溶洞对城市地铁隧道内力及变形影响分析

摘 要：本文基于西南岩溶区某地铁隧道工程，采用ABAQUS数值模拟系统分析了溶洞尺寸、溶洞位置及溶洞与地铁隧道净间距对隧道稳定性的影响，结果表明：数值模拟得到的关于隧道拱顶沉降和隧道水平收敛变形与现场实测结果非常吻合，证明本文数值模拟是有效的。溶洞直径对隧道拱顶位移的影响要明显大于对拱脚水平收敛变形的影响。此外，当溶洞与隧道净间距大于0.5倍隧道直径时，隧道变形接近无溶洞情况。对拱顶变形来说，溶洞位于隧道顶部时影响最大，溶洞位于其他位置时影响基本可以忽略。对拱脚水平收敛变形来说，当溶洞位于隧道侧部时，影响最大，其次是溶洞位于隧道底部。当溶洞位于隧道顶部时，溶洞对隧道拱脚水平收敛变形影响基本可以忽略。

关键词：地铁隧道；溶洞；内力及变形；数值模拟

中图分类号：U 45" " 文献标志码：A

随着我国经济的快速发展，全国各地的地铁隧道工程也取得了进步，但我国西部地区存在大范围的可溶性岩层，给地铁隧道工程建设及安全运营带来了巨大的挑战。复杂的地质条件和破碎的岩层导致很多岩溶区地铁隧道工程常发生事故。因此大量的学者对岩溶区隧道稳定性进行了研究。常洲等[1]基于四川省峨汉高速隧道工程研究了隐伏充填型溶洞对隧道稳定性影响。结果表明，不同分布溶洞对隧道稳定性影响大小表现为侧部＞底部＞顶部，并针对不同形式的溶洞，提出了对应的支护方案。邵勇等[2]根据南京地铁隧道，采用数值模拟研究了小型溶洞对隧道稳定性的影响。结果表明，当溶洞尺寸和位置变化时，围岩塑性区面积随着溶洞尺寸增加而扩大，此外，溶洞位于拱肩时塑性区面积大于溶洞位于拱腰区。杨为民等[3]采用数值模拟研究了隧道前方大型溶洞对隧道围岩稳定性影响。结果表明，溶洞的存在使隧道开挖塑性破坏区不停扩大，且溶洞对隧道底部和左侧拱腰的影响要大于对隧道顶部及右侧拱腰的影响。

岩溶区溶洞对隧洞稳定性是影响隧道施工和安全运营的重要因素，本文为研究溶洞对隧道内力及变形的影响。采用ABAQUS有限元建立数值计算模型，分析了溶洞位置、尺寸及间距对隧道稳定性的影响，并与现场实际监测数据进行对比分析。本文的研究可为岩溶区隧道的设计及加固提供参考。

1 工程概况及数值模拟

1.1 工程概况

研究隧道位于我国西部某城市地铁段，研究区属于典型的溶蚀-侵蚀地貌，地势起伏度较大，受岩溶和侵蚀作用强烈。自然坡度为15°～30°。研究区降雨量充沛，降水多数以地表径流方式汇入河沟，其余降水沿第四系基岩孔隙深入地下，是地下水补给的主要来源。

本文研究的地铁隧洞全长3.3km，半径为5m，埋深约50m。钻孔资料显示，研究区溶洞较为发育，且溶洞分布在3～20m。根据钻孔资料，研究区覆盖层主要为填土和碎石土层，平均厚度较浅。可溶岩层主要为石灰岩地层，颜色呈灰色-灰黑色，分化强烈，结构破碎。采用新奥法开挖隧道，初期支护采用锚杆与钢拱架，二次支护采用现浇混凝土，围岩级别为III～IV级。现场调查发现，地铁隧道3km内共分布溶洞30个，因此研究区隧道受溶洞的影响较大。

1.2 数值模型

采用ABAQUS数值有限元建立计算模型（图1）。为提高计算效率，数值模型设置为正方体。假设隧道为规则半圆形。隧道半径均为5m。溶洞位于隧洞不同位置。

模型网格采用C3D8R减缩积分单元。模型网格总数为84210。模型分析步骤如下。①无溶洞建模。②地应力平衡。③模拟隧道开挖。④根据步骤①的结果将溶洞位置岩体挖除。⑤地应力平衡。⑥模拟隧道开挖。模型左右边界约束水平方向的位移，上下边界约束水平和竖向位移。在模型中，岩土体计算采用的本构模型为摩尔-库伦。模型参数见表1。此外，为简化计算，本文数值模拟计算不考虑地下水作用。

2 计算结果与分析

2.1 数值模拟验证

为验证本文数值模拟的有效性，对研究区地铁隧道拱顶和隧道水平位移收敛的数值模拟结果与实测结果进行对比分析（图2）。结果表明，拱顶沉降与隧道水平收敛的数值模拟结果与实测结果基本一致。总体来看，隧道拱顶的沉降随掌子面与监测断面的距离增加而增加，当掌子面与监测断面的距离为10m时，拱顶沉降变形趋于平缓。拱顶最大沉降的数值模拟结果为13.8mm，现场实测结果为11.4mm。此外，根据隧道水平收敛规律表现出与隧道拱顶沉降相同的变形趋势。总体来看，数值模拟与实测结果非常吻合，证明本文数值模拟是有效的[4-6]。

2.2 溶洞尺寸对地铁隧道稳定性的影响

为研究溶洞尺寸对隧道稳定性的影响，本文计算了溶洞直径分别为2.8m、8.5m、14m，无溶洞工况下隧道拱顶沉降和拱脚水平收敛结果，如图3所示。图3（a）的结果表明，隧道拱顶沉降随掌子面与监测断面的距离增加而增加。在其他条件不变的情况下，无溶洞时的拱顶沉降最小。溶洞直径越大，隧道拱顶沉降越大。其中无溶洞时，拱顶最大沉降为11mm。当溶洞半径为8.5m时，拱顶最大沉降为11mm。当溶洞半径为814m时，拱顶最大沉降为22mm。由此可见，溶洞尺寸对隧道的拱顶沉降变形影响较大。图3（b）的结果表明，水平收敛变形与拱顶沉降变化规律基本相同。当无溶洞时，水平收敛最大值为9.2mm，当溶洞直径为14m时，水平收敛最大值为11mm，增加了15%。总体来看，溶洞直径对隧道变形主要集中在隧道拱顶沉降变形。

2.3 溶洞与地铁隧道间距对隧道稳定性的影响

图4为溶洞与隧道间距对隧道稳定性的影响。结果表明，隧道拱顶沉降和拱脚水平收敛均表现出典型的“S”形曲线。图4（a）的结果表明，在其他条件相同的情况下，增加溶洞与隧道的间距可以显著减少隧洞拱顶沉降变形和水平收敛变形。对比拱顶沉降和水平收敛变形发现，溶洞与隧道间距对拱顶的沉降变形影响显著大于对水平收敛变形。此外，当溶洞与隧道的净间距大于0.5倍的隧道直径时，隧洞变形接近无溶洞情况。

2.4 溶洞位置对地铁隧道稳定性的影响

为进一步研究溶洞不同位置对隧道稳定性的影响。本文分别计算了溶洞位于隧道顶部、隧道侧部和隧道底部3种不同位置对隧道稳定性的影响。分析结果表明，溶洞位于不同位置对隧道的变形影响有所不同。在其他条件相同的情况下，当溶洞位于隧道顶部时，隧道拱顶变形最大，当溶洞位于侧部和底部时，溶洞与隧道洞顶变形影响较小。其中，无溶洞时，拱顶最大变形为11mm，当溶洞位于拱顶时，拱顶最大变形为15mm，变形增加了33%。在其他条件相同的情况下，当溶洞位于隧道侧部时，隧道拱脚收敛变形最大，当溶洞位于底部时，溶洞与隧道洞顶变形影响次之。而溶洞位于隧道顶部时，溶洞对拱脚的水平收敛变形影响非常小。当无溶洞时，拱脚水平收敛变形为9mm。当溶洞位于隧道底部时，拱脚水平收敛变形为12.6mm，变形增加了40%。当溶洞位于隧道侧部时，拱脚平收敛变形为15mm，变形增加了71%。

3 结论

本文根据西南某地岩溶区地铁隧道工程，基于ABAQUS数值对隧道内力及变形的影响进行模拟。系统研究了溶洞尺寸、溶洞位置及溶洞与隧道净间距对隧道稳定性的影响。得到以下几点结论。1）隧道拱顶的沉降随掌子面与监测断面的距离增加而增加，当距掌子面与监测断面的距离为10m时，拱顶沉降变形趋于平缓。拱顶最大沉降的数值模拟结果为13.8mm，现场实测结果为11.4mm。此外，根据隧道水平收敛规律表现出于隧道拱顶沉降相同的变形趋势。总体来看，数值模拟与实测结果非常吻合，证明本文数值模拟是有效的。2）溶洞直径对隧道变形主要集中在隧道拱顶沉降变形。当溶洞与隧道净间距大于0.5倍的隧道直径时，隧洞变形接近无溶洞情况。3）当溶洞位于隧道顶部时，隧道拱顶变形最大，溶洞位于侧部和底部时，溶洞与隧道洞顶变形影响较小。此外，当溶洞位于隧道侧部时，隧道拱脚收敛变形最大，溶洞位于底部时，溶洞与隧道洞顶变形影响次之。而溶洞位于隧道顶部时，溶洞对拱脚的水平收敛变形影响非常小。

参考文献

[1]常洲，魏研博，冷浩，等.隐伏充填型溶洞对隧道稳定性影响与防治技术[J].公路，2022，67（9）：439-445.

[2]邵勇，阎长虹，许宝田，等.小型溶洞对隧道稳定性的影响分析[J].地质论评，2012，58（3）：519-525.

[3]杨为民，杨昕，袁永才，等.隧道前方大型溶洞对隧道围岩稳定性影响[J].科学技术与工程，2017，17（8）：239-243.

[4]唐侦湛，范海军，易鑫，等.溶洞分布部位对隧道稳定性影响的数值分析[J].公路工程，2013，38（6）：198-201.

[5]吴治生，张杰.岩溶隧道地质构造与围岩等级的划分[J].铁道工程学报，2012，29（4）：6-12.

[6]曹洁，左宇军，李伟，等.充水溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值模拟[J].工业安全与环保，2016，42（11）：5-7，49.