隱伏溶洞分布狀態(tài)對地鐵車站深基坑穩(wěn)定性的影響

唐磊

（中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司，北京 102308）

0 引言

隱伏巖溶地層由于溶洞尺寸大小與分布形式的隨機(jī)性，往往給鄰近基坑支（圍）護(hù)結(jié)構(gòu)與基坑整體安全帶來嚴(yán)重威脅[1-2]?；娱_挖造成施工區(qū)域局部地應(yīng)力突變，其鄰近溶洞周圍區(qū)域必然積累大量應(yīng)變，溶洞尺寸越大，距離基坑越近，其影響區(qū)域越大，局部應(yīng)變積累程度越顯著，甚至出現(xiàn)于基坑貫通的塑性應(yīng)變帶[3]。眾所周知，基坑周圍土體的塑性應(yīng)變對基坑安全、穩(wěn)定起著決定作用。目前，針對不同地層各類基坑的施工響應(yīng)研究較多[4-5]，分析了土體開挖與施工擾動(dòng)作用下基坑周圍土體應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，揭示了巖溶地層溶洞誘發(fā)塑性應(yīng)變累積機(jī)理。但關(guān)于溶洞尺寸與分布狀態(tài)對鄰近塑性應(yīng)變演化規(guī)律的影響研究較少，未建立巖溶情況與基坑安全評估之間的關(guān)系。

另外，針對隱伏溶洞對隧道安全的研究較多，但關(guān)于溶洞群與基坑整體穩(wěn)定的研究尚少，而大量工程事故已表明，巖溶地層溶洞尺寸與分布對基坑安全具有重要影響。本文采用有限元方法，對比不同巖溶條件（溶洞尺寸與分布）下基坑開挖的安全系數(shù)，結(jié)合溶洞條件下塑性區(qū)范圍與發(fā)展程度，綜合分析溶洞群與巖溶地層地鐵深基坑可靠性之間的關(guān)系，揭示巖溶地層基坑失穩(wěn)機(jī)理，為該地層基坑工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化與安全施工提供必要的理論依據(jù)。

1 工程概況

農(nóng)學(xué)院站位于清溪路與學(xué)士路T字交叉口以南，沿清溪路南北方向敷設(shè)站位。車站采用兩層地下島式站臺車站形式，有效站臺寬度11m，于大里程端設(shè)區(qū)間人防隔斷門。本站設(shè)降壓變電所，為信號集中站。車站中心里程YDK12+107.465。車站主體總外包長度466.6m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度19.9m，基坑深度約16.3～22.02m，覆土厚度約為1.53～4.59m，現(xiàn)狀地面標(biāo)高1 115.65m～1 118.56m，地面縱向最大高差達(dá)2.91m。設(shè)計(jì)包括車站主體（含物業(yè)開發(fā)）、車站附屬（含出入口、風(fēng)亭、安全出口）的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)。

表1 車站設(shè)計(jì)參數(shù)

車站北接花溪公園站，南接明珠大道站，東臨金世旗楠苑，西臨南喬紫苑、博士花園，車站兩端頭設(shè)置盾構(gòu)工作井，均為盾構(gòu)始發(fā)井，車站平面位置如圖1所示。

圖1 農(nóng)學(xué)院站平面圖

根據(jù)3 號線地質(zhì)初勘、詳勘報(bào)告，共計(jì)鉆孔1 455個(gè)，發(fā)現(xiàn)溶洞的鉆孔143 個(gè)，發(fā)現(xiàn)溶洞有198 個(gè)，見洞率為13.6%；結(jié)合1、2號線工程建設(shè)實(shí)際情況，仍然會(huì)有一部分溶洞尚未探明。采用可靠的手段對溶洞進(jìn)行精確探測和妥善處理，確?；拥捻樌┕な潜卷?xiàng)目的難點(diǎn)。沿線巖溶發(fā)育，巖溶的精確探測和妥善處理技術(shù)難度大，且施工范圍地質(zhì)主要為主要以白云巖、泥質(zhì)白云巖等可溶性碳酸鹽為主，地下水較豐富，可能存在未探明地下巖溶；本車站采用半幅蓋挖順作法施工時(shí)，抽降地下水可能造成地面塌陷，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)可能導(dǎo)致溶洞填充物的流失，誘發(fā)造成地面塌陷。

2 有限元模擬

地鐵車站基坑作為一種典型的深基坑工程，其土方施工要求分層開挖，隨挖隨支。一般當(dāng)基坑開挖至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高后，未施作底板且橫撐未架設(shè)前，整個(gè)支（圍）護(hù)體系的局部應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到峰值，亦是結(jié)構(gòu)施工變形最明顯階段[4]。本研究以貴陽地鐵三號線貴州農(nóng)業(yè)大學(xué)站基坑工程為背景，通過調(diào)整溶洞尺寸與距基坑邊沿（地連墻）距離的方法，分析溶洞參數(shù)改變對基坑安全的影響規(guī)律。已知，該基坑地連墻后腰部存在大量可探明溶洞，其中最大尺寸為1.2m，最小尺寸為0.4m，最近距離為1.1m?；诖?，本次有限元建模的溶洞尺寸與位置參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 鄰近基坑溶洞尺寸與位置參數(shù)設(shè)置情況

地鐵車站基坑模型鄰近溶洞參數(shù)按照表2設(shè)置。由于該基坑較長，可視為平面應(yīng)變問題，采用二維模型即可。圍巖與地連墻采用循環(huán)法劃分網(wǎng)格，單元尺寸為0.25m，溶洞周圍與鄰近地連墻區(qū)域網(wǎng)格加密（見圖2），單元尺寸為0.05m，地連墻-土體接觸截面采用半彈性連接。主要材料參數(shù)見表3所示。

圖2 基坑地連墻后溶洞有限元模型

表3 材料參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

考慮溶洞鄰近基坑造成局部應(yīng)力突變，會(huì)導(dǎo)致塑性應(yīng)變發(fā)生累積，因此分析采用非線性分析基坑最危險(xiǎn)工況下的整體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

建立有限元模型前，需對該基坑條件進(jìn)行假設(shè)、簡化以及等效處理。針對本文所研究的主要問題，為模擬實(shí)際工程中復(fù)雜的巖土環(huán)境下，需要進(jìn)行一定合理的假設(shè)：

（1）不考慮溶洞中填充體的強(qiáng)度，對溶洞簡化為單個(gè)球體形狀的空洞研究它對支護(hù)結(jié)構(gòu)、中立柱的影響。

（3）基坑變形模擬分析中不考慮止水帷幕?850@1400旋噴樁的強(qiáng)度影響，只考慮其止水作用。

（4）使用修正的摩爾-庫倫彈塑性模型作為上覆土層及溶洞所在巖層的本構(gòu)模型，使用線彈性模型對支護(hù)樁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行模擬，鉆孔灌注樁與地下連續(xù)墻受力幾乎相同為了簡化模型支護(hù)結(jié)構(gòu)替換成地下連續(xù)墻。

（5）每層土體均為各向同性體。

數(shù)值模型設(shè)置的邊界條件：在端頭井三側(cè)水平邊界上約束其水平向位移，對模型的底部三個(gè)方向上設(shè)置固定約束，設(shè)置模型上表面為自由面，豎向格構(gòu)柱、立柱樁設(shè)置抗扭轉(zhuǎn)約束，提高數(shù)值計(jì)算收斂性。在地面范圍設(shè)置均布超載20kPa。

模型計(jì)算簡化為3個(gè)步驟，具體施工如下：

第一步：對模型設(shè)置的土層單元全部進(jìn)行激活，同時(shí)土層開始具有初始應(yīng)力，然后對初始地應(yīng)力產(chǎn)生的沉降位移進(jìn)行清除；

第二步：對溶洞進(jìn)行鈍化，模擬溶洞存在的情況下地應(yīng)力特點(diǎn)；

第三步：對支護(hù)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行激活，并進(jìn)行施工模擬[6]。

3 鄰近溶洞塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律

按照表2 所確定的各尺寸溶洞群與基坑在不同距離，開展基坑在各類工況下的開挖影響區(qū)響應(yīng)結(jié)果，結(jié)果顯示，溶洞大?。╠）與距基坑最小距離（D）均對溶洞影響區(qū)內(nèi)塑性應(yīng)變累積水平產(chǎn)生影響，溶洞自身尺寸越大，越接近基坑，其周圍塑性應(yīng)變的累積程度越顯著。

將溶洞尺寸與其距基坑最小距離統(tǒng)一化，得到溶洞尺寸與空間狀態(tài)表征參數(shù)，如式（1）所示。

式（1）中：K為溶洞狀態(tài)參數(shù)；d為溶洞尺寸；D為溶洞與基坑最小間距。

溶洞塑性區(qū)貫穿地連墻程度可利用塑性區(qū)沿地連墻縱向長度表示，通過測量可得到不同工況下塑性區(qū)延伸地連墻區(qū)域的縱向長度（L），其隨溶洞狀態(tài)參數(shù)K的變化關(guān)系見圖3。

圖3 溶洞狀態(tài)參數(shù)K與塑性區(qū)沿地連墻縱向長度L的關(guān)系

由圖3 可知，當(dāng)溶洞狀態(tài)參數(shù)K（=d/D）小于0.3時(shí)，溶洞作用下的土體塑性應(yīng)變區(qū)無法貫通接觸地連墻，即溶洞此時(shí)對基坑開挖無任何影響。當(dāng)溶洞狀態(tài)參數(shù)K大于0.3，溶洞存在對基坑安全施工產(chǎn)生一定影響。

4 鄰近溶洞群基坑開挖的穩(wěn)定性

為明確溶洞周圍塑性區(qū)貫通至基坑范圍時(shí)，其存在對基坑施工的實(shí)際影響程度，可采用基坑安全系數(shù)進(jìn)行分析。根據(jù)各工況基坑施工的有限元分析結(jié)果，得到各類溶洞狀態(tài)參數(shù)下的基坑穩(wěn)定系數(shù)。溶洞狀態(tài)參數(shù)與基坑整體安全系數(shù)關(guān)系見圖4。

圖4 溶洞狀態(tài)參數(shù)與基坑整體安全系數(shù)關(guān)系

由圖4 可見，當(dāng)溶洞狀態(tài)參數(shù)K大于0.58 時(shí)，基坑整體安全系數(shù)Ks將小于1.3，此時(shí)基坑鄰近溶洞對基坑的施工安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，該溶洞狀態(tài)參數(shù)下，溶洞周圍塑性區(qū)延伸地連墻區(qū)域的縱向長度已達(dá)1.5m 左右，雖然塑性變形已顯著貫通至基坑區(qū)域，但其對基坑施工安全的影響剛剛達(dá)到臨界狀態(tài)。因此，利用溶洞狀態(tài)參數(shù)可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對基坑整體安全的有效評估。

5 結(jié)論

針對巖溶地層地鐵深基坑整體安全影響因素多，評估難等問題，本文以溶洞尺寸與距基坑距離為主要參數(shù)，利用有限元方法，分析不同溶洞狀態(tài)對基坑塑性區(qū)貫穿程度、貫穿長度以及基坑整體安全系數(shù)的影響，揭示巖溶地層溶洞狀態(tài)參數(shù)對基坑穩(wěn)定性影響的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）溶洞大?。╠）與距基坑最小距離（D）均對溶洞影響區(qū)內(nèi)塑性應(yīng)變累積水平產(chǎn)生影響，溶洞自身尺寸越大，越鄰近基坑，其周圍塑性應(yīng)變的累積程度越顯著。

（2）當(dāng)溶洞狀態(tài)參數(shù)K（=d/D）小于0.3 時(shí)，溶洞作用下的土體塑性應(yīng)變區(qū)無法貫通接觸地連墻，即溶洞此時(shí)對基坑開挖無任何影響。當(dāng)溶洞狀態(tài)參數(shù)K大于0.3，溶洞存在對基坑安全施工產(chǎn)生一定影響。

（3）當(dāng)溶洞狀態(tài)參數(shù)K大于0.58時(shí)，基坑整體安全系數(shù)Ks將小于1.3，此時(shí)基坑鄰近溶洞對基坑的施工安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。