隐伏溶土洞对地铁盾构隧道影响的技术研究

耿少鹏

摘 要：溶土洞的存在改变了隧道施工围岩支护系统的受力变形特征，不同空间分布的溶洞对隧道施工的力学行为影响不同。根据地质勘查资料可知，溶土洞位于基层的炭质石灰岩中，主要位于隧道底部，部分位于隧道之间。而本工程溶洞基本上与隧道底部相距较远，土洞与隧道底部相距较近。为此，本文就溶土洞的大小和距离隧道底部距离变化对盾构隧道受力、变形及围岩受力、变形特征的影响进行分析。

关键词：溶土洞;数值模拟;围岩应力;隧道衬砌

中图分类号：U451.2文献标识码：A文章编号：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

國内外岩溶分布广泛。当前，随着环境岩土工程和地质灾害研究的深入，岩溶问题研究有了长足的发展。有关岩溶区溶洞对隧道工程影响的研究，除涌水、突泥之外，当前主要集中在以下几个方面[1-8]：一是有关岩溶区隧道影响范围内岩溶的探测问题;二是研究岩溶隧道灾害的超前预报、灾害的处理措施和岩溶隧道的施工方法等;三是研究不同形态和尺度溶洞引起的隧道稳定性问题，主要研究不同规模、位置的溶洞对隧道位移场、应力场和隧道支护结构内力变化的影响及对隧道施工动态的影响。这几方面的研究是相互联系、相互促进的。其中，岩溶洞穴的勘查是研究的基础，要在详细勘查基础上查明隧道影响范围内溶洞的分布，并在此基础上分析不同形态溶洞对隧道应力场、位移场和支护结构内力等的影响，判定隧道体系的稳定性，为岩溶区隧道的施工提供必要的技术支持，减少施工的盲目性。因此，在探测溶洞基础上对不同空间展布形态、尺度溶洞引起的隧道结构形态的变化进行研究是合理化设计和施工的前提条件。

1 工程背景

在广州地铁九号线飞鹅岭站～花都汽车城站隧道穿越地层中，多处为石灰岩地层。石炭系石灰岩地层由于溶蚀作用容易造成岩面起伏变化大，在岩土层交界面附近发育土洞，岩层表层和上部发育强烈的溶沟、溶槽、溶隙及溶洞等。溶洞的发育占30.66%，且36.51%的溶洞有两层以上。此地区岩溶的发育规律性差，大多呈半充填状态，充填物为软塑～可塑状黏性土或中细砂，其余呈无序状态，其形态特征、规模和分布范围都难以准确确定，具有潜在的不稳定性。

在利用盾构法施工时，若隧道下存在的溶洞、土洞的顶板厚度不满足要求，可能会造成盾构机具塌落、地面沉陷和隧道坍陷等工程事故，且这些危害具有不可预见性、随机性、突发性和长期性等特点，对工程的设计及施工和运营极其不利。因此，应充分考虑溶洞、土洞对本工程的影响，采取合理的线路和工法，以保证工程的稳定性。在对溶洞进行处理的过程中，由于溶洞分布较为分散，对溶洞进行处理时费时费力，如何高效地对其进行处理成为施工的一个难点。

2 数值分析

铁路隧道既有资料表明，对于近水平向发育的溶土洞，在溶洞尺度大于16m时，溶洞空间形态一般近似大厅状;但在溶土洞跨度较小时，溶土洞一般均近似为圆形或椭圆形。因此，此次采用圆形断面进行模拟，并将含溶洞的隧道体系简化为平面问题进行研究。

2.1 数值计算参数

根据《广州市轨道交通九号线施工1标飞鹅岭～花都汽车城区间地质勘查报告》各地层物理力学指标主要参考建议值及该区间段围岩分布情况，取围岩及管片衬砌力学参数如表1所示。

2.2 计算模型

根据以往的隧道力学资料，应遵循尽量减少“边界效应”影响的原则，即模型边界横向上一般取隧道中心到左、右边界的距离为4～6倍洞径，而模型上、下边界到洞顶、洞底的距离为2～3倍洞径。由此，根据上述原则，建模时横向以左、右线隧道中线位置向两侧各取39 m，竖向取拱底部以下28 m、拱顶以上取12 m覆土厚度。约束条件为在模型的底部边界采用竖向约束;左右边界均采用水平约束。底部隐伏溶土洞计算模型如图1所示。

此次计算采用的隧道围岩特性按均质弹塑性材料考虑，采用Druck-Prager屈服准则，围岩使用plan42单元，盾构管片采用beam3单元。限于篇幅，只列出溶洞位于拱底下方的计算模型，如图1所示。对于盾构施工过程的模拟，拟定先开挖左隧道再开挖右隧道。在计算结果分析中，洞径比（[λR]）指的是溶土洞顶的跨径与隧道跨径的比值，间距指的是溶洞边缘距隧道边缘的最小距离。

2.3 底部溶洞对隧道周边围岩位移的影响

本工况模拟盾构隧道底部存在隐伏溶洞时溶洞对开挖隧道周边围岩位移的影响。假设溶洞顶端与隧道的间距一定，分析溶洞在不同洞径比下围岩的竖向位移和水平位移。当洞径比为1时，表明溶洞的跨径与隧道直径的大小一致，分别计算溶洞顶端与隧道底端相距2 m、3 m和4 m时，底部溶洞对隧道周边围岩位移的影响。

根據获取的位移量值曲线图（见图2）分析如下：从总体规律来看，各工况下位移具有相似的规律，只是在量值上有所差别。底部溶洞对周边围岩位移的影响随着洞径比、间距的变化而变化。其中，底部土洞对围岩竖向位移的影响要大于水平位移，拱顶沉降位移要大于拱底隆起位移。

2.4 隧道左侧水平方向隐伏土洞对隧道衬砌和位移的影响

本工况模拟盾构隧道水平方向存在隐伏土洞时隐伏

土洞对开挖隧道周边围岩位移的影响。由于土洞不像溶洞一样，较大体积在岩层中依然可以成洞，因此，本工况及以下计算中，仅考虑大小为0.2、0.4、0.6和0.8洞径比的土洞，且土洞与左线隧道左侧拱腰距离分别为1 m、2 m和3 m。

根据获取的位移量值曲线图（见图3）可知：从总体规律来看，隧道左侧水平方向隐伏土洞对周边围岩的影响随着洞径比、间距的变化而变化。其中，土洞对竖向位移的影响要大于水平位移，拱顶沉降位移要大于拱底隆起位移。

3 结论

根据不同溶土洞大小与隧道之间不同的位置关系进行了相应数值计算，得出隧道底部和侧向溶土洞对周边围岩位移的影响随着洞径比、间距的变化而变化，其中隧道底部溶土洞对围岩竖向位移的影响大于水平位移，拱顶沉降位移大于拱底隆起位移;侧向溶土洞对竖向位移的影响大于水平位移，拱顶沉降位移大于拱底隆起位移。为此，在盾构掘进施工过程中，根据隧道通过区域溶土洞的位置调整掘进参数和注浆参数，减小溶土洞对隧道的影响，盾构通过后管片均无明显位移及沉降现象。

参考文献：

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