岩溶地区动荷载下隧道的稳定性分析

范明学，刘科

（中国二院成都勘察设计研究院有限责任公司，成都610081）

1 引言

近年来，为更好地提高城市规划发展，解决生存及活动空间拥堵等问题，地下空间的开发也在日益扩大，以地下隧道交通建设为主的大规模地下空间开发正开展得如火如荼。然而，在大规模地下隧道建设的同时，地面建筑物分布集中，地下及地面建筑物附属设施处理不当，地下地质环境复杂，人员车辆流通性大等问题也是影响地下施工的因素[1，2]。因此，研究周边环境情况对地下工程建设具有重要意义。

2 工程概况

某地下隧道总体呈东西向，长约41.97 km，由2 条并行的单线隧道组成。其中，里程YAK0+000 至YAK3+000 为高架方案；YAK3+000 至YAK7+280 为地下线线路。该地下隧道岩溶主要分布于该线西段浔峰岗—大坦沙（YAK0+000~YAK7+100）。使用由德国Herrick 制造的土压平衡盾构机进行隧道挖掘。刀头直径6.28 m，采用盾尾同步灌浆（砂浆）。隧道衬砌由预制钢筋混凝土段制成，外径为6.0 m，内径为5.4 m。段宽为1.5 m，埋藏深度7.8~38.55 m。

3 三维有限元模型

本文选取YAK0+050~YAK7+070 段建立数值模型，该隧道所在位置存在一个实际无填充的溶洞，溶洞高度约3.5 m，水平长度约6.8 m，长度走向延隧道方向，位于隧道右下方。本数值计算模型将溶洞简化为直径为3.5 m，长度约6.8 m 的圆柱体空洞，与隧道的圆心距为7.25 m。由于岩溶水具有连通性，分析中不考虑空溶洞岩溶水的强度。根据数值计算经验，土层边界影响范围取隧道开挖直径的3~5 倍。如图1 所示，Abaqus 建立的模型长为50 m，宽为20 m，高为50 m，隧道顶部距离地表10 m，直径6 m，衬砌厚度为0.3 m。模型四周水平和竖直位移受周边土体的存在而限制，模型底部限制水平与竖直方向的位移，地表面无约束（即自由），对整个模型添加重力作用。

由于隧道与土体通常只产生径向压力，很少产生摩擦，因此，隧道和土体之间的接触使用tie 命令将两者绑定，即让两者接触点的转角和位移保持一致，由此在土体产生变形时会对隧道产生相应的压力，而隧道会产生相应的抗力。

岩层、土层及隧道衬砌力学参数取值如表1 所示。

图1 溶洞在隧道侧方模型图

表1 材料物理力学参数表

4 数值结果分析

本文主要研究了隧道正侧方溶洞存在对地基及地下隧道的影响。由计算结果可知，无荷载工况下的最大应力约为1 098 kPa；集中静荷载工况下的最大应力约为1 252 kPa，较无荷载工况提升了14%；集中移动简谐荷载工况下的最大应力约为1 362 kPa，较无荷载工况提升了24%。可见，溶洞在隧道正侧方时，隧道作用荷载对地基应力有显著的影响，尤其是移动简谐荷载。

图2 研究了溶洞在正侧方时地表沉降随荷载移动速度变化规律。隧道直径为6 m，溶洞直径为3 m，溶洞距隧道的距离为3 m。无量纲速度采用荷载移动速度/土体剪切波速，地表沉降随着荷载移动速度的提升迅速增大，并在荷载移动速度/土体剪切波速约为1.0 时达到峰值130 mm，当荷载速度超过土体剪切波速后，地表沉降明显减小。由此得出，荷载移动速度对地表沉降作用明显。因此，溶洞位于隧道正侧方时的关键速度即为1.0 倍的剪切波速。

图2 溶洞在正侧方时地表沉降随荷载移动速度变化

图3 给出了地下移动荷载作用下地表沉降随溶洞洞径的变化曲线，并对比了不同溶洞与隧道边距工况，边距从6 m 减小至1 m。随着土洞洞径的增加，地表移动荷载引起的地表沉降总体呈上升趋势。溶洞与隧道边距为6 m 时，随着溶洞洞径从1 m 增大至6 m，地表沉降从-18 mm 缓慢增加至-20.5 mm。但当溶洞与隧道边距减低至1 m 时，随着溶洞洞径的增大，地表沉降从-20 mm 加速增加到-32 mm。可见，随着溶洞与隧道边距减小，溶洞洞径对地表沉降的影响愈加显著。当溶洞出现在隧道的正上方时，可能存在以下几方面的原因：（1）溶洞未处理时的自身稳定性比较差，在自重应力作用下，溶洞顶部也会产生较大的沉降位移，从而增大了隧道本身引起的地表沉降；（2）地下移动荷载会引起隧道和溶洞周边土体的扰动，会使这部分土体的初始应力状态发生改变，从而导致地表沉降显著增大；（3）隧道上方溶洞的存在变相增大了隧道本身的尺寸，即溶洞存在进一步削弱了隧道顶拱围岩的整体性，使隧道拱顶土体变形刚度降低，也导致了地表沉降的增大。并且，当溶洞洞径一定时，溶洞与隧道边距的减小会进一步放大这些叠加效应，从而导致溶洞洞径对地表沉降的影响愈加显著。

图3 溶洞在正上方时不同边距下地表沉降随洞径变化

5 结语

本文基于Abaqus 有限元软件，建立了地下移动荷载作用下的溶洞-衬砌-隧道三维耦合模型。经分析可知，地下移动荷载对地基和地下隧道的应力响应和位移响应有显著的影响，尤其是移动简谐荷载。地下移动荷载作用下，溶洞-衬砌-隧道体系存在关键速度，地表沉降随着移动荷载速度的提升而增大，并在达到关键速度时沉降值最大而后迅速减小。当溶洞与隧道边距为定值时，地下移动荷载下的地表沉降随着溶洞洞径的增大迅速增大，并且随着溶洞与隧道边距减小，溶洞洞径对地表沉降的影响愈加显著。