溶洞对城市轨道交通区间隧道安全影响
2023-02-11林希豪刘远明张凯锋景志泉匡南魁高晓薇
林希豪，刘远明，张凯锋，景志泉，匡南魁，高晓薇
（贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550005）
随着我国城市轨道交通建设的迅速发展，人们对地下工程的需求越来越大，随之而来出现较多的施工难题，尤其是溶洞对隧道施工的影响。位于石灰岩溶地区的西部已建公路隧道约50 %，而岩溶对隧道施工的影响主要在洞害、水害、洞穴充填物坍塌、洞顶地表塌陷四个方面。
对此，一些专家学者已有部分研究。邹成杰[1]分析不同大小的隐伏溶洞对隧洞位移的作用，史世雍[2]等人分析不同大小的隧顶溶洞对夏家庙隧道围岩位移和应力的影响，赵宏国[3]对顶部溶洞的大小对地铁隧道影响做研究等等。然而，关于不同大小和位置的溶洞对隧道的综合影响尚未研究全面。
贵阳轨道交通地铁三号线区间线路长1169 米，隧道顶埋深约5.68～17.6米，隧道主要穿越白云岩等地层，区间岩溶见洞率为46.2 %，最大溶洞约120 m3，岩层强度32～128 Mpa，有17 段带富水区域。由于贵阳地处云贵高原黔中山原丘陵中部，属于独特的喀斯特地貌，地下溶洞众多，施工时有可能会出现溶洞或引起坍塌，且洞中常出现岩溶现象，造成土层结构改变，甚至出现部分结构悬空现象。在实际施工中，溶洞的出现将减小隧道的承载能力；外加因季节变化，地下水的涌入时间和水量都不稳定，这也会增加隧道施工的安全隐患。
本文就溶洞的大小和位置对隧道施工安全的影响进行研究，得出隧道衬砌结构的受力和变形的规律，为隧道衬砌结构的设计和施工提供参考。
1 模型试验研究
1.1 试验方案
模型由石膏浇筑，并掺入重晶石膏，围岩土用凡士林混合沙土替代，各工况支护等宽。溶洞用四个大小不同、内压均为30 kPa 的气囊替代。通过粘贴在支护上的应变片的变形反映支护的形变，同时支护内部填充夯实土壤。
1.2 试验结果
物理模型实验数据如表1-5 所示。
表1 无溶洞时衬砌的轴力值和弯矩值
表2 溶洞位于隧道顶部时各测点的轴力值(kN)
表3 溶洞位于隧道顶部时各测点的弯矩值(kN·m)
表4 溶洞位于不同位置时各测点的轴力值(kN)
表5 溶洞位于不同位置时各测点的弯矩值(kN·m)
2 数值模拟研究
2.1 数值模拟方案
采用MIDAS/GTS 建模，二维数值模拟、本构模型采用摩尔-库伦准则。假定模型上边界为自由地面、底部及侧部边界位移为固定边界，模型范围为宽×高=50 m× 80 m。模拟过程中，支护结构只考虑弹性模量和泊松比，喷射混凝土强度为C20，厚度为23 cm。在开挖过程中用锚杆来加固围岩，模型的围岩等级为Ⅳ。共设计八种不同工况隧道来模拟，数值模拟工况如表6 所示。
表6 数值模拟工况
2.2 数值模拟结果
数值模拟后，各工况下隧道衬砌轴力和弯矩的结果如表7-11 所示。
3 试验及数值模拟分析
3.1 无溶洞时分析
由表1、表7 的隧道衬砌轴力和弯矩值可得：
表7 无溶洞时衬砌的轴力值和弯矩值
无溶洞隧道施工时，衬砌在拱顶和拱腰处出现负弯矩，拱脚处出现正弯矩，即衬砌上部内侧受拉、下部外侧受拉；且在拱顶处出现最大负弯矩、在拱脚处出现最大正弯矩，即衬砌拱顶和拱脚承受主要弯矩作用。衬砌整体受压。
3.2 溶洞大小影响分析
由表2、表3、表8、表9 所示的模型试验及数值模拟的各测点的隧道衬砌轴力和弯矩可得：
表8 溶洞位于隧道顶部时轴力值(kN)
表9 溶洞位于隧道顶部时弯矩值(kN·m)
（1）溶洞的存在导致衬砌受力变化，并产生相应变形。当溶洞与隧道相对位置一定时，随着溶洞半径的增大，隧道的横向变形逐渐加大，纵向变形逐渐减小，但变形量较小。
（2）整个衬砌处于受压状态；轴力值腰部大、拱部和顶部小；弯矩值脚部最大、腰部最小。
（3）当溶洞位于隧道的顶部时，随溶洞增大，衬砌拱顶处的轴力值增大，但拱腰和拱脚处的轴力值减小；衬砌各处的弯矩值都减小。
3.3 溶洞位置影响分析
由表4、表5、表10、表11 所示的模型试验及数值模拟的各测点的隧道衬砌轴力和弯矩可得：
表10 溶洞在不同位置时衬砌轴力值(kN)
表11 溶洞在不同位置时衬砌弯矩值(kN·m)
（1）溶洞位于任何位置，隧道衬砌一直受压，且衬砌轴力都是腰部最大、脚部次之、顶部最小，而衬砌弯矩则都是脚部最大、腰部次之、顶部最小。溶洞在隧道腰部和脚部时，此规律明显于在其他位置，说明溶洞在隧道拱腰和拱脚时最不利。
（2）溶洞在拱腰处，衬砌轴力大、弯矩小，弯曲变形不明显；而溶洞在拱脚处，衬砌轴力小、弯矩大，弯曲变形明显，即溶洞在拱脚处更危险。
4 结论
本文通过物理模型试验以及数值模拟试验，得到以下结论：
无溶洞时，衬砌拱顶和拱脚承受主要弯矩作用，衬砌整体呈受压状态。随溶洞增大，衬砌拱顶的轴力增大、拱腰和拱脚的轴力减小；衬砌各处的弯矩都减小且衬砌一直受压。溶洞处于隧道拱脚处是最不利位置。
