隱伏溶土洞對地鐵盾構隧道影響的技術研究

耿少鵬

摘 要：溶土洞的存在改變了隧道施工圍巖支護系統的受力變形特征，不同空間分布的溶洞對隧道施工的力學行為影響不同。根據地質勘查資料可知，溶土洞位于基層的炭質石灰巖中，主要位于隧道底部，部分位于隧道之間。而本工程溶洞基本上與隧道底部相距較遠，土洞與隧道底部相距較近。為此，本文就溶土洞的大小和距離隧道底部距離變化對盾構隧道受力、變形及圍巖受力、變形特征的影響進行分析。

關鍵詞：溶土洞;數值模擬;圍巖應力;隧道襯砌

中圖分類號：U451.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0087-03

Abstract： The existence of dissolved soil tunnel changes the mechanical deformation characteristics of surrounding rock support system in tunnel construction， and different spatial distribution caverns have different effects on the mechanical behavior of tunnel construction. According to the geological survey， it is revealed that the karst cave is located in the carbonaceous limestone of the base course， mainly at the bottom of the tunnel and partly between the tunnels. And the cave of this project is far away from the bottom of the tunnel， while the earth hole is close to the bottom of the tunnel. In this paper， the influence of the size of the karst hole and the distance from the bottom of the tunnel on the stress， deformation and deformation characteristics of the surrounding rock were analyzed.

Keywords： dissolved soil hole;numerical simulation;surrounding rock stress;tunnel lining

國內外巖溶分布廣泛。當前，隨著環境巖土工程和地質災害研究的深入，巖溶問題研究有了長足的發展。有關巖溶區溶洞對隧道工程影響的研究，除涌水、突泥之外，當前主要集中在以下幾個方面[1-8]：一是有關巖溶區隧道影響范圍內巖溶的探測問題;二是研究巖溶隧道災害的超前預報、災害的處理措施和巖溶隧道的施工方法等;三是研究不同形態和尺度溶洞引起的隧道穩定性問題，主要研究不同規模、位置的溶洞對隧道位移場、應力場和隧道支護結構內力變化的影響及對隧道施工動態的影響。這幾方面的研究是相互聯系、相互促進的。其中，巖溶洞穴的勘查是研究的基礎，要在詳細勘查基礎上查明隧道影響范圍內溶洞的分布，并在此基礎上分析不同形態溶洞對隧道應力場、位移場和支護結構內力等的影響，判定隧道體系的穩定性，為巖溶區隧道的施工提供必要的技術支持，減少施工的盲目性。因此，在探測溶洞基礎上對不同空間展布形態、尺度溶洞引起的隧道結構形態的變化進行研究是合理化設計和施工的前提條件。

1 工程背景

在廣州地鐵九號線飛鵝嶺站～花都汽車城站隧道穿越地層中，多處為石灰巖地層。石炭系石灰巖地層由于溶蝕作用容易造成巖面起伏變化大，在巖土層交界面附近發育土洞，巖層表層和上部發育強烈的溶溝、溶槽、溶隙及溶洞等。溶洞的發育占30.66%，且36.51%的溶洞有兩層以上。此地區巖溶的發育規律性差，大多呈半充填狀態，充填物為軟塑～可塑狀黏性土或中細砂，其余呈無序狀態，其形態特征、規模和分布范圍都難以準確確定，具有潛在的不穩定性。

在利用盾構法施工時，若隧道下存在的溶洞、土洞的頂板厚度不滿足要求，可能會造成盾構機具塌落、地面沉陷和隧道坍陷等工程事故，且這些危害具有不可預見性、隨機性、突發性和長期性等特點，對工程的設計及施工和運營極其不利。因此，應充分考慮溶洞、土洞對本工程的影響，采取合理的線路和工法，以保證工程的穩定性。在對溶洞進行處理的過程中，由于溶洞分布較為分散，對溶洞進行處理時費時費力，如何高效地對其進行處理成為施工的一個難點。

2 數值分析

鐵路隧道既有資料表明，對于近水平向發育的溶土洞，在溶洞尺度大于16m時，溶洞空間形態一般近似大廳狀;但在溶土洞跨度較小時，溶土洞一般均近似為圓形或橢圓形。因此，此次采用圓形斷面進行模擬，并將含溶洞的隧道體系簡化為平面問題進行研究。

2.1 數值計算參數

根據《廣州市軌道交通九號線施工1標飛鵝嶺～花都汽車城區間地質勘查報告》各地層物理力學指標主要參考建議值及該區間段圍巖分布情況，取圍巖及管片襯砌力學參數如表1所示。

2.2 計算模型

根據以往的隧道力學資料，應遵循盡量減少“邊界效應”影響的原則，即模型邊界橫向上一般取隧道中心到左、右邊界的距離為4～6倍洞徑，而模型上、下邊界到洞頂、洞底的距離為2～3倍洞徑。由此，根據上述原則，建模時橫向以左、右線隧道中線位置向兩側各取39 m，豎向取拱底部以下28 m、拱頂以上取12 m覆土厚度。約束條件為在模型的底部邊界采用豎向約束;左右邊界均采用水平約束。底部隱伏溶土洞計算模型如圖1所示。

此次計算采用的隧道圍巖特性按均質彈塑性材料考慮，采用Druck-Prager屈服準則，圍巖使用plan42單元，盾構管片采用beam3單元。限于篇幅，只列出溶洞位于拱底下方的計算模型，如圖1所示。對于盾構施工過程的模擬，擬定先開挖左隧道再開挖右隧道。在計算結果分析中，洞徑比（[λR]）指的是溶土洞頂的跨徑與隧道跨徑的比值，間距指的是溶洞邊緣距隧道邊緣的最小距離。

2.3 底部溶洞對隧道周邊圍巖位移的影響

本工況模擬盾構隧道底部存在隱伏溶洞時溶洞對開挖隧道周邊圍巖位移的影響。假設溶洞頂端與隧道的間距一定，分析溶洞在不同洞徑比下圍巖的豎向位移和水平位移。當洞徑比為1時，表明溶洞的跨徑與隧道直徑的大小一致，分別計算溶洞頂端與隧道底端相距2 m、3 m和4 m時，底部溶洞對隧道周邊圍巖位移的影響。

根據獲取的位移量值曲線圖（見圖2）分析如下：從總體規律來看，各工況下位移具有相似的規律，只是在量值上有所差別。底部溶洞對周邊圍巖位移的影響隨著洞徑比、間距的變化而變化。其中，底部土洞對圍巖豎向位移的影響要大于水平位移，拱頂沉降位移要大于拱底隆起位移。

2.4 隧道左側水平方向隱伏土洞對隧道襯砌和位移的影響

本工況模擬盾構隧道水平方向存在隱伏土洞時隱伏

土洞對開挖隧道周邊圍巖位移的影響。由于土洞不像溶洞一樣，較大體積在巖層中依然可以成洞，因此，本工況及以下計算中，僅考慮大小為0.2、0.4、0.6和0.8洞徑比的土洞，且土洞與左線隧道左側拱腰距離分別為1 m、2 m和3 m。

根據獲取的位移量值曲線圖（見圖3）可知：從總體規律來看，隧道左側水平方向隱伏土洞對周邊圍巖的影響隨著洞徑比、間距的變化而變化。其中，土洞對豎向位移的影響要大于水平位移，拱頂沉降位移要大于拱底隆起位移。

3 結論

根據不同溶土洞大小與隧道之間不同的位置關系進行了相應數值計算，得出隧道底部和側向溶土洞對周邊圍巖位移的影響隨著洞徑比、間距的變化而變化，其中隧道底部溶土洞對圍巖豎向位移的影響大于水平位移，拱頂沉降位移大于拱底隆起位移;側向溶土洞對豎向位移的影響大于水平位移，拱頂沉降位移大于拱底隆起位移。為此，在盾構掘進施工過程中，根據隧道通過區域溶土洞的位置調整掘進參數和注漿參數，減小溶土洞對隧道的影響，盾構通過后管片均無明顯位移及沉降現象。

參考文獻：

[1]衛曉波.盾構隧道區間溶土洞處理技術[J].山西建筑，2010（18）：341-343.

[2]許凱.隱伏型巖溶盾構隧道運營期結構穩定性研究[D].廣州：華南理工大學，2017.

[3]謝鴻輝.巖溶、土洞復合地層地鐵隧道盾構施工技術分析[J].技術與市場，2011（2）：41-43.

[4]陸靈威.地鐵盾構區間穿越溶、土洞區加固處理設計[J].四川水泥，2018（7）：97，199.

[5]郭明.隱伏溶洞對隧道圍巖穩定性的影響規律及鄂西山區巖溶處治技術研究[D].濟南：山東大學，2014.

[6]武建飛.淺談近地鐵基坑項目溶土洞風險控制[J].建筑知識，2016（2）：51-52.

[7]曾慶雄.隧道施工中的溶土洞處理試驗與總結[J].山西建筑，2008（17）：328-329.

[8]高壇，周傳波，屈若楓，等.武漢地鐵隧道與隱伏溶洞的安全距離研究[J].長江科學院院報，2018（8）：110-115.