巖溶地區新建隧道的穩定性分析

張宏彪 （周山無界工程設計（武漢）有限公司，湖北 武漢 362011）

1 引言

近幾年，大量地鐵、隧道、地下通道等建筑物修建后，由于建筑物結構和地理位置特殊，受到地表移動荷載作用后，會產生相應的下沉和變形影響以及一些安全問題。尤其當在巖溶地質中會存在大量溶洞，極易造成下部可溶巖層中的溶洞或上覆土層中的土洞頂板失穩產生塌落或沉陷。

這些問題和隱患也受到大量研究人員的廣泛關注。李春良等[1]通過有限元軟件建立地面荷載下盾構隧道模型，研究了隧道埋深，襯砌剛度和隧道尺寸的影響。李鵬等[2]建立車輛荷載下的隧道模型，分別研究了在有、無初襯兩種工況下，隧道開挖時的頂部沉降和頂部位移。史世雍等[3]建立三維有限元模型，研究了頂部溶洞存在對隧道的影響，并對相關參數進行影響因素分析。高玄濤等[4]利用ABAQUS軟件建立三維模型，分析了地層深度對振動荷載傳播的影響規律和豎向應力的變化。巫裕斌等[5]基于數值模擬手段建立地鐵隧道下穿高速鐵路路基的三維模型，研究分析了隧道的沉降、位移及動力響應。譚代明等[6]通過建立三維數值模型，研究了側部巖溶隧道圍巖穩定性的影響，并對硐室直徑、距離等影響因素進行分析。王正安等[7]以利用有限元軟件建立隧道結構－地層體系的三維模型，分析三種工況下的應力及位移規律。楊赳等[8]研究了鐵路運行產生的動應力在衰減后對地鐵隧道結構的影響，鐵路運行產生頻繁的振動會減小土體的承載能力，加大隧道周圍的土體變形，影響行車安全。

為此，本文建立了地表移動荷載作用下三維模型。對比分析了無荷載、集中靜荷載和集中移動簡諧荷載下的動力響應，分析了溶洞與隧道邊距和溶洞洞徑對隧洞拱頂地基中豎向應力響應和地表豎向加速度的影響。

2 工程概況

某城市隧道工程正線起訖里程YCK(ZCK)15+804.109～YCK(ZCK)17+929.300，全長 2125.191m。本文選取該線路中一段溶洞密集區，隧道施工長度50m，施工機械為土壓平衡盾構機，內徑為5.4m，外徑為6.0m。該地區巖溶強發育，石炭紀石斛石灰巖在該區間區域的分布為巖溶發育的可溶性物質提供了基礎。巖體的局部裂縫和破裂為地下水活動提供了渠道。因此，具備了巖溶發育的內因和外因。

3 三維有限元模型

3.1 有限元模型

本文選取YCK(ZCK)16+560～YCK(ZCK)16+580段建立數值模型，該模型寬為50m、縱深為20m、高為50m，隧道直徑為6m，隧道拱頂至地表距離10m，溶洞直徑為3m。模型網格如圖1所示，模型采用摩爾-庫倫本構模型，邊界條件確定：模型頂部為自由邊界，底部為固定約束邊界，四周為水平約束邊界。

圖1 模型示意圖

為研究不同荷載工況的影響，本文選擇三種荷載形式模擬地表車輛荷載：無荷載、集中靜荷載和集中移動簡諧荷載。其中，集中靜荷載幅值F=50kN，集中移動簡諧荷載幅值F=50kN，荷載激振頻率f0=5Hz，荷載移動速度c=60km/h。荷載均作用于隧道正上方地表處。

3.2 計算參數的選擇

為簡化模型，模型中地層簡化為兩種：土層、巖層。模型高度50m，上部分18m為土層，下部分32m為巖層。地層參數及隧道襯砌參數具體取值如表所示。

材料參數表

4 數值模擬結果及分析

三種不同荷載形式下模型應力云圖，如圖2所示。圖中可以看出，三種荷載形式下的應力規律一致，最大應力發生在隧道拱頂處。當地表未作用荷載時，應力峰值為1086kPa；當地表作用靜荷載時，應力峰值比未作用荷載下的應力峰值大約13%；當地表作用移動簡諧荷載時，應力峰值比未作用荷載下的應力峰值大約24%。綜上所述，地表交通荷載對地基應力有顯著的影響，尤其是移動簡諧荷載。

圖2 地表移動荷載作用下地基的應力場云圖

三種不同荷載形式下模型應力云圖，如圖3所示。圖中可以看出，當地表未作用荷載時，隧道正上方處地表最大沉降、襯砌最大變形分別為15.5mm和25mm；當地表作用靜荷載時，隧道正上方處地表最大沉降、襯砌最大變形分別增大4mm和3mm；當地表作用移動簡諧荷載時，隧道正上方處地表最大沉降、襯砌最大變形分別增大8mm和7mm。同樣可見，移動簡諧荷載對隧道和地基變形影響顯著。

圖3 地表移動荷載作用下地基的位移場云圖

移動荷載速度為20km/h、60km/h和100km/h時，從隧道中心線左側-20m到右側20m，每隔5m取出地表沉降值，研究不同荷載移動速度對地表橫向沉降的影響，并匯成地表沉降橫斷面圖。如圖4所示，地表沉降曲線在隧道中心線處為最大，并向兩側逐漸減小直至趨于穩定，地表沉降曲線也符合peck公式的正態分布曲線。隧道中心線左側-10m～-5m的區域以及右側5m～10m區域的沉降曲線斜率最大，也是地表沉降對周邊環境的影響比較大的區域，而隧道中心線處的沉降曲線斜率較小。荷載速度為20km/h時的地表中心線沉降為15mm；荷載速度為60km/h時的地表中心線沉降為25mm，比荷載速度為20km/h時增大了60%；荷載速度為100km/h時的地表中心線沉降為40mm，比荷載速度為20km/h時增大了160%。因此，距離隧道中心線越遠的區域地表沉降越小，在不斷向隧道中心線靠近時地表沉降加速增加，在隧道中心線處地表沉降達到最大；荷載移動速度的提升，對地表沉降的影響效果愈加顯著。

圖4 地表沉降橫斷面圖

圖5(a)給出了隧洞拱頂地基中豎向應力響應隨著溶洞與隧道邊距的變化情況，并考慮了三種不同的溶洞洞徑，分別為r=2m、r=4m和r=6m。從圖5(a)中可以看出，隨著溶洞與隧道邊距的增大，豎向動應力響應逐漸減小。當溶洞洞徑為6m，溶洞與隧道邊距為1m時，隧洞拱頂地基中豎向應力響應約為93kPa。可知，隧洞拱頂處附加動應力占此處自重應力的約30%，對于溶洞洞徑為4m的工況，當溶洞與隧道邊距為1m時，隧洞拱頂地基中豎向應力響應約為135kPa。同樣可知，隧洞拱頂處附加動應力占此處自重應力約25%，對于溶洞洞徑為2m的工況，當溶洞與隧道邊距為1m時，隧洞拱頂地基中豎向應力響應約為175kPa。同樣可知，隧洞拱頂處附加動應力占此處自重應力約21%。對比不同溶洞洞徑的工況可知，頂部溶洞存在對隧洞拱頂處應力響應有顯著的影響，隨著溶洞洞徑的增大，隧洞拱頂處應力響應迅速減小。但是隧洞拱頂處附加動應力的占比，隨著溶洞洞徑的增大而增大。

圖5(b)給出了不同溶洞洞徑下地表豎向加速度隨溶洞與隧道邊距的變化曲線。從圖5(b)可以看出，當洞徑2m的溶洞與隧道邊距為1m時，地表移動荷載引起的隧道正上方地表豎向加速度約為0.007m/s2。且隨著溶洞洞徑的增加地表豎向加速度增加，當溶洞洞徑為6m時，地表豎向加速度約為 0.011m/s2，大約是溶洞洞徑為2m時的1.6倍。可見溶洞洞徑對地表豎向加速度響應有顯著的影響，但隨著溶洞與隧道距離越來越遠，這種由溶洞洞徑造成的影響逐漸衰弱。

圖5 不同洞徑下拱頂應力和地表加速度隨邊距變化

交通荷載引起的環境振動經介質傳播對周邊環境造成影響，產生損傷并降低周邊建筑物的安全性及使用性能，干擾附近居民的日常生活并造成一定的環境污染，長期受環境振動作用也會引起居民的不良健康狀況。因此，應該采用合適的控制標準對環境振動評價。根據我國《城市區域環境振動標準》(GB10070-88)規定，交通干線道路兩側執行的城市區域鉛垂向Z振級晝間標準值75dB。鉛垂向Z振級即為VLx(ax)=20logax/a0，集中ax為加速度幅值，a0為基準加速度，大小為10-6m/s2。圖6為研究正上方溶洞洞徑分別為2m、4m和6m時，地表鉛垂向Z振級大小隨溶洞與隧道邊距的變化情況。從圖5、圖6中可以看出，當溶洞與隧道邊距較小時，地表移動荷載引起的地表鉛垂向Z振級均超過振動限值75dB，但當溶洞與隧道邊距超過某一臨界邊距，隧道正上方地表鉛垂向Z振級將降低到規范振動限值以內。當溶洞洞徑為2m時，臨界邊距約為1.5m；當溶洞洞徑為4m時，臨界邊距約為2.5m；當溶洞洞徑為6m時，臨界邊距約為3m。綜上所述，當溶洞與隧道邊距超過臨界邊距時，溶洞不需要處理。

圖6 地表鉛垂向Z振級隨邊距變化

5 結論

本文建立了三維模型，對比分析了不同荷載形式下的隧道的動力響應，研究了溶洞與隧道邊距和溶洞洞徑對隧洞拱頂地基中豎向應力響應和地表豎向加速度的影響，主要得到了以下幾點結論。

①地表作用移動簡諧荷載下頂部溶洞存在對地下隧道應力和位移的影響，遠大于無荷載工況和靜止荷載工況；

②當溶洞與隧道邊距較小時，溶洞洞徑對豎向應力和豎向加速度有顯著的影響，但隨著溶洞與隧道邊距的增大，這種由溶洞洞徑引起的影響隨之衰減；

③地表移動荷載產生的鉛垂向Z振級受溶洞與隧道邊距影響，當邊距不斷增大時，振級逐漸減小，與環境振動標準規定的振動限值相比，當超過振動限值時，需要對溶洞進行處理。