溶洞對城市地鐵隧道內力及變形影響分析

摘 要：本文基于西南巖溶區某地鐵隧道工程，采用ABAQUS數值模擬系統分析了溶洞尺寸、溶洞位置及溶洞與地鐵隧道凈間距對隧道穩定性的影響，結果表明：數值模擬得到的關于隧道拱頂沉降和隧道水平收斂變形與現場實測結果非常吻合，證明本文數值模擬是有效的。溶洞直徑對隧道拱頂位移的影響要明顯大于對拱腳水平收斂變形的影響。此外，當溶洞與隧道凈間距大于0.5倍隧道直徑時，隧道變形接近無溶洞情況。對拱頂變形來說，溶洞位于隧道頂部時影響最大，溶洞位于其他位置時影響基本可以忽略。對拱腳水平收斂變形來說，當溶洞位于隧道側部時，影響最大，其次是溶洞位于隧道底部。當溶洞位于隧道頂部時，溶洞對隧道拱腳水平收斂變形影響基本可以忽略。

關鍵詞：地鐵隧道；溶洞；內力及變形；數值模擬

中圖分類號：U 45" " 文獻標志碼：A

隨著我國經濟的快速發展，全國各地的地鐵隧道工程也取得了進步，但我國西部地區存在大范圍的可溶性巖層，給地鐵隧道工程建設及安全運營帶來了巨大的挑戰。復雜的地質條件和破碎的巖層導致很多巖溶區地鐵隧道工程常發生事故。因此大量的學者對巖溶區隧道穩定性進行了研究。常洲等[1]基于四川省峨漢高速隧道工程研究了隱伏充填型溶洞對隧道穩定性影響。結果表明，不同分布溶洞對隧道穩定性影響大小表現為側部＞底部＞頂部，并針對不同形式的溶洞，提出了對應的支護方案。邵勇等[2]根據南京地鐵隧道，采用數值模擬研究了小型溶洞對隧道穩定性的影響。結果表明，當溶洞尺寸和位置變化時，圍巖塑性區面積隨著溶洞尺寸增加而擴大，此外，溶洞位于拱肩時塑性區面積大于溶洞位于拱腰區。楊為民等[3]采用數值模擬研究了隧道前方大型溶洞對隧道圍巖穩定性影響。結果表明，溶洞的存在使隧道開挖塑性破壞區不停擴大，且溶洞對隧道底部和左側拱腰的影響要大于對隧道頂部及右側拱腰的影響。

巖溶區溶洞對隧洞穩定性是影響隧道施工和安全運營的重要因素，本文為研究溶洞對隧道內力及變形的影響。采用ABAQUS有限元建立數值計算模型，分析了溶洞位置、尺寸及間距對隧道穩定性的影響，并與現場實際監測數據進行對比分析。本文的研究可為巖溶區隧道的設計及加固提供參考。

1 工程概況及數值模擬

1.1 工程概況

研究隧道位于我國西部某城市地鐵段，研究區屬于典型的溶蝕-侵蝕地貌，地勢起伏度較大，受巖溶和侵蝕作用強烈。自然坡度為15°～30°。研究區降雨量充沛，降水多數以地表徑流方式匯入河溝，其余降水沿第四系基巖孔隙深入地下，是地下水補給的主要來源。

本文研究的地鐵隧洞全長3.3km，半徑為5m，埋深約50m。鉆孔資料顯示，研究區溶洞較為發育，且溶洞分布在3～20m。根據鉆孔資料，研究區覆蓋層主要為填土和碎石土層，平均厚度較淺。可溶巖層主要為石灰巖地層，顏色呈灰色-灰黑色，分化強烈，結構破碎。采用新奧法開挖隧道，初期支護采用錨桿與鋼拱架，二次支護采用現澆混凝土，圍巖級別為III～IV級。現場調查發現，地鐵隧道3km內共分布溶洞30個，因此研究區隧道受溶洞的影響較大。

1.2 數值模型

采用ABAQUS數值有限元建立計算模型（圖1）。為提高計算效率，數值模型設置為正方體。假設隧道為規則半圓形。隧道半徑均為5m。溶洞位于隧洞不同位置。

模型網格采用C3D8R減縮積分單元。模型網格總數為84210。模型分析步驟如下。①無溶洞建模。②地應力平衡。③模擬隧道開挖。④根據步驟①的結果將溶洞位置巖體挖除。⑤地應力平衡。⑥模擬隧道開挖。模型左右邊界約束水平方向的位移，上下邊界約束水平和豎向位移。在模型中，巖土體計算采用的本構模型為摩爾-庫倫。模型參數見表1。此外，為簡化計算，本文數值模擬計算不考慮地下水作用。

2 計算結果與分析

2.1 數值模擬驗證

為驗證本文數值模擬的有效性，對研究區地鐵隧道拱頂和隧道水平位移收斂的數值模擬結果與實測結果進行對比分析（圖2）。結果表明，拱頂沉降與隧道水平收斂的數值模擬結果與實測結果基本一致。總體來看，隧道拱頂的沉降隨掌子面與監測斷面的距離增加而增加，當掌子面與監測斷面的距離為10m時，拱頂沉降變形趨于平緩。拱頂最大沉降的數值模擬結果為13.8mm，現場實測結果為11.4mm。此外，根據隧道水平收斂規律表現出與隧道拱頂沉降相同的變形趨勢。總體來看，數值模擬與實測結果非常吻合，證明本文數值模擬是有效的[4-6]。

2.2 溶洞尺寸對地鐵隧道穩定性的影響

為研究溶洞尺寸對隧道穩定性的影響，本文計算了溶洞直徑分別為2.8m、8.5m、14m，無溶洞工況下隧道拱頂沉降和拱腳水平收斂結果，如圖3所示。圖3（a）的結果表明，隧道拱頂沉降隨掌子面與監測斷面的距離增加而增加。在其他條件不變的情況下，無溶洞時的拱頂沉降最小。溶洞直徑越大，隧道拱頂沉降越大。其中無溶洞時，拱頂最大沉降為11mm。當溶洞半徑為8.5m時，拱頂最大沉降為11mm。當溶洞半徑為814m時，拱頂最大沉降為22mm。由此可見，溶洞尺寸對隧道的拱頂沉降變形影響較大。圖3（b）的結果表明，水平收斂變形與拱頂沉降變化規律基本相同。當無溶洞時，水平收斂最大值為9.2mm，當溶洞直徑為14m時，水平收斂最大值為11mm，增加了15%。總體來看，溶洞直徑對隧道變形主要集中在隧道拱頂沉降變形。

2.3 溶洞與地鐵隧道間距對隧道穩定性的影響

圖4為溶洞與隧道間距對隧道穩定性的影響。結果表明，隧道拱頂沉降和拱腳水平收斂均表現出典型的“S”形曲線。圖4（a）的結果表明，在其他條件相同的情況下，增加溶洞與隧道的間距可以顯著減少隧洞拱頂沉降變形和水平收斂變形。對比拱頂沉降和水平收斂變形發現，溶洞與隧道間距對拱頂的沉降變形影響顯著大于對水平收斂變形。此外，當溶洞與隧道的凈間距大于0.5倍的隧道直徑時，隧洞變形接近無溶洞情況。

2.4 溶洞位置對地鐵隧道穩定性的影響

為進一步研究溶洞不同位置對隧道穩定性的影響。本文分別計算了溶洞位于隧道頂部、隧道側部和隧道底部3種不同位置對隧道穩定性的影響。分析結果表明，溶洞位于不同位置對隧道的變形影響有所不同。在其他條件相同的情況下，當溶洞位于隧道頂部時，隧道拱頂變形最大，當溶洞位于側部和底部時，溶洞與隧道洞頂變形影響較小。其中，無溶洞時，拱頂最大變形為11mm，當溶洞位于拱頂時，拱頂最大變形為15mm，變形增加了33%。在其他條件相同的情況下，當溶洞位于隧道側部時，隧道拱腳收斂變形最大，當溶洞位于底部時，溶洞與隧道洞頂變形影響次之。而溶洞位于隧道頂部時，溶洞對拱腳的水平收斂變形影響非常小。當無溶洞時，拱腳水平收斂變形為9mm。當溶洞位于隧道底部時，拱腳水平收斂變形為12.6mm，變形增加了40%。當溶洞位于隧道側部時，拱腳平收斂變形為15mm，變形增加了71%。

3 結論

本文根據西南某地巖溶區地鐵隧道工程，基于ABAQUS數值對隧道內力及變形的影響進行模擬。系統研究了溶洞尺寸、溶洞位置及溶洞與隧道凈間距對隧道穩定性的影響。得到以下幾點結論。1）隧道拱頂的沉降隨掌子面與監測斷面的距離增加而增加，當距掌子面與監測斷面的距離為10m時，拱頂沉降變形趨于平緩。拱頂最大沉降的數值模擬結果為13.8mm，現場實測結果為11.4mm。此外，根據隧道水平收斂規律表現出于隧道拱頂沉降相同的變形趨勢。總體來看，數值模擬與實測結果非常吻合，證明本文數值模擬是有效的。2）溶洞直徑對隧道變形主要集中在隧道拱頂沉降變形。當溶洞與隧道凈間距大于0.5倍的隧道直徑時，隧洞變形接近無溶洞情況。3）當溶洞位于隧道頂部時，隧道拱頂變形最大，溶洞位于側部和底部時，溶洞與隧道洞頂變形影響較小。此外，當溶洞位于隧道側部時，隧道拱腳收斂變形最大，溶洞位于底部時，溶洞與隧道洞頂變形影響次之。而溶洞位于隧道頂部時，溶洞對拱腳的水平收斂變形影響非常小。

參考文獻

[1]常洲，魏研博，冷浩，等.隱伏充填型溶洞對隧道穩定性影響與防治技術[J].公路，2022，67（9）：439-445.

[2]邵勇，閻長虹，許寶田，等.小型溶洞對隧道穩定性的影響分析[J].地質論評，2012，58（3）：519-525.

[3]楊為民，楊昕，袁永才，等.隧道前方大型溶洞對隧道圍巖穩定性影響[J].科學技術與工程，2017，17（8）：239-243.

[4]唐偵湛，范海軍，易鑫，等.溶洞分布部位對隧道穩定性影響的數值分析[J].公路工程，2013，38（6）：198-201.

[5]吳治生，張杰.巖溶隧道地質構造與圍巖等級的劃分[J].鐵道工程學報，2012，29（4）：6-12.

[6]曹潔，左宇軍，李偉，等.充水溶洞對隧道圍巖穩定性影響的數值模擬[J].工業安全與環保，2016，42（11）：5-7，49.