豎向隱伏溶洞作用下地鐵隧道施工穩(wěn)定性研究

廖繼軒 蔡煊 楊羅萍 肖金梅 侯宇婷 宋曉波

[摘? 要]：在地鐵隧道經(jīng)過溶洞地層時(shí)，溶洞會(huì)增大施工難度，甚至?xí)绊懞笃谶\(yùn)營安全。文章為探究豎向溶洞對(duì)地鐵隧道施工的影響，尤其是上、下雙溶洞等不常見工況，采用數(shù)值模擬的方法展開研究。結(jié)果表明：（1）溶洞顯著影響施工時(shí)的圍巖應(yīng)力分布，豎向應(yīng)力最大值集中在溶洞或者隧道的兩側(cè)位置，而水平應(yīng)力最大值則集中在其頂部和底部。（2）隧頂溶洞使拱頂處軸力顯著增大;隧底溶洞導(dǎo)致仰拱處出現(xiàn)負(fù)彎矩，并且側(cè)墻下部彎矩顯著增大，在該工況下施工隧道應(yīng)注意側(cè)墻的受力情況。（3）溶洞上大下小作用下的初支內(nèi)力最大，因此在遭遇上、下溶洞時(shí)可用上大下小的受力模式以作保守設(shè)計(jì)。（4）相較于無溶洞情況，溶洞會(huì)減小隧道初支的變形，且整體數(shù)值較小。

[關(guān)鍵詞]：豎向溶洞; 地鐵隧道; 數(shù)值模擬; 施工影響

U455.49A

隧道施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到巖溶這類地質(zhì)問題，在西部地區(qū)巖溶發(fā)育更為顯著。在發(fā)育的巖溶地區(qū)施工往往會(huì)遭遇突水突泥，甚者會(huì)遭遇圍巖失穩(wěn)坍塌，不僅會(huì)顯著影響施工進(jìn)度并且會(huì)危及工人生命安全。為應(yīng)對(duì)這一問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究，涉及超前探測(cè)、圍巖穩(wěn)定性分析和施工方法優(yōu)化等方面。譚代明[1]、莫陽春等[2]通過數(shù)值模擬的手段對(duì)側(cè)部溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了探究，并分析了不同距離與不同大小的溶洞在隧道側(cè)部分布情況下對(duì)圍巖變形的影響，結(jié)果表明數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合。此外，趙明階等[3]通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)對(duì)溶洞大小、溶洞與隧道距離等參數(shù)對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明頂部溶洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。宋建禹[4]基于隱伏溶洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響特征，認(rèn)為施工的關(guān)鍵在于確定溶洞與隧道間安全臨界厚度。賴永標(biāo)等[5-6]基于突變理論對(duì)隧道與溶洞之間的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并基于該處圍巖系統(tǒng)總勢(shì)能的研究，提出了失穩(wěn)突變模型。

雖然眾多學(xué)者就溶洞對(duì)隧道施工影響進(jìn)行了多項(xiàng)研究，取得了顯著的成就，但是前述研究主要是針對(duì)單個(gè)溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，較少涉及到隧道穿越多個(gè)溶洞的情況，尤其是上下溶洞大小不一致的情況。因此，本文將采用數(shù)值模擬的方法探究豎向隱伏溶洞對(duì)隧道施工穩(wěn)定性的影響，并提出穿越豎向溶洞時(shí)的安全受力模式。

1 工程概況

本文研究的對(duì)象是西南地區(qū)某單洞地鐵隧道，其斷面形狀是典型的馬蹄形（圖1）。該隧道輪廓為4心圓構(gòu)成，其斷面面積是38.76 m2，凈高為7.31 m，凈寬為6.52 m。該隧道穿越的地層主要為IV級(jí)圍巖。

2 數(shù)值模擬簡(jiǎn)介

2.1 計(jì)算范圍和邊界條件

本文中數(shù)值模型水平長度80 m，豎向高度90 m，縱向長度為 1 m。在模擬地層中，隧道埋深約為37 m，隧道底部距下邊界約為45 m，滿足大于3到5倍洞徑的要求，避免了邊界條件的影響。

本文隧道輪廓與溶洞相對(duì)位置（上、下溶洞大小一致）如圖2所示，其數(shù)值模型的網(wǎng)格均為較規(guī)則的四面體網(wǎng)格，模擬精度較高。本文數(shù)值模型的邊界條件為：上邊界為自由邊界，兩側(cè)邊界施加X方向約束，下邊界施加Y方向約束。

依據(jù)規(guī)范[7]和相關(guān)參考文獻(xiàn)[8]，本文將采用適當(dāng)提高隧道上部圍巖的c和φ來等效代替初支中錨桿和工字鋼的支護(hù)作用。本文數(shù)值模擬的參數(shù)如表1所示。

2.2 工況設(shè)置及模擬假設(shè)

在巖溶發(fā)育地帶，隧道往往會(huì)遭遇多種巖溶地質(zhì)情況。為探究有無溶洞、溶洞數(shù)量、溶洞尺寸等參數(shù)對(duì)隧道施工的影響，本文擬設(shè)計(jì)多種工況（表2），具體包括：無溶洞、隧頂溶0.2洞（直徑4 m，間距3 m）、隧底溶洞（直徑4 m，間距3 m）、隧頂+隧底溶洞。本文在模擬過程中采用全斷面施工，為較真實(shí)地模擬隧道施工時(shí)的應(yīng)力變化，考慮開挖之后圍巖的荷載釋放率為60%，在施工初期支護(hù)之后釋放剩下的40%[9]。

此外，為了方便計(jì)算和提高計(jì)算效率，在數(shù)值模擬過程中需要對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行合理的假設(shè)。為此，本文擬作以下假設(shè)：①巖體為理想彈塑性介質(zhì)（采用D-P模型）;②不考慮巖體變形的時(shí)間效應(yīng)和地下水的影響;③巖體為各向同性均勻介質(zhì);④隧道及圍巖是平面應(yīng)變問題;⑤初始地應(yīng)力只考慮自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力。

3 結(jié)果分析

3.1 地層位移

隧址地層在隧道施工之前已經(jīng)完成沉降，但是隧道施工過程會(huì)導(dǎo)致周邊地層出現(xiàn)新的位移。本文通過數(shù)值模擬得到部分工況的地層位移如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出，除溶洞和隧道附近區(qū)域外，圍巖豎向位移呈層狀分布，從上而下逐漸減小。此外，無論施工前后，圍巖的水平位移呈對(duì)稱分布，其最大值均出現(xiàn)在溶洞和隧道的兩側(cè)壁凌空面。

通過統(tǒng)計(jì)分析得到隧道施工前后的地層位移如表3所示。從表3可以得到，隧道施工前地層在自重作用下完成了沉降，各個(gè)工況的最大沉降量均為29～30 mm左右，表明溶洞的存在與否對(duì)最初沉降量大小的影響不明顯。隧道施工過程中，地層受到擾動(dòng)而產(chǎn)生新的變形。其中，地層豎向沉降變化不顯著（均在1%以內(nèi)）;而地層水平變形比較明顯，最顯著的是無溶洞的地層（增長率為262.50%），上小下大工況最?。ㄔ鲩L率為70.30%）。

雖然隧道施工導(dǎo)致的圍巖變形量數(shù)值較小，但是對(duì)于隧道拱頂和拱腳2個(gè)部位應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止變形過大影響襯砌結(jié)構(gòu)安全。

3.2 地層應(yīng)力

隧址地層在隧道施工之前已經(jīng)基本完成應(yīng)力分布，但是隧道施工過程會(huì)導(dǎo)致隧道周邊的地層應(yīng)力重分布。本文通過數(shù)值模擬得到部分工況的地層應(yīng)力如圖5、圖6所示。從圖5、圖6可以看出，在存在溶洞的工況中，無論隧道開挖與否，地層的應(yīng)力分布均會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中，豎向應(yīng)力最大值集中在溶洞或者隧道的兩側(cè)位置，而水平應(yīng)力最大值則集中在溶洞或者隧道的頂、底部位置，與前人[10]的研究成果一致。

通過統(tǒng)計(jì)分析得到隧道施工前后的地層應(yīng)力如表4所示。從表4可以看出，溶洞的存在對(duì)于地層豎向應(yīng)力存在較大的影響，尤其是多個(gè)溶洞作用時(shí)影響最顯著，其中施工前后豎向應(yīng)力變化最大的是上小下大的情況，而水平應(yīng)力最大的是上大下小。

3.3 初支內(nèi)力

在較好的圍巖中，隧道二襯一般是作為安全儲(chǔ)備，隧道初支將承擔(dān)圍巖的擠壓。本文通過數(shù)值模擬得到部分工況的初支內(nèi)力如圖7～圖10所示。從圖7～圖10可以看出，在隧道開挖并完成初支之后，隧道初支開始承擔(dān)圍巖壓力，其負(fù)彎矩最大值出現(xiàn)在拱腳部位，正彎矩最大值出現(xiàn)在仰拱部位。各個(gè)工況的初支軸力均為負(fù)值，說明隧道初支受到壓力，與實(shí)際情況相符。就初支剪力而言，各個(gè)工況剪力最大值均出現(xiàn)在拱腳附近，并正負(fù)對(duì)應(yīng)。

通過統(tǒng)計(jì)分析得到隧道施工前后的初支內(nèi)力如圖11所示。從圖11可以看出，是否有溶洞、溶洞的尺寸以及溶洞位置對(duì)隧道初支的內(nèi)力有顯著影響。其中，無溶洞作用下隧道初支的內(nèi)力最大，隧道頂部溶洞作用下初支內(nèi)力次之，而隧道底部溶洞作用下初支內(nèi)力最小。

結(jié)合圖7～圖11可以看出，雖然溶洞的存在將會(huì)降低隧道初支的內(nèi)力的最大值，但局部位置內(nèi)力的變化并不完全一致。其中，隧頂溶洞的存在使拱頂處軸力顯著增大，與既有成果一致[11];隧底溶洞的存在導(dǎo)致仰拱處出現(xiàn)負(fù)彎矩，并且側(cè)墻下部彎矩顯著增大，在該工況下施工隧道應(yīng)注意側(cè)墻受力情況。

此外，在上下均存在溶洞的情況下，除初支軸力外，溶洞上大下小的情況下的初支內(nèi)力最大，上小下大次之，上下均勻最小。因此，在隧道遭遇上下隧道時(shí)，可以采用上大下小的受力模式來設(shè)計(jì)支護(hù)，使初支更加安全。

3.4 初支變形

隧道初支一般是一種柔性支護(hù)，其主要作用是幫助圍巖充分發(fā)揮其自承能力，即是在允許隧道邊界的圍巖發(fā)生一定的變形，使圍巖壓力得到一定程度的釋放，從而使圍巖和初支達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)。為此，本文對(duì)隧道初支的豎向變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其部分結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，隧道初支變形呈現(xiàn)拱頂向下沉降和仰拱向上隆起的狀態(tài)，與既有研究[12]相符。

隧道在無溶洞、單溶洞和雙溶洞作用下初支變形如圖13所示。從圖13可以看出，相較于無溶洞情況，本文工況中溶洞的存在會(huì)減小隧道初支的變形，與既有研究規(guī)律[13]一致。其中，隧道底部溶洞導(dǎo)致的初支變形最小，說明在該種情況下有利于控制隧道初支的變形。

4 結(jié)論

本文以某穿越多發(fā)性隱伏溶洞地鐵隧道為例，采用有限元軟件對(duì)其施工穩(wěn)定性進(jìn)行模擬研究，得到結(jié)論：

（1）相比無溶洞，溶洞顯著影響了隧道施工時(shí)的圍巖應(yīng)力分布，其中，豎向應(yīng)力最大值集中在溶洞或者隧道的兩側(cè)位置，而水平應(yīng)力最大值則集中在溶洞或者隧道的頂、底部位置。

（2）溶洞會(huì)降低隧道初支的內(nèi)力的最大值，但局部變化情況不一致。其中，隧頂溶洞使拱頂處軸力顯著增大;隧底溶洞導(dǎo)致仰拱處出現(xiàn)負(fù)彎矩，并且側(cè)墻下部彎矩顯著增大，在該工況下施工隧道應(yīng)注意側(cè)墻的受力情況。

（3）上下溶洞同時(shí)存在時(shí)，不同的溶洞尺寸對(duì)隧道初支的內(nèi)力影響較大。溶洞上大下小的情況下的初支內(nèi)力最大，上下均勻最小。在隧道遭遇上下隧道時(shí)，可以采用上大下小的受力模式來設(shè)計(jì)。

（4）就隧道初支變形而言，相較于無溶洞情況，本文工況中溶洞的存在會(huì)減小隧道初支的變形，且整體數(shù)值較小。

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