方案分析，并采用技術(shù)手段對(duì)處治效果進(jìn)行檢測(cè)及分析，確保了盾構(gòu)施工順利通過(guò)巖溶地段；徐海清等［3］根據(jù)研究區(qū)域地質(zhì)資料，對(duì)于巖溶發(fā)育區(qū)段地層提出了加固處治方案；高墅［4］通過(guò)對(duì)修建在廣州、武漢、徐州、長(zhǎng)沙等幾個(gè)典型巖溶地層的地鐵工程盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，得出關(guān)于巖溶地層施工的共性和不同的處理措施；李清明等［5］在有巖溶發(fā)育現(xiàn)象的深圳地鐵8號(hào)線采取注漿加固、施做套拱和超前大管棚等措施，確保了樁基施工質(zhì)量和隧道施工安全。

數(shù)值模擬方法由于可以模擬復(fù)雜的基坑開(kāi)挖過(guò)程，因此被廣泛應(yīng)用于基坑開(kāi)挖分析。宋二祥等［6］歸納和分類(lèi)了巖溶地區(qū)地面塌陷的必備條件、誘發(fā)因素和致塌機(jī)制，并使用有限元軟件Plaxis2D建立了事故現(xiàn)場(chǎng)的概化模型，得到多種誘因、多種形成機(jī)制的綜合疊加導(dǎo)致了最終的地面塌陷，水動(dòng)力條件變化可能是主要因素；江杰等［7］運(yùn)用有限元軟件Midas-GTS模擬溶洞的不同位置、大小對(duì)深基坑開(kāi)挖的影響，分析支護(hù)樁內(nèi)力、位移及土體位移的變化規(guī)律，從而劃分巖溶處理范圍，提出巖溶處理原則，并成功將其運(yùn)用到實(shí)際工程中，同時(shí)提出有效的巖溶處理方法；馬鑫磊［8］利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)某巖溶區(qū)隧道的不同注漿加固方案進(jìn)行模擬，為最終方案的選取、確定提供依據(jù)；黃祥國(guó)等［9］采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬在不同病害下樁基的變形與受力情況，得到溶洞在樁底時(shí)的影響最大，施工中應(yīng)著重加強(qiáng)對(duì)溶洞的檢測(cè)和填充，對(duì)于溶洞被樁體貫穿的情況，當(dāng)溶洞直徑達(dá)到極限值5 m時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行處理；馮海洲等［10］建立巖溶隧道與加固樁的三維模型，利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)樁基加固的左右無(wú)限邊界巖溶隧道進(jìn)行數(shù)值研究，分析加固前后巖溶隧道基底沉降變化規(guī)律。

本文以杭州某巖溶區(qū)地鐵車(chē)站作為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬，分別比選了4種加固方案對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)及土體的影響，并由此得出最優(yōu)溶洞加固方案。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

杭州某巖溶區(qū)地鐵車(chē)站站體全長(zhǎng)275.6 m，地鐵車(chē)站為地下二層島式車(chē)站，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3 m，基坑深度16.81 m，總建筑面積14 613.2 m2；端頭井深18.85 m，寬度25.4 m，車(chē)站覆土約3 m；設(shè)一道鋼筋混凝土支撐、二至四道鋼支撐。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁，標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻深度24.32 m，端頭井段地下墻深度31.81 m（25.77 m）。圖1為杭州市某車(chē)站基坑平面圖，方框中為本文主要研究區(qū)域。

圖1 車(chē)站基坑平面

1.2 工程地質(zhì)

巖溶形成的四個(gè)基本條件：可溶性巖石、巖石的裂隙性、水的溶蝕能力、巖溶水的運(yùn)動(dòng)與循環(huán)，四個(gè)條件缺一不可。經(jīng)勘測(cè)，該區(qū)域地層巖性石灰?guī)r，為巖溶發(fā)育的典型區(qū)域。土層從上到下依次為：①1雜填土、②2粉質(zhì)黏土、④1淤泥質(zhì)黏土、⑤2粉質(zhì)黏土、○161黏土混角礫、○351全風(fēng)化灰?guī)r、○353中風(fēng)化灰?guī)r。勘探深度范圍內(nèi)地下水類(lèi)型主要可分為第四系松散巖類(lèi)孔隙性潛水（以下簡(jiǎn)稱(chēng)潛水）、基巖裂隙水和巖溶水。潛水水位年變幅為1.0～2.0 m。

溶洞距離地面深度87 m，溶洞頂板距離車(chē)站底板最小2～10 m，溶洞底板距離車(chē)站底板70 m，底板埋置深度19 m（地面以下）；溶洞以充填為主，充填物為黏性土混碎礫石。YDK4＋132～YDK4＋189為巖溶中等發(fā)育區(qū)，YDK4＋189～YDK4＋277為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，YDK4＋277～YDK4＋346為巖溶中等發(fā)育區(qū)。本文主要研究里程范圍為YDK4＋189～YDK4＋277的巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。車(chē)站右線（東側(cè)）巖溶揭示情況見(jiàn)圖2。

2 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)分析

選取本項(xiàng)目最不利區(qū)段，采用有限元分析軟件PLAXIS 3D進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。

2.1 計(jì)算模型的建立

計(jì)算模型采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型，主體結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。其中，鉆孔灌注樁、地連墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元進(jìn)行模擬，鉆孔灌注樁換算板的厚度按抗彎剛度等效的原則確定，支撐、格構(gòu)柱采用梁?jiǎn)卧M，鋼支撐采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬。立柱樁采用Embedded樁單元模擬。底板、中板、頂板采用板單元模擬。超前鉆孔灌注樁采用Embedded樁單元進(jìn)行模擬。為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)車(chē)站左右線及中線巖溶揭示縱斷面圖，溶洞尺寸為左右線及中線巖溶疊合尺寸，溶洞外圍巖無(wú)力學(xué)參數(shù)與普通圍巖相同，溶洞填充物為淤填土，力學(xué)參數(shù)按照地勘資料取值。

圖2 車(chē)站右線（東側(cè)）巖溶揭示縱斷面

本文研究基坑長(zhǎng)度110 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3 m，基坑深度為16.81～18.85 m，溶洞底板距離車(chē)站底板70 m。按照已有研究，基坑施工影響范圍大約為2～3倍挖深。為解決邊界效應(yīng)，使得模型的計(jì)算更準(zhǔn)確，模型的幾何尺寸不能太小，為方便計(jì)算，模型單元數(shù)量也不能太多，設(shè)定土體模型沿X、Y、Z三個(gè)方向的尺寸分別為110 m×150 m×100 m，圖3為強(qiáng)烈?guī)r溶發(fā)育區(qū)域擬建車(chē)站三維模型圖，圖4為擬建溶洞與車(chē)站關(guān)系圖。

圖3 車(chē)站三維模型

2.2 邊界條件與參數(shù)選取

模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定；模型兩側(cè)約束條件為水平方向固定，豎直方向自由；地表面自由。結(jié)構(gòu)和土體單元采用正四面體單元生成網(wǎng)格，接觸面采用GOODMAN單元進(jìn)行模擬，網(wǎng)格劃分粗糙度為0.5，總共生成94 711個(gè)單元。網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖5。地層參數(shù)主要根據(jù)巖土勘察報(bào)告取用，部分參數(shù)通過(guò)地勘報(bào)告結(jié)合理論、軟件說(shuō)明中的公式進(jìn)行推導(dǎo)并參考其他工程經(jīng)驗(yàn)取得。模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 溶洞與車(chē)站位置關(guān)系

圖5 模型整體網(wǎng)格劃分

表1 土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.3 不同加固方案數(shù)值模擬分析

針對(duì)病害及處治措施模擬5種方案：方案1為車(chē)站病害模擬；方案2為車(chē)站底部加固，溶洞不作處治；方案3為車(chē)站底部加固，溶洞的上半部分進(jìn)行加固；方案4為車(chē)站底部不加固，整個(gè)溶洞進(jìn)行加固；方案5為車(chē)站底部加固，整個(gè)溶洞進(jìn)行加固。其中車(chē)站底部的加固方式采用“一柱一樁”處理，柱下增加鉆孔，大溶洞頂板較薄處側(cè)墻下局部加三根樁；溶洞的加固方式為雙液漿注漿處理。

方案2至方案5在方案1的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行比較從而選取最優(yōu)方案。方案1主要模擬車(chē)站病害，通過(guò)車(chē)站底板內(nèi)力、變形以及車(chē)站底部土體應(yīng)力的變形、應(yīng)力進(jìn)行分析。

3 開(kāi)挖加固方案比選

3.1 車(chē)站底板內(nèi)力與變形分析

3.1.1 底板豎向位移分析

不同巖溶處治技術(shù)方案下，取典型的底板豎向位移云圖見(jiàn)圖6，各方案底板豎向位移最值見(jiàn)圖7。

觀察底板豎向位移云圖，分析各方案底板豎向位移最值趨勢(shì)圖可知，方案2～5底板豎向位移最大值明顯小于方案1，其中方案5底板豎向位移最大值為5.01 mm，比方案1底板豎向位移最大值減小7.17 mm，約減小59%。方案3底板豎向位移最大值為5.34 mm，比方案2底板豎向位移最大值減小約30%，說(shuō)明對(duì)車(chē)站底部大溶洞的上半部分采用雙液注漿處理可有效減小底板豎向位移值。方案4底板豎向位移最大值為5.15 mm，比方案2底板豎向位移最大值減小約32%，說(shuō)明相較于對(duì)車(chē)站底板施加超細(xì)孔樁這一加固措施，對(duì)車(chē)站底部整個(gè)大溶洞進(jìn)行雙液注漿加固這一措施更為有效；且方案4底板豎向位移最大值比方案3底板豎向位移最大值減小約3.6%，兩者相差不大，考慮實(shí)際結(jié)果與經(jīng)濟(jì)效益，方案3更為合適。方案3～5底板豎向位移最大值變化不大，說(shuō)明對(duì)溶洞施加一半雙液注漿加固并對(duì)車(chē)站底板施加超細(xì)孔樁加固已足夠控制底板豎向位移變化，無(wú)須對(duì)溶洞進(jìn)行全處理加固。

圖6 底板豎向位移云圖

圖7 各方案底板豎向位移最值

3.1.2 底板彎矩分析

不同巖溶處治技術(shù)方案下，各方案底板彎矩M22、M12最值趨勢(shì)見(jiàn)圖8、圖9。彎矩M22表示繞局部第1坐標(biāo)軸方向彎曲引起的彎矩；扭矩M12表示與橫向剪力對(duì)應(yīng)的彎矩。

圖8 各方案底板彎矩M22最值

圖9 各方案底板彎矩M 12最值

觀察底板彎矩圖及各方案底板彎矩M22、M12最值趨勢(shì)圖可知，各方案下底板扭矩M12的最值呈現(xiàn)一條平穩(wěn)的曲線，無(wú)明顯的陡升陡降，說(shuō)明溶洞與車(chē)站底部是否加固對(duì)車(chē)站底板的扭矩M12影響不大。由圖8可知，方案5底板彎矩 M22的最大值為807 kN·m／m，比方案1底板彎矩M22的最大值減小約31%，方案2～5底板彎矩M22的最大值變換較平緩，說(shuō)明對(duì)溶洞進(jìn)行注漿加固或者車(chē)站底部進(jìn)行超細(xì)孔樁加固可有效降低底板彎矩M22值。

3.2 土體變形與內(nèi)力分析

3.2.1 土體豎向位移分析

方案1 A－A剖面A、B、C剖面豎向位移等值線圖見(jiàn)圖10，同一方案下A、B、C三點(diǎn)豎向位移值趨勢(shì)變化見(jiàn)圖11。不同方案下，A、B、C三點(diǎn)豎向位移值趨勢(shì)變化見(jiàn)圖12（取值點(diǎn)A為底板底，取值點(diǎn)C為溶洞頂部，取值點(diǎn)B為A與C的中心點(diǎn)，下同。）。

圖10 方案1 A－A剖面豎向位移等值線

圖11 各點(diǎn)在不同方案下豎向位移變化

圖12 不同方案下各點(diǎn)的豎向位移變化

由圖11可知，方案1時(shí)，C點(diǎn)的豎向位移相較于A點(diǎn)減小約8.0%；方案2時(shí)，C點(diǎn)的豎向位移相較于A點(diǎn)減小約11.4%；方案3時(shí)，C點(diǎn)的豎向位移相較于A點(diǎn)減小19.9%；方案4時(shí)，C點(diǎn)的豎向位移相較于A點(diǎn)減小約32.9%；方案5時(shí)，C點(diǎn)的豎向位移相較于A點(diǎn)減小約26.9%。說(shuō)明同一個(gè)方案下，隨著深度的增加，土體豎向位移逐漸減小，各點(diǎn)均于方案5達(dá)到最小，其中方案4減小幅度最大，方案5其次，方案3第三。

由圖12可知：

1）A、B、C三點(diǎn)的豎向位移在方案1時(shí)最大，在方案5的加固措施下，豎向位移均達(dá)到最小，且從方案1到方案5，三點(diǎn)的豎向位移依次減少，說(shuō)明方案5的加固效果最好。其中，方案3時(shí)A點(diǎn)的豎向位移相較于方案2時(shí)A點(diǎn)的豎向位移減小約28.7%，方案3時(shí)B點(diǎn)的豎向位移相較于方案2時(shí)B點(diǎn)的豎向位移減小約32.1%，方案3時(shí)C點(diǎn)的豎向位移相較于方案2時(shí)C點(diǎn)的豎向位移減小約35.6%，說(shuō)明對(duì)溶洞上半部分進(jìn)行雙液注漿加固可有效減小土體的豎向位移，且離加固區(qū)越近的土體，其豎向位移降幅越大。

2）方案4時(shí)A點(diǎn)的豎向位移相較于方案3時(shí)A點(diǎn)的豎向位移增加約1.9%，方案4時(shí)B、C點(diǎn)的豎向位移相較于方案3時(shí)B、C點(diǎn)的豎向位移依次減小約10.5%、14.6%，說(shuō)明只對(duì)溶洞進(jìn)行雙液注漿加固，比較有利于靠近溶洞加固區(qū)的土體減小其豎向位移，但是會(huì)增加板底土體的豎向位移，從而影響結(jié)構(gòu)底板的變形。

綜上所述，不考慮經(jīng)濟(jì)因素，優(yōu)先選擇方案5；考慮經(jīng)濟(jì)因素及加固效果，優(yōu)先選擇加固方案3。

3.2.2 土體應(yīng)力分析

A、B、C三點(diǎn)在不同方案下最大剪應(yīng)力τmax變化見(jiàn)圖13。不同方案下A、B、C三點(diǎn)的剪應(yīng)力變化見(jiàn)圖14。A、B、C三點(diǎn)在不同方案下總主應(yīng)力σ1變化見(jiàn)圖15。不同方案下A、B、C三點(diǎn)的總主應(yīng)力 σ1變化見(jiàn)圖16。

結(jié)合表3，分析圖13至圖16可知，A點(diǎn)在方案2、方案3、方案5的加固措施下，其剪應(yīng)力最大值比方案1和方案4增大了約18%，其總主應(yīng)力σ1比方案1和方案4增大了約20%，說(shuō)明對(duì)車(chē)站底部采用“一柱一樁”處理，柱下增加鉆孔的這種加固方案，會(huì)增大車(chē)站底部土體的總主應(yīng)力σ1和剪應(yīng)力τmax。

圖13 各點(diǎn)在不同方案下剪應(yīng)力變化

圖14 不同方案下各點(diǎn)的剪應(yīng)力變化

圖15 各點(diǎn)在不同方案下主應(yīng)力變化

B點(diǎn)在方案2至方案5的加固措施下，其剪應(yīng)力比方案1減小了約8%～10%，其總主應(yīng)力σ1比方案1減小了約8.8% ～14.9%，說(shuō)明位于中部的土體的應(yīng)力變化情況同時(shí)受兩種加固方式的影響。

圖16 不同方案下各點(diǎn)的主應(yīng)力變化

不同加固方案下，A、B點(diǎn)主應(yīng)力變化曲線較平緩，而C點(diǎn)在方案2時(shí)的主應(yīng)力σ1相較于方案1時(shí)減小了約33.4%，C點(diǎn)在方案2時(shí)的剪應(yīng)力τmax相較于方案1時(shí)減小了約8.4%，方案2到方案5變化不大，C點(diǎn)在方案1時(shí)總主應(yīng)力σ1和剪應(yīng)力τmax達(dá)到最大，兩者均在方案2時(shí)達(dá)到最小，說(shuō)明對(duì)溶洞是否進(jìn)行注漿加固會(huì)極大地影響靠近溶洞區(qū)土體的應(yīng)力。

3.3 方案比選小結(jié)

5種處治方案的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2，相應(yīng)的底板位移應(yīng)力及底板彎矩值見(jiàn)表3。不同方案下土體及底板豎向位移值匯總表見(jiàn)表4。不同方案下底板及土體的應(yīng)力數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表5。

表2 不同方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

表3 不同方案下底板豎向位移及彎矩值匯總

表4 不同方案下土體及底板豎向位移匯總

表5 不同方案下土體及底板應(yīng)力匯總

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

1）加固方式的變化對(duì)車(chē)站底板豎向位移差的影響較大，對(duì)溶洞進(jìn)行雙液注漿加固比對(duì)車(chē)站底部進(jìn)行“一柱一樁”加固更能有效地控制底板豎向位移差。對(duì)一半的溶洞進(jìn)行雙液注漿加固并對(duì)車(chē)站采用“一柱一樁”處理，柱下增加鉆孔（即方案3）這一措施已能達(dá)到方案4和方案5的效果，考慮經(jīng)濟(jì)因素，優(yōu)選方案3。

2）不同方案對(duì)車(chē)站底板的扭矩△M12影響不大；對(duì)溶洞進(jìn)行雙液注漿加固或?qū)?chē)站采用“一柱一樁”處理，柱下增加鉆孔這兩種加固方式均能有效降低車(chē)站底板與頂板的彎矩△M22，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)選方案3。

3）同一個(gè)方案下，隨著深度的增加，土體豎向位移逐漸減小，各點(diǎn)均于方案5達(dá)到最小，其中方案4減小幅度最大，方案5其次，方案3第三。只對(duì)溶洞進(jìn)行雙液注漿加固，比較有利于靠近溶洞加固區(qū)的土體減小其豎向位移，但是會(huì)增加板底土體的豎向位移，從而影響結(jié)構(gòu)底板的變形。不考慮經(jīng)濟(jì)因素，優(yōu)先選擇方案5；考慮經(jīng)濟(jì)因素及加固效果，優(yōu)先選擇加固方案3。

4）對(duì)車(chē)站底部采用“一柱一樁”處理，柱下增加鉆孔的這種加固方案，會(huì)增大車(chē)站底部土體的總主應(yīng)力σ1和剪應(yīng)力τmax。位于中部的土體的應(yīng)力變化情況同時(shí)受兩種加固方式的影響。對(duì)溶洞是否進(jìn)行注漿加固會(huì)極大地影響靠近溶洞區(qū)土體的應(yīng)力。

4 結(jié) 語(yǔ)

溶洞上部采用雙液漿注漿處理，車(chē)站采用“一柱一樁”處理，柱下增加鉆孔，大溶洞頂板較薄處側(cè)墻下局部加三根樁這一加固方案（加固方案3）最為經(jīng)濟(jì)有效，可以在保證車(chē)站施工安全的前提下，確保施工進(jìn)度。