溶洞分布對城軌交通盾構隧道 影響規律研究

齊明山 郭振坤 王春凱 柳獻

摘 要：針對近年來廣州、長沙、武漢及云貴等巖溶發育地區地鐵工程現狀，文章以貴陽市軌道交通 3 號線為工程背景，采用二維數值模型對溶洞分布影響進行模擬計算分析。經模擬計算分析，得出溶洞不同方位、不同尺寸、與盾構隧道不同凈距以及在不同圍巖等級中對隧道開挖洞室穩定性、隧道襯砌管片受力的影響規律，以確定貴陽市軌道交通 3 號線盾構施工中溶洞處理范圍，為巖溶發育區城市軌道交通建設提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通;溶洞分布;盾構隧道;受力特性;處理范圍

中圖分類號：TU502

隨著國內交通的不斷發展[1-3]，盾構法隧道逐漸被使用于各種復雜地層條件，如上軟下硬復合地層[4-5]、高水壓[6]以及巖溶發育區[7-12]。穿越巖溶發育區的盾構隧道在施工階段存在盾構機陷落、隧道偏線、突泥涌水等工程風險[13-15]，在運營階段溶洞也會影響襯砌結構變形及內力分布，故在盾構掘進前需對隧道周邊溶洞提前作加固處理[16]。蘇偉?等[17]通過三維數值分析與模型試驗確定側部、下部溶洞對襯砌內力影響規律，并確定相應地層條件下的溶洞處理范圍;蘇鋒等[18]運用三維數值分析提出溶洞的存在會引起管片出現縱向彎矩;潘清等[19]分析了溶洞直徑、溶洞的方位、溶洞與隧道的凈距對隧道洞周收斂以及襯砌管片的影響規律;李萍等[20]通過三維數值模型，考慮流固耦合效應，研究下伏溶洞對穿越上砂下黏地層隧道管片受力的影響分析。

目前，有關溶洞對盾構隧道開挖洞室穩定性、襯砌內力分布特性的影響規律等已有分析，但不同區域地質差異較大，為保證貴陽市軌道交通3號線盾構區段施工安全、防止地表塌陷并保證隧道在運營階段正常運營，還需對3號線沿線溶洞發育情況及穿越地層條件進行分析。本文選用二維平面模型分析不同地層條件、不同方位、不同尺寸、與盾構隧道不同凈距的溶洞對隧道開挖洞室穩定性及襯砌結構內力分布的影響規律，確定該地層條件下貴陽地區軌道交通溶洞處理范圍，同時為其他巖溶發育區隧道建設提供支持。

1 工程概述

貴陽市軌道交通3號線一期工程盾構區段內，盾構隧道內徑5.5 m，外徑6.2 m，管片環寬1.5 m，管片厚度0.35 m，接頭采用彎螺栓，環縱縫均不設凹凸榫。3號線起點為花溪環城高速公路北側的桐木嶺站，終點為烏當區洛灣站，全長43.19 km，其中地下線41.83 km，高架線0.71 km，過渡段0.65 km。沿線以中風化白云巖、泥質白云巖、中風化“砂糖狀”白云巖、灰巖等可溶性碳酸鹽為主。據鉆孔揭露，鉆孔巖石常見溶隙及溶洞，且溶洞多處于4級圍巖，發育高度在1～5m之間，而80%以上發育高度小于3m。

經統計分析，各斷面隧道埋深、地層類型、各地層厚度差異較大。為能分析溶洞位于隧道上方時對盾構隧道的影響，本文選取隧道上部有溶洞的皂角井站—太慈橋站區間段地層作為分析地層。在皂角井站—太慈橋站區間段取一典型斷面，隧道埋深26 m，上覆0.8 m雜填土，16.6 m紅黏土，其余均為中風化白云巖。

2 計算模型

2.1 數值模型

（1）模型尺寸。模型兩側與隧道底部均取5D（D為襯砌外徑）作為邊界，即模型尺寸定為66 m×62 m（寬×高）。

（2）模型邊界。上邊界取自由邊界，左右邊界約束水平位移，底部邊界約束豎向位移。

（3）模型計算簡化為平面應變問題。

（4）平面單元模擬地層，梁單元模擬隧道襯砌圓環。

計算模型見圖1。

2.2 計算基本假定

（1）地層初始應力場為自重應力場。

（2）不考慮地下水。

（3）地層水平分層，假定均勻、各向同性，材料選用Drucker-Prager模型。

（4）溶洞簡化為圓形，均無填充。

（5）考慮開挖后地層與襯砌協調變形。

2.3 計算工況

計算工況分為初始、開挖、襯砌3個工況，如圖2所示（以頂部溶洞分析為例），具體如下。

（1）初始工況。僅溶洞存在，地層未開挖時計算初始應力場。

（2）開挖工況。開挖地層，應力釋放50%。

（3）襯砌工況。拼裝盾構襯砌圓環，應力釋放50%。

2.4 計算參數

為準確分析隧道開挖時圍巖變形規律，并較好地模擬圍巖與襯砌環的相互作用，按照貴陽市軌道交通地勘報告并參考JTG D70-2004《公路隧道設計規范》附錄A，計算參數取值見表1、表2。

3 溶洞方位對隧道影響

3.1 無溶洞

表3給出了無溶洞時開挖洞室收斂及襯砌內力情況，由表3數據可見，無溶洞時，開挖工況下隧道洞室拱頂下沉、拱底上浮量均為1.24 mm，最大拉應力出現在洞室拱底約為410 kPa，管片最大剪力16 kN。

3.2 上部溶洞

3.2.1 洞室收斂

表4 給出了溶洞在隧道上部時開挖洞室收斂情況，由表4數據可知，溶洞在隧道上部時，洞室拱頂下沉略有減小，下沉量大于拱底上浮量;拱底上浮量減小（最大減小量6%），隨溶洞與隧道中心距離增加趨近于無溶洞時上浮量;洞室頂部及底部變形小于2 mm，洞室圍巖穩定，計算未出現塑性區。

3.2.2 襯砌內力

圖3給出了溶洞中心在隧道上部0.5D時開挖洞室襯砌內力情況，從圖3數據可知，溶洞在隧道上部時，隧道頂部正彎矩減小，0°附近減小量最大，約為9.7 kN · m（減小50%），上半環其余位置正彎矩增加（或負彎矩減小）;襯砌軸力在隧道頂部增加47 kN（增加24%），隧道肩部及腰部軸力均減小，減小最大值約56kN;襯砌最大剪力15 kN，拱頂左右10°范圍內剪力明顯增加。

由此可見，對襯砌結構內力而言，上部溶洞存在的主要影響為，隧道頂部彎矩減小，軸力增加，表明溶洞的存在對結構受力而言無不利影響;剪力在隧道頂部左右10°附近出現明顯變化。

3.3 側部溶洞

3.3.1 洞室收斂

表5 給出了溶洞在隧道側部時開挖洞室收斂情況，由表5數據可知，溶洞在隧道側部時，洞室拱頂下沉、拱底上浮量均增加，最大分別增加15%、5%，隨溶洞與隧道中心距離增加趨近于無溶洞時頂部和底部變化值;洞室頂部及底部變形小于2 mm，洞室圍巖穩定，計算未出現塑性區。

3.3.2 襯砌內力

圖4給出了溶洞中心在隧道側部0.5D時開挖洞室襯砌內力情況，從圖4數據可知，溶洞在隧道側部時，隧道近溶洞側腰部負彎矩最大，增加6 kN · m（增加30%），遠離溶洞一側腰部負彎矩增加5%;近溶洞側，隧道肩部及腳部正彎矩增加，增加量約3 kN · m;對于襯砌軸力，隧道頂部和底部軸力變化在3%以內，近溶洞側腰部增加88kN，增加12%，遠離溶洞一側腰部軸力增加40kN，增加5.6%;對于襯砌剪力，剪力最大值17 kN，增加6%，近溶洞一側腰部襯砌剪力明顯增加。

由此可見，對襯砌結構內力而言，側部溶洞存在的主要影響為，隧道腰部彎矩增加，軸力增加，表明溶洞的存在對結構受力而言可能造成不利影響;剪力在近溶洞側腰部上下10°附近出現明顯變化。

3.4 下部溶洞

3.4.1 洞室收斂

表6 給出了溶洞在隧道下部時開挖洞室收斂情況，從表6數據可知，溶洞在隧道下部時，開挖洞室拱頂下沉量減小（最大減小14%），且隨溶洞與隧道距離增加數值趨近于無溶洞時下沉量;對于拱底上浮，在隧道邊界與溶洞中心相距0.5D時，上浮量增加7%，距離大于等于D時，數值均為1.22 mm，小于無溶洞時拱底上浮量;洞室頂部及底部變形小于2 mm，洞室圍巖穩定，計算未出現塑性區。

3.4.2 襯砌內力

圖5給出了溶洞中心在隧道下部0.5D時開挖洞室襯砌內力情況，由圖5數據可知，溶洞在隧道下部時，隧道底部正彎矩減小，最大減小量約15 kN · m（減小70%），下半環其余位置正彎矩增加（或負彎矩減小），136°處正彎矩增加最大為7 kN · m（增加800%）;對于襯砌軸力，隧道底部軸力增加75kN（增加33%），隧道頂部軸力基本不變，其余位置軸力減小;襯砌剪力最大值18 kN（增加12%），隧道底部兩側10°范圍內剪力發生明顯變化。

由此可見，對襯砌結構內力而言，下部溶洞存在的主要影響為，隧道底部彎矩減小，軸力增加，表明溶洞的存在對結構受力而言無不利影響;剪力最大值在隧道底部左右兩側有所增加。

4 溶洞尺寸及與隧道距離對隧道影響

4.1 洞室收斂

4.1.1 溶洞在隧道上部

表7給出了不同溶洞尺寸、與隧道不同距離（溶洞中心距隧道邊界）下開挖洞室收斂情況，從表7數據可知，溶洞在隧道上部時，溶洞較小時洞室拱頂下沉基本不變或減小，溶洞直徑為4.5 m時增加30%;拱底上浮量減小（最大減小量13%），隨溶洞與隧道中心距離增加趨近于無溶洞時上浮量。

4.1.2 溶洞在隧道側部

表8 給出了不同溶洞尺寸、與隧道不同距離下開挖洞室收斂情況，從表8數據可知，溶洞在隧道側部時，地層開挖后洞室拱頂下沉及拱底上浮量均增加，但拱頂下沉量大于拱底上浮量，最大值分別增加43%、16%，隨溶洞與隧道距離增加而減小，數值趨近于無溶洞時下沉量;溶洞與隧道中心距離一致時，開挖洞室頂部及底部變形增量與溶洞直徑正相關。

4.1.3 溶洞在隧道下部

表9 給出了不同溶洞尺寸、與隧道不同距離下開挖洞室收斂情況，從表9數據可知，溶洞在隧道下部時，開挖洞室拱頂下沉量減小，且隨溶洞與隧道距離增加趨近于無溶洞時下沉量;相同距離下，溶洞尺寸與拱頂下沉量負相關，溶洞直徑為4.5 m時，下沉量最小，減小32%;對于拱底上浮，在隧道邊界與溶洞中心相距0.5D時上浮量均增加，溶洞直徑為4.5 m時上浮量最大，增加12%，距離大于等于D時，均小于無溶洞時拱底上浮量。

由此可見，溶洞所在方位引起開挖工況下隧道洞室頂底收斂變化規律各異，就貴陽市軌道交通3號線所處地層而言，由于圍巖變形模量較大，洞室頂部及底部變形小于2 mm，洞室圍巖穩定，計算未出現塑性區。

4.2 襯砌內力

4.2.1 襯砌拉力

各方位溶洞引起的最大拉應力隨溶洞與隧道距離變化關系見圖6，由圖6可知，溶洞在隧道上部和下部時，隨著溶洞直徑增加，襯砌結構最大拉應力減小（值均小于無溶洞時最大拉應力），且同一直徑溶洞對隧道的影響基本不受距離影響;溶洞在隧道側部時，在溶洞中心距隧道腰部距離小于D時，隨著溶洞直徑增加，襯砌最大拉應力增加，溶洞直徑為4.5 m時最大拉應力為571kPa（增加40%）;距離大于D時溶洞尺寸對隧道影響較小，且與無溶洞時相比最大拉應力減小，有利于襯砌結構安全。

4.2.2 襯砌剪力

各方位溶洞引起的剪力隨溶洞與隧道距離變化關系見圖7，溶洞與隧道距離在D范圍以內，襯砌結構剪力增加較大，尤其是溶洞在隧道側部更加明顯，剪力最大增加為無溶洞時的3倍。溶洞與隧道距離大于D時，側部、下部溶洞對襯砌剪力影響可以忽略，剪力基本恢復到無溶洞時的水平，而頂部溶洞卻造成襯砌剪力再次增加。

5 圍巖剛度影響

考慮隧道穿越區間5級圍巖的存在（強風化白云巖、強風化“砂糖狀”白云巖），變形模量的減小，勢必造成對開挖時圍巖變形及襯砌結構受力的影響，故本節主要對溶洞存在時，圍巖剛度（變形模量）影響進行參數化分析。經數據分析，5級圍巖下除開挖洞室拱頂下沉量和拱底上浮量增加至130 mm左右外，襯砌結構內力在不同方位溶洞影響下的變化規律與4級圍巖時基本一致，故此處不作贅述。下面分析3 m直徑的溶洞在不同方位時對襯砌結構的內力影響，以確定不同圍巖等級下貴陽市軌道交通3號線沿線溶洞處理范圍。

圖8給出了5級圍巖下襯砌最大拉應力、最大剪力變化規律，由圖8可知，在溶洞中心距隧道邊界大于D時，溶洞的存在對襯砌結構受力的影響可控制在5%以內。

綜上分析，對于貴陽地區4或5級圍巖，為工程安全，適當增加溶洞處理范圍，處理原則最終定為。

（1）隧道上部溶洞全部填充處理。

（2）隧道側部及底部溶洞，與隧道凈距6 m范圍內溶洞應該處理。

6 結論及建議

（1）本文采用二維數值模型分析了不同方位、不同尺寸溶洞對隧道洞室及襯砌結構的響應規律，并以此確定了貴陽地區軌道交通溶洞處理范圍。文中二維數值分析模型將溶洞存在對隧道的影響當作平面應變問題來考慮，雖然未能體現隧道不均勻下沉及縱向彎矩，但管片受力分析而言偏于安全。

（2）溶洞在隧道上部（下部）時，襯砌頂部（底部）彎矩減小，軸力增加，僅從襯砌最大拉應力來看溶洞的存在對結構受力而言無不利影響;但在上部（下部）附近會產生較大的剪力集中。

（3）溶洞在隧道側部時，襯砌腰部彎矩增加，軸力增加，從管片最大拉應力來看，該類溶洞的存在對襯砌可能造成不利;就襯砌結構剪力而言，相同溶洞與隧道距離下，相比于隧道上下部溶洞，側部溶洞造成的襯砌最大剪力值更大。

（4）就溶洞處理范圍而言，隧道上部溶洞應全部填充處理;隧道側部及底部，溶洞處理范圍可定為與隧道凈距6 m以內。

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收稿日期 2019-09-23

責任編輯 朱開明

Study on influence of karst cave distribution on urban rail transit shield tunnel

Qi Mingshan， Guo Zhenkun， Wang Chunkai， et al.

Abstract： In view of the current situation of metro projects in karst developed areas such as Guangzhou， Changsha， Wuhan， Yunnan and Guizhou in recent years， this paper takes Guiyang rail transit line 3 as a project study case， and uses two-dimensional numerical model to simulate and analyze the influence of karst cave distribution. Through the simulation calculation and analysis， it works out the influence patterns of different directions and dimensions of the karst tunnel， different clearance from the shield tunnel and different surrounding rock grades on the tunneling stability and the stress of the tunnel lining segments， so as to determine the affected area of the karst shield tunneling of Guiyang rail transit line 3， providing reference for the urban rail transit construction in the karst developed area.

Keywords： urban rail transit， karst cave distribution， shield tunnel， stress characteristics， affected area