溶洞對城市軌道交通區間隧道安全影響

林希豪，劉遠明，張凱鋒，景志泉，匡南魁，高曉薇

（貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550005）

隨著我國城市軌道交通建設的迅速發展，人們對地下工程的需求越來越大，隨之而來出現較多的施工難題，尤其是溶洞對隧道施工的影響。位于石灰巖溶地區的西部已建公路隧道約50 %，而巖溶對隧道施工的影響主要在洞害、水害、洞穴充填物坍塌、洞頂地表塌陷四個方面。

對此，一些專家學者已有部分研究。鄒成杰[1]分析不同大小的隱伏溶洞對隧洞位移的作用，史世雍[2]等人分析不同大小的隧頂溶洞對夏家廟隧道圍巖位移和應力的影響，趙宏國[3]對頂部溶洞的大小對地鐵隧道影響做研究等等。然而，關于不同大小和位置的溶洞對隧道的綜合影響尚未研究全面。

貴陽軌道交通地鐵三號線區間線路長1169 米，隧道頂埋深約5.68～17.6米，隧道主要穿越白云巖等地層，區間巖溶見洞率為46.2 %，最大溶洞約120 m3，巖層強度32～128 Mpa，有17 段帶富水區域。由于貴陽地處云貴高原黔中山原丘陵中部，屬于獨特的喀斯特地貌，地下溶洞眾多，施工時有可能會出現溶洞或引起坍塌，且洞中常出現巖溶現象，造成土層結構改變，甚至出現部分結構懸空現象。在實際施工中，溶洞的出現將減小隧道的承載能力；外加因季節變化，地下水的涌入時間和水量都不穩定，這也會增加隧道施工的安全隱患。

本文就溶洞的大小和位置對隧道施工安全的影響進行研究，得出隧道襯砌結構的受力和變形的規律，為隧道襯砌結構的設計和施工提供參考。

1 模型試驗研究

1.1 試驗方案

模型由石膏澆筑，并摻入重晶石膏，圍巖土用凡士林混合沙土替代，各工況支護等寬。溶洞用四個大小不同、內壓均為30 kPa 的氣囊替代。通過粘貼在支護上的應變片的變形反映支護的形變，同時支護內部填充夯實土壤。

1.2 試驗結果

物理模型實驗數據如表1-5 所示。

表1 無溶洞時襯砌的軸力值和彎矩值

表2 溶洞位于隧道頂部時各測點的軸力值(kN)

表3 溶洞位于隧道頂部時各測點的彎矩值(kN·m)

表4 溶洞位于不同位置時各測點的軸力值(kN)

表5 溶洞位于不同位置時各測點的彎矩值(kN·m)

2 數值模擬研究

2.1 數值模擬方案

采用MIDAS/GTS 建模，二維數值模擬、本構模型采用摩爾-庫倫準則。假定模型上邊界為自由地面、底部及側部邊界位移為固定邊界，模型范圍為寬×高=50 m× 80 m。模擬過程中，支護結構只考慮彈性模量和泊松比，噴射混凝土強度為C20，厚度為23 cm。在開挖過程中用錨桿來加固圍巖，模型的圍巖等級為Ⅳ。共設計八種不同工況隧道來模擬，數值模擬工況如表6 所示。

表6 數值模擬工況

2.2 數值模擬結果

數值模擬后，各工況下隧道襯砌軸力和彎矩的結果如表7-11 所示。

3 試驗及數值模擬分析

3.1 無溶洞時分析

由表1、表7 的隧道襯砌軸力和彎矩值可得：

表7 無溶洞時襯砌的軸力值和彎矩值

無溶洞隧道施工時，襯砌在拱頂和拱腰處出現負彎矩，拱腳處出現正彎矩，即襯砌上部內側受拉、下部外側受拉；且在拱頂處出現最大負彎矩、在拱腳處出現最大正彎矩，即襯砌拱頂和拱腳承受主要彎矩作用。襯砌整體受壓。

3.2 溶洞大小影響分析

由表2、表3、表8、表9 所示的模型試驗及數值模擬的各測點的隧道襯砌軸力和彎矩可得：

表8 溶洞位于隧道頂部時軸力值(kN)

表9 溶洞位于隧道頂部時彎矩值(kN·m)

（1）溶洞的存在導致襯砌受力變化，并產生相應變形。當溶洞與隧道相對位置一定時，隨著溶洞半徑的增大，隧道的橫向變形逐漸加大，縱向變形逐漸減小，但變形量較小。

（2）整個襯砌處于受壓狀態；軸力值腰部大、拱部和頂部小；彎矩值腳部最大、腰部最小。

（3）當溶洞位于隧道的頂部時，隨溶洞增大，襯砌拱頂處的軸力值增大，但拱腰和拱腳處的軸力值減小；襯砌各處的彎矩值都減小。

3.3 溶洞位置影響分析

由表4、表5、表10、表11 所示的模型試驗及數值模擬的各測點的隧道襯砌軸力和彎矩可得：

表10 溶洞在不同位置時襯砌軸力值(kN)

表11 溶洞在不同位置時襯砌彎矩值(kN·m)

（1）溶洞位于任何位置，隧道襯砌一直受壓，且襯砌軸力都是腰部最大、腳部次之、頂部最小，而襯砌彎矩則都是腳部最大、腰部次之、頂部最小。溶洞在隧道腰部和腳部時，此規律明顯于在其他位置，說明溶洞在隧道拱腰和拱腳時最不利。

（2）溶洞在拱腰處，襯砌軸力大、彎矩小，彎曲變形不明顯；而溶洞在拱腳處，襯砌軸力小、彎矩大，彎曲變形明顯，即溶洞在拱腳處更危險。

4 結論

本文通過物理模型試驗以及數值模擬試驗，得到以下結論：

無溶洞時，襯砌拱頂和拱腳承受主要彎矩作用，襯砌整體呈受壓狀態。隨溶洞增大，襯砌拱頂的軸力增大、拱腰和拱腳的軸力減小；襯砌各處的彎矩都減小且襯砌一直受壓。溶洞處于隧道拱腳處是最不利位置。