頂部溶洞對貴陽軌道交通隧道圍巖變形及襯砌內力研究分析

（貴州大學，貴州 貴陽 550003）

1 引言

隨著西南地區基礎建設不斷的發展，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，但是如何處理和規避城市隧道開挖過程中所遭遇的巖溶災害問題是難點。在巖溶發育地區隧道施工過程中，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侵入了開挖輪廓線以內，而隱伏溶洞則在施工過程中發現不了，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、充填物會嚴重影響隧道原有的應力平衡，當隧道支護不足時會發生嚴重的巖溶突水、突泥災害，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定性及襯砌的內力的影響，得到計算結果并進行分析。

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，起于觀山湖區朱昌鎮竇官村，經云巖區和南明區，止于經開區場壩村，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號線地質鉆孔5878個，發現溶洞1196個（部分為串狀溶洞），見洞率為20.3%。根據貴陽軌道交通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 貴陽市軌道交通區間溶洞洞徑統計

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現多處樁基底、結構底板下、區間隧道結構周圍有隱伏溶洞的情況；而老城區巖溶強烈發育，施工中發現有巖溶破碎帶、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、雅蠻區間大型溶洞及暗河，施工難度和施工工程風險大。

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值分析

3.1 計算參數

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埋深分布在5m～35m范圍內，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，具體參數如表3所示。

表3 IV級圍巖力學參數指標

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果如圖6、圖7所示。（規定豎向坐標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，對隧道圍巖的位移影響越小。當溶洞比較小時，溶洞對隧道拱頂位移是增大的，最大增幅達到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，當溶洞洞徑為8m距離隧道1m時水平收斂最大，增幅達到70%左右。隨著溶洞離隧道距離越遠，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，頂部出現溶洞后，噴射混凝土的最大軸力出現在拱頂處，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，最大增幅達到了兩倍以上，出現在支護的頂部。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。得出以下結論：

（1）當隧道頂部出現溶洞時，會對圍巖的拱頂沉降和水平收斂位移產生影響，水平收斂基本呈增加趨勢；當洞徑大于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。當頂部出現溶洞時，需對初期支護進行加強。

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