灰岩地层溶洞对隧道基坑变形的影响研究＊

章 晖，俞 伟，叶 武

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122）

岩溶属于工程不良地质，在中国广泛分布，对地铁隧道等地下工程的安全施工和运营带来很大挑战[1-2]。相关学者对在岩溶地区进行工程开挖的安全稳定性进行了大量研究，如方宇超等[3]利用ABAQUS软件研究了近接溶洞位置对隧道稳定性的影响，研究发现隧道拱腰和溶洞空腔接触段所受应力较大；陈峰等[4]利用FLAC3D软件研究了溶洞直径、埋深和内承压水头对深基坑开挖稳定性的影响；崔庆龙等[5]以广州地铁9号线为例，研究了岩溶地层基坑开挖对周围环境的影响。关于岩溶分布对基坑开挖稳定性的影响，大多数研究对溶洞形状及其与基坑相对位置的设置过于简单。

本文依托杭州市临安青山湖“桥、隧、厅”工程湖底隧道段，运用有限元软件ABAQUS，分析灰岩地层溶洞对隧道基坑稳定性的影响规律，提出安全处置隧道基坑过程溶洞区的措施，确保隧道顺利穿越该不良地质区。

1 工程概况

临安青山湖“桥、隧、厅”工程湖底隧道南北穿越青山湖，全长1.575 km。其中隧道南段下部灰岩地层为溶洞发育区。隧道穿越大型岩溶区面临着地层承载力不足、处置困难等问题，处置不当有可能导致隧道结构失稳、沉降超限等工程安全和质量问题。为有效应对湖底溶洞带来的工程问题，需要开展灰岩地层溶洞对隧道基坑稳定性影响的专项研究，并在此基础上提出相应的处置措施。

采用明挖顺作法施工，采用钻孔灌注桩围护，基坑整体开挖深度为2.0～15.5 m，整体开挖宽度为27.1～28.4 m。内支撑拟采用“钢筋混凝土+钢支撑”。基坑主要穿越素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、卵石、强风化砂岩、中风化砂岩等地层。主要土层的参数如表1所示。

表1 土层划分及其相关物理力学参数

2 数值模拟

2.1 模型建立

为了研究湖底溶洞对隧道基坑开挖稳定性的影响，建立“地层-溶洞-基坑-挡墙-支撑”二维系统模型。基坑尺寸设计为10 m×30 m（深×宽）。为提高模拟精度和效率，将基坑灌注桩围护处理为挡墙结构，高14 m、厚0.6 m。对挡墙与基坑采用有限滑移接触分析，法向采用硬接触，切向采用库伦摩擦（摩擦系数0.3）。挡墙与支撑参数如表2所示。模型边界条件为：侧面约束水平方向位移、底面约束水平和竖直方向位移、顶面不约束。

表2 各部件参数表

2.2 开挖方案

分层开挖深基坑，设置3道支撑，先撑后挖。模拟分析步设置如表3所示。

表3 基坑开挖及支撑分析步设置

2.3 数值试验

本文主要研究不同位置的溶洞对基坑和基坑支护稳定性的影响，在被动区、过渡区和主动区分别设计2个溶洞，溶洞编号为1—6，直径为4 m，距基坑底部2 m（溶洞位置如图1所示）。溶洞2、3、6外边缘距离基坑挡墙最近距离为1 m。对基坑进行开挖和支护，开挖后获取基坑底部的变形位移情况。为了研究注浆填充对控制溶洞影响的效果，另设计2个数值试验，分别对溶洞1和溶洞2采用C20混凝土进行填充处理，然后对基坑进行开挖，并获取坑底的变形曲线。

图1 溶洞位置示意图

3 结果分析

不同位置溶洞影响下基坑开挖后底部位移如图2所示。从图中可明显看出，基坑开挖导致基坑底部隆起。溶洞位于被动区时（溶洞1、溶洞2），对基坑稳定性影响最大。溶洞1处坑底变形呈对称分布，基坑底部中间段（溶洞正上方区域）隆起最为严重，15 m处隆起高度达23.52 mm，向两侧高度逐渐减少至8.35 mm。溶洞2处坑底变形不再呈对称分布，最大隆起发生在7.5 mm处，高度为21.50 mm。左端点隆起高度最低，为1.96 mm；右端点隆起高度为8.51 mm。在溶洞3、4、5、6处，基坑底部隆起差异不大，基本呈对称分布。以溶洞3为例，基坑中部隆起高度最高，为18.19 mm；向两侧对称减小，左端点隆起高度为7.66 mm、右端点隆起高度为8.11 mm。由结果可知，溶洞的存在会导致基坑底部隆起加剧，且对基坑底部变形影响较大的溶洞位置位于基坑底部的被动区内。且溶洞越靠近基底中部，影响越大。要重视此区域内的溶洞对基坑底部稳定性的影响。

图2 不同位置溶洞影响下基坑开挖后底部位移图

为溶洞1和溶洞2先注浆后进行基坑开挖时，基坑开挖10 m深度后基坑底部位移如图3所示。对溶洞进行注浆后，基坑底部隆起均有所减小。为溶洞1注浆时，溶洞上方区域的基坑隆起明显减小，甚至比两侧隆起高度要低。15 m处隆起高度为15.16 mm；10 m和20 m处隆起高度最高，为15.51 mm；两端隆起高度最小，为6.52 mm；相比未注浆时，基坑底部隆起高度明显减小（未注浆时坑底最大隆起高度为23.52 mm）。对溶洞2注浆时，基坑底部隆起曲线明显不同于未注浆时，此时呈现明显的对称性。中部15 m处隆起高度最高，为16.69 mm；向两端逐渐减小至6.40 mm，相比于未注浆时，基层底部隆起高度也明显减小（未注浆时坑底最大隆起高度为21.50 mm）。以上结果表明，注浆填充可以有效地减小坑底灰岩溶洞对基坑稳定性的影响。采用C20混凝土即可取得理想效果。

图3 位置1、位置2溶洞注浆后基坑底部位移图

4 结论

针对灰岩地层不同位置溶洞对隧道基坑稳定性的影响，采用ABAQUS有限元软件建立了“地上土体-地下土地-管线-基坑围护墙-围护支撑”的系统模型，研究了基底不同位置溶洞对基坑底部隆起变形的影响规律，探究了注浆加固对控制溶洞影响的效果。具体结论如下：①溶洞的存在导致基坑底部隆起加剧，不同位置溶洞会对基坑的稳定性产生不同影响。②对基坑底部变形影响较大的溶洞位于基坑底部的被动区内，且溶洞越靠近基底中部，影响越大。相同尺寸和形状的溶洞位于基坑底部中间部位时，坑底最大隆起高度达23.52 mm，而过渡区和主动区中溶洞引起的坑底最大隆起高度只有18.19 mm。③基坑开挖前对坑底下部的溶洞进行注浆填充可以有效降低由开挖引起的坑底隆起。对于此工程，采用C20混凝土注浆即可达到较好的效果。