廣州地鐵9號線隧道溶洞處理原則優化研究

許　凱

(華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州　510641)

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廣州地鐵9號線隧道溶洞處理原則優化研究

許凱

(華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州510641)

依托廣州9號線某典型區間案例，根據溶洞處理原則，借助有限元軟件，探討了存在不同溶洞的情況下，盾構施工對周邊環境和溶洞塑性區的影響，并提出明確的量化指標洞距比和洞隧比作為溶洞處理的評價標準，給出了溶洞處理原則的優化建議。

巖溶地區，盾構隧道，有限元，地表沉降

0　引言

廣州地鐵9號線部分區間巖溶、土洞發育，對地鐵施工以及后期運營階段都存在較大的風險，溶(土)洞的處理對隧道的施工和運營非常關鍵。

目前針對溶(土)洞對隧道影響的探討眾多。雷金山[1]以廣州典型工程為背景，通過三維有限元軟件模擬地鐵隧道施工對巖溶地區的影響，分析了溶洞的大小、位置、與隧道的間距及溶洞形狀等對巖溶地基穩定性的影響。郭捷等[2]以實際工程為背景，利用有限差分軟件FLAC-3D對隧道間巖體中含有溶洞情況下隧道圍巖穩定性進行數值模擬研究，得出隧道圍巖向溶洞及隧道側變形，且隨溶洞直徑呈線性變化。蘇偉[3]通過MIDAS-GTS軟件分析，得出不同溶洞類型下(位置、大小)，溶洞會對隧道在垂直方向和水平向的應力和位移產生影響。

本文依托廣州9號線某典型區間案例，針對本案例采用的溶洞處理原則，借助有限元軟件，探討存在不同溶洞的情況下(溶洞的位置以及大小)，盾構施工對周邊環境影響和溶洞塑性區的發展，并提出明確的量化指標洞距比和洞隧比作為溶洞處理的評價標準，對本案例的溶洞處理原則提出優化和建議。

1　工程概況

廣州地鐵9號線大范圍的下伏基巖為石炭系石蹬子組灰巖，溶洞、土洞、溶溝、溶槽發育，地鐵穿越溶洞、土洞和溶溝、溶槽發育地段前，應進行預先處理。

本文選取廣州9號線某溶洞分布密集區間典型剖面，根據線路區間的巖土勘察報告，各巖土層的物理力學計算參數詳見表1。

表1　土層物理力學參數

2　計算模型建立

本次分析采用有限元精細化模擬，分析隧道施工中存在不同溶洞情況下對地表沉降的影響，并根據GB 50497—2009建筑基坑工程監測技術規范[4]中對周邊環境的控制值(見表2)，探討隧道與溶洞近接關系，并給出溶洞處理評價標準。在本次計算分析中，作了如下假定：1)巖土層為彈塑性材料，符合摩爾庫侖彈塑性屈服準則；2)巖土層、盾構管片是均質的各向同性材料；3)本次分析盾構管片采用剛度均一圓環，根據相關文獻，對整體模型結果影響不大。

表2　地表豎向位移控制值　mm

本案例模型中，隧道埋深15 m，直徑6 m，管片厚度0.3 m，盾殼厚度0.1 m，溶洞采用圓形模擬，案例中采用前述處理原則實施，分別對不同溶洞位置、大小進行分析，根據實際勘察經驗，較大的溶洞通常會被勘察發現并進行施工前的處理，所以本次分析選取的溶洞尺寸在工程中相對較難發現，且對隧道造成一定影響。

3　數值計算結果分析

3.1溶洞位于隧道左/右側分析

通過數值分析計算，探討隧道側方存在溶洞情況下，盾構施工對地表周邊環境的影響。

根據分析內容，提出溶洞的徑距比K1(簡稱洞距比)，洞隧的直徑比K2(簡稱洞隧比)，如式(1)及式(2)所示：

(1)

(2)

其中，D1為溶洞直徑，m；D2為隧道直徑，m；L為溶洞與隧道的凈距離，m。

溶洞位于隧道左/右側分析，將不同洞距比與洞隧比地表豎向沉降列表匯總，并繪制洞距比與地表沉降關系圖。

當溶洞在隧道側方時，洞距比K1在0.3～4之間變化，地表沉降值在5 mm～7 mm之間變化，參照GB 50497—2009建筑基坑工程監測技術規范對于周邊環境的控制值，沉降值都小于控制范圍。

3.2溶洞位于隧道下側分析

溶洞位于隧道正下側分析，不同洞距比與洞隧比地表豎向沉降列表匯總。

當隧道下側存在溶洞時，雖然地表沉降小于控制值，但是為了降低溶洞塑性區與隧道塑性區產生貫通的風險，應當對洞隧比K2≥0.5，或洞距比K1≥1.0的溶洞進行處理。

4　分析優化對比

通過以上分析可知，當溶洞位于隧道正下側時，盾構施工對地表的影響最大，左/右下側次之；當溶洞位于隧道左/右側，盾構施工對地表的影響最小，因此應當對下側溶洞予以重視。

原有的溶洞處理原則略保守，在溶洞處理中往往會把一些對盾構施工影響甚微的溶洞處理掉，從而造成了浪費，提高了施工成本。例如存在溶洞在隧道結構左/右側3 m內，按原經驗處理原則，隧道結構左右側3 m溶洞一律處理，若洞徑1 m，洞距2 m洞隧比K2<0.5，且洞距比K1<1.0，按優化后處理原則，該溶洞對隧道施工的影響不大，可以不作處理。由此可見通過對盾構施工期間溶洞的近接關系分析，可以對一些影響相對甚微的溶洞不作處理。這將有效的節約了施工的成本和工期。

5　結論與建議

本文通過數值分析，對廣州地鐵9號線典型案例的溶洞處理原則進行優化分析，建議處理原則為：1)當溶洞位于隧道頂板以上一律處理；2)當溶洞位于隧道左/右側時，應對洞隧比K2≥0.5，或洞距比K1≥1.0的溶洞進行處理；3)當溶洞位于隧道正下方5 m范圍內一律處理；4)當溶洞位于左/右下側時，應對洞隧比K2≥0.5，或洞距比K1≥1.0的溶洞采取處理措施。

通過對隧道施工中溶洞的處理原則優化，有效的節省了施工的成本和工期，為巖溶地區盾構隧道施工溶洞處理提供了一定的指導。

[1]雷金山.廣州地鐵隱伏型巖溶地基穩定性分析及充填處理技術研究[D].長沙：中南大學,2014.

[2]郭捷，馬鳳山，趙海軍.巖溶地區雙隧道開挖圍巖穩定性數值分析[J].隧道建設，2011(S1):165-169.

[3]蘇偉.溶洞對地鐵隧道結構力學特性及圍巖壓力影響的研究[D].長沙：中南大學,2009.

[4]GB 50497—2009，建筑基坑工程監測技術規范[S].

On optimization of karst treatment principles in tunnel along No.9 subway in Guangzhou metro

Xu Kai

(CollegeofCivilEngineeringandCommunications,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Referring to the typical division case of No.9 line in Guangzhou, the paper adopts the finite element software according to the karst treatment principle, explores the influence of the shield consturciton on surrounding environment and the plastic zones under various karsts, and points out the identical quantitative index distance ratio and tunnel ratio as the evaluation standard, and provides the optimal suggestions for the karst treatment principles.

karst area, shield tunnel, finite element, surface settlement

1009-6825(2016)23-0170-02

2016-06-08

許凱(1991- )，男，在讀碩士

U452.11

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