隱伏溶土洞對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道影響的技術(shù)研究

耿少鵬

摘 要：溶土洞的存在改變了隧道施工圍巖支護(hù)系統(tǒng)的受力變形特征，不同空間分布的溶洞對(duì)隧道施工的力學(xué)行為影響不同。根據(jù)地質(zhì)勘查資料可知，溶土洞位于基層的炭質(zhì)石灰?guī)r中，主要位于隧道底部，部分位于隧道之間。而本工程溶洞基本上與隧道底部相距較遠(yuǎn)，土洞與隧道底部相距較近。為此，本文就溶土洞的大小和距離隧道底部距離變化對(duì)盾構(gòu)隧道受力、變形及圍巖受力、變形特征的影響進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：溶土洞;數(shù)值模擬;圍巖應(yīng)力;隧道襯砌

中圖分類號(hào)：U451.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）04-0087-03

Abstract： The existence of dissolved soil tunnel changes the mechanical deformation characteristics of surrounding rock support system in tunnel construction， and different spatial distribution caverns have different effects on the mechanical behavior of tunnel construction. According to the geological survey， it is revealed that the karst cave is located in the carbonaceous limestone of the base course， mainly at the bottom of the tunnel and partly between the tunnels. And the cave of this project is far away from the bottom of the tunnel， while the earth hole is close to the bottom of the tunnel. In this paper， the influence of the size of the karst hole and the distance from the bottom of the tunnel on the stress， deformation and deformation characteristics of the surrounding rock were analyzed.

Keywords： dissolved soil hole;numerical simulation;surrounding rock stress;tunnel lining

國(guó)內(nèi)外巖溶分布廣泛。當(dāng)前，隨著環(huán)境巖土工程和地質(zhì)災(zāi)害研究的深入，巖溶問(wèn)題研究有了長(zhǎng)足的發(fā)展。有關(guān)巖溶區(qū)溶洞對(duì)隧道工程影響的研究，除涌水、突泥之外，當(dāng)前主要集中在以下幾個(gè)方面[1-8]：一是有關(guān)巖溶區(qū)隧道影響范圍內(nèi)巖溶的探測(cè)問(wèn)題;二是研究巖溶隧道災(zāi)害的超前預(yù)報(bào)、災(zāi)害的處理措施和巖溶隧道的施工方法等;三是研究不同形態(tài)和尺度溶洞引起的隧道穩(wěn)定性問(wèn)題，主要研究不同規(guī)模、位置的溶洞對(duì)隧道位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的影響及對(duì)隧道施工動(dòng)態(tài)的影響。這幾方面的研究是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)的。其中，巖溶洞穴的勘查是研究的基礎(chǔ)，要在詳細(xì)勘查基礎(chǔ)上查明隧道影響范圍內(nèi)溶洞的分布，并在此基礎(chǔ)上分析不同形態(tài)溶洞對(duì)隧道應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力等的影響，判定隧道體系的穩(wěn)定性，為巖溶區(qū)隧道的施工提供必要的技術(shù)支持，減少施工的盲目性。因此，在探測(cè)溶洞基礎(chǔ)上對(duì)不同空間展布形態(tài)、尺度溶洞引起的隧道結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化進(jìn)行研究是合理化設(shè)計(jì)和施工的前提條件。

1 工程背景

在廣州地鐵九號(hào)線飛鵝嶺站～花都汽車城站隧道穿越地層中，多處為石灰?guī)r地層。石炭系石灰?guī)r地層由于溶蝕作用容易造成巖面起伏變化大，在巖土層交界面附近發(fā)育土洞，巖層表層和上部發(fā)育強(qiáng)烈的溶溝、溶槽、溶隙及溶洞等。溶洞的發(fā)育占30.66%，且36.51%的溶洞有兩層以上。此地區(qū)巖溶的發(fā)育規(guī)律性差，大多呈半充填狀態(tài)，充填物為軟塑～可塑狀黏性土或中細(xì)砂，其余呈無(wú)序狀態(tài)，其形態(tài)特征、規(guī)模和分布范圍都難以準(zhǔn)確確定，具有潛在的不穩(wěn)定性。

在利用盾構(gòu)法施工時(shí)，若隧道下存在的溶洞、土洞的頂板厚度不滿足要求，可能會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)具塌落、地面沉陷和隧道坍陷等工程事故，且這些危害具有不可預(yù)見性、隨機(jī)性、突發(fā)性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，對(duì)工程的設(shè)計(jì)及施工和運(yùn)營(yíng)極其不利。因此，應(yīng)充分考慮溶洞、土洞對(duì)本工程的影響，采取合理的線路和工法，以保證工程的穩(wěn)定性。在對(duì)溶洞進(jìn)行處理的過(guò)程中，由于溶洞分布較為分散，對(duì)溶洞進(jìn)行處理時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如何高效地對(duì)其進(jìn)行處理成為施工的一個(gè)難點(diǎn)。

2 數(shù)值分析

鐵路隧道既有資料表明，對(duì)于近水平向發(fā)育的溶土洞，在溶洞尺度大于16m時(shí)，溶洞空間形態(tài)一般近似大廳狀;但在溶土洞跨度較小時(shí)，溶土洞一般均近似為圓形或橢圓形。因此，此次采用圓形斷面進(jìn)行模擬，并將含溶洞的隧道體系簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行研究。

2.1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《廣州市軌道交通九號(hào)線施工1標(biāo)飛鵝嶺～花都汽車城區(qū)間地質(zhì)勘查報(bào)告》各地層物理力學(xué)指標(biāo)主要參考建議值及該區(qū)間段圍巖分布情況，取圍巖及管片襯砌力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)以往的隧道力學(xué)資料，應(yīng)遵循盡量減少“邊界效應(yīng)”影響的原則，即模型邊界橫向上一般取隧道中心到左、右邊界的距離為4～6倍洞徑，而模型上、下邊界到洞頂、洞底的距離為2～3倍洞徑。由此，根據(jù)上述原則，建模時(shí)橫向以左、右線隧道中線位置向兩側(cè)各取39 m，豎向取拱底部以下28 m、拱頂以上取12 m覆土厚度。約束條件為在模型的底部邊界采用豎向約束;左右邊界均采用水平約束。底部隱伏溶土洞計(jì)算模型如圖1所示。

此次計(jì)算采用的隧道圍巖特性按均質(zhì)彈塑性材料考慮，采用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則，圍巖使用plan42單元，盾構(gòu)管片采用beam3單元。限于篇幅，只列出溶洞位于拱底下方的計(jì)算模型，如圖1所示。對(duì)于盾構(gòu)施工過(guò)程的模擬，擬定先開挖左隧道再開挖右隧道。在計(jì)算結(jié)果分析中，洞徑比（[λR]）指的是溶土洞頂?shù)目鐝脚c隧道跨徑的比值，間距指的是溶洞邊緣距隧道邊緣的最小距離。

2.3 底部溶洞對(duì)隧道周邊圍巖位移的影響

本工況模擬盾構(gòu)隧道底部存在隱伏溶洞時(shí)溶洞對(duì)開挖隧道周邊圍巖位移的影響。假設(shè)溶洞頂端與隧道的間距一定，分析溶洞在不同洞徑比下圍巖的豎向位移和水平位移。當(dāng)洞徑比為1時(shí)，表明溶洞的跨徑與隧道直徑的大小一致，分別計(jì)算溶洞頂端與隧道底端相距2 m、3 m和4 m時(shí)，底部溶洞對(duì)隧道周邊圍巖位移的影響。

根據(jù)獲取的位移量值曲線圖（見圖2）分析如下：從總體規(guī)律來(lái)看，各工況下位移具有相似的規(guī)律，只是在量值上有所差別。底部溶洞對(duì)周邊圍巖位移的影響隨著洞徑比、間距的變化而變化。其中，底部土洞對(duì)圍巖豎向位移的影響要大于水平位移，拱頂沉降位移要大于拱底隆起位移。

2.4 隧道左側(cè)水平方向隱伏土洞對(duì)隧道襯砌和位移的影響

本工況模擬盾構(gòu)隧道水平方向存在隱伏土洞時(shí)隱伏

土洞對(duì)開挖隧道周邊圍巖位移的影響。由于土洞不像溶洞一樣，較大體積在巖層中依然可以成洞，因此，本工況及以下計(jì)算中，僅考慮大小為0.2、0.4、0.6和0.8洞徑比的土洞，且土洞與左線隧道左側(cè)拱腰距離分別為1 m、2 m和3 m。

根據(jù)獲取的位移量值曲線圖（見圖3）可知：從總體規(guī)律來(lái)看，隧道左側(cè)水平方向隱伏土洞對(duì)周邊圍巖的影響隨著洞徑比、間距的變化而變化。其中，土洞對(duì)豎向位移的影響要大于水平位移，拱頂沉降位移要大于拱底隆起位移。

3 結(jié)論

根據(jù)不同溶土洞大小與隧道之間不同的位置關(guān)系進(jìn)行了相應(yīng)數(shù)值計(jì)算，得出隧道底部和側(cè)向溶土洞對(duì)周邊圍巖位移的影響隨著洞徑比、間距的變化而變化，其中隧道底部溶土洞對(duì)圍巖豎向位移的影響大于水平位移，拱頂沉降位移大于拱底隆起位移;側(cè)向溶土洞對(duì)豎向位移的影響大于水平位移，拱頂沉降位移大于拱底隆起位移。為此，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中，根據(jù)隧道通過(guò)區(qū)域溶土洞的位置調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和注漿參數(shù)，減小溶土洞對(duì)隧道的影響，盾構(gòu)通過(guò)后管片均無(wú)明顯位移及沉降現(xiàn)象。

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