覆蓋型巖溶地區單溶洞靜荷載穩定性數值模擬

田 應 國

(廣東省機場管理集團有限公司工程建設指揮部，廣東 廣州 510080)

我國碳酸性沉積巖廣泛分布于東南和西南各省。隨著機場建設的迅猛發展，在覆蓋型巖溶地區修建機場現已成為城市發展的主要方向，而溶洞的普遍存在成為了覆蓋型巖溶地區機場工程建設所面臨的主要地質問題之一，對隧道開挖和安全運營造成了嚴重威脅[1-4]。因此，對于覆蓋型巖溶地區溶洞穩定性的研究具有重要意義。近年來，許多學者對覆蓋型巖溶地區溶洞穩定性進行不同程度的數值模擬研究。趙明階等[5]采用ANSYS軟件數值分析了隧道頂部不同大小和距離條件下溶洞對于隧道圍巖穩定性的影響。研究結果表明，溶洞距離與隧道開挖釋放位移之間具有相關性。江杰等[6]運用Midas GTX NX軟件對不同位置和大小條件下溶洞對于深基坑開挖的影響進行了數值研究。陳峰等[7]采用FLAC3D軟件研究了溶洞直徑、埋深和洞內承壓水頭對富水深基坑開挖穩定性的影響。研究結果表明，溶洞參數變化會嚴重影響基坑開挖與支護的穩定性。雷金山[8]采用原位試驗和Midas GTX NX軟件詳細研究了地鐵盾構施工過程中溶洞位置、大小、間距及形狀對于地基穩定性的影響。蘇添金等[9]與宋二祥等[10]采用不同軟件也進行過類似的研究。然而，現有研究大多是對于自重應力作用下溶洞穩定性的研究，而對于地表上覆靜荷載作用下的溶洞穩定性研究較少。本文運用有限差分軟件FLAC3D數值模擬研究2類典型條件(自重應力和地表上覆靜荷載)下的單溶洞穩定特性，對類似問題具有一定的參考意義。

1 數值模型建立

為便于計算得到一般性規律，數值模型中將實際地層簡化為5層，按埋深依次為人工填土層、黏性土層、砂土層、殘積土層和石灰巖層，具體地層分布與物理力學參數如表1所示。首先，在Midas GTX NX軟件中建立幾何模型并導出中性網格文件。然后，使用自編的C++網格轉換器將中性網格文件轉換成FLAC3D可以識別的網格文件。幾何模型整體為長112.0 m、寬50.0 m、高40.0 m的平行六面體，如圖1a)所示。本文采用橢球體建立溶洞模型，代替了常規數值計算中的圓柱體、球體和橢圓柱溶洞模型，使溶洞模型更接近于實際溶洞存在形狀，同時可以消除常規模型中存在的應力平均現象，溶洞橢球體三個軸長分別為16.0 m，8.0 m，8.0 m，溶洞中心點坐標為(56.0 m,25.0 m,17.1 m)。為模擬不利工況條件，將溶洞頂板厚度設置為0.1 m，如圖1b)所示。各地層均使用Mohr-Coulomb本構模型模擬巖土體的彈塑性特性。圖2為Midas GTS NX軟件生成的中性網格導入FLAC3D軟件后的有限差分網格。

表1 地層分布與物理力學參數

2 單溶洞穩定性數值分析

2.1 自重應力作用下單溶洞穩定性數值分析

數值模型中，設置前后左右四個面的邊界條件為面法向速度0 m/s，設置底面邊界條件為面速度矢量0 m/s。設置面邊界條件后，需進行模型初始平衡狀態計算。圖3表示模型沿z向初始位移云圖，從圖3可以看出模型自頂向底位移量逐漸減小，下部石灰巖層位移量趨近于0 m，符合實際情況。

清除數值模型初始位移矢量和初始速度矢量后，通過賦予溶洞范圍為null模型來實現溶洞模擬，此時可認為是將溶洞從整個模型中挖走，如圖4所示。

數值計算至模型達到平衡狀態。圖5，圖6分別表示自重應力作用下模型沿z向位移云圖和zz分量應力云圖。

整體上講，自重應力狀態下單溶洞的存在對地層穩定性影響很小，可忽略不計。如圖5所示，溶洞的存在導致洞體上部地層出現貫穿至地表的z向位移，位移量呈軸對稱分布形式，最大z向位移出現在溶洞洞頂處，最大位移量為0.301 mm，該值僅為溶洞埋深的十萬分之二，并且從洞頂至地表呈現逐漸減小的趨勢，地表最小位移量僅為0.004 mm。溶洞洞底出現隆起現象，最大隆起量僅為0.04 mm。如圖6所示，溶洞洞底附近出現明顯的應力集中現象，這表明橢球體溶洞模擬形式無法將開挖應力完全釋放，而是會保留一部分殘余應力，本模型中的殘余應力量級有限，僅為自重應力的1%，因此該部分應力對于地層穩定性的影響微乎其微。

圖7，圖8分別表示自重應力作用下溶洞洞頂位移量和溶洞洞頂zz分量應力值隨時間步的變化曲線。從圖中可以看出位移量隨時間步先增大后穩定，穩定量為0.301 mm，應力值隨時間步上下波動，最后趨于穩定，穩定量約為10 kPa。

2.2 地表上覆靜荷載作用下單溶洞穩定性數值分析

基于上述自重應力作用下單溶洞穩定性數值計算結果，本文進一步在地表施加靜荷載探究溶洞存在對地層穩定性的影響。如圖9所示，在地表施加大小為1.0×106Pa、方向沿z負向的均布靜荷載。計算至模型達到穩定，圖10,圖11分別表示上覆靜荷載作用下模型位移云圖和zz分量應力云圖，圖12，圖13分別表示位移量和應力值隨時間步的變化曲線。

整體上講，模型在施加靜荷載作用后，溶洞的存在對地層穩定性具有較大影響。如圖10所示，在地表施加一定量級的靜荷載后，自重應力作用下地層中出現的緩慢貫穿至地表的位移場消失，取而代之的是從地表至洞頂分層明顯且呈軸對稱分布的位移場，最大位移量出現在地表，而不是在溶洞洞頂，最大位移量為0.78 m，這表明上覆地層受地表靜荷載的影響明顯，這種影響從地表至溶洞洞頂逐漸減小，因此位移量呈逐漸減小趨勢。溶洞洞頂位移量為10.0 mm，此量級約為溶洞埋深的千分之一，需要在后續計算中考慮該沉降量。溶洞洞底未出現隆起，而是發生沉降，這表明地表靜荷載在溶洞洞底埋深附近的影響大于溶洞存在所產生的應力釋放的影響。如圖11，圖13所示，溶洞洞底附近出現明顯的應力集中現象，同未施加靜荷載時具有相同的規律，但殘余應力約為前者的100倍，這表明在受到地表靜荷載作用后，應力集中現象加劇。

3 結論

本文采用有限差分軟件FLAC3D數值模擬研究2類典型條件(自重應力和地表上覆靜荷載)下的單溶洞穩定特性，得出如下結論：

1)自重應力作用下單溶洞的存在對地層穩定性影響很小。地層出現貫穿至地表的z向位移，最大z向位移出現在溶洞洞頂處，洞底出現隆起和應力集中現象。位移量隨時間步先增大后穩定，應力值隨時間步上下波動，最后趨于穩定。

2)地表上覆靜荷載作用下單溶洞的存在對地層穩定性具有較大影響。位移場分層明顯且呈軸對稱分布，最大位移量出現在地表，需要在后續計算中考慮此沉降量。殘余應力約是自重應力情況的100倍，應力集中現象加劇。