許　凱

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州　510641)

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廣州地鐵9號(hào)線隧道溶洞處理原則優(yōu)化研究

許凱

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州510641)

依托廣州9號(hào)線某典型區(qū)間案例，根據(jù)溶洞處理原則，借助有限元軟件，探討了存在不同溶洞的情況下，盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境和溶洞塑性區(qū)的影響，并提出明確的量化指標(biāo)洞距比和洞隧比作為溶洞處理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，給出了溶洞處理原則的優(yōu)化建議。

巖溶地區(qū)，盾構(gòu)隧道，有限元，地表沉降

0　引言

廣州地鐵9號(hào)線部分區(qū)間巖溶、土洞發(fā)育，對(duì)地鐵施工以及后期運(yùn)營(yíng)階段都存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，溶(土)洞的處理對(duì)隧道的施工和運(yùn)營(yíng)非常關(guān)鍵。

目前針對(duì)溶(土)洞對(duì)隧道影響的探討眾多。雷金山[1]以廣州典型工程為背景，通過三維有限元軟件模擬地鐵隧道施工對(duì)巖溶地區(qū)的影響，分析了溶洞的大小、位置、與隧道的間距及溶洞形狀等對(duì)巖溶地基穩(wěn)定性的影響。郭捷等[2]以實(shí)際工程為背景，利用有限差分軟件FLAC-3D對(duì)隧道間巖體中含有溶洞情況下隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出隧道圍巖向溶洞及隧道側(cè)變形，且隨溶洞直徑呈線性變化。蘇偉[3]通過MIDAS-GTS軟件分析，得出不同溶洞類型下(位置、大小)，溶洞會(huì)對(duì)隧道在垂直方向和水平向的應(yīng)力和位移產(chǎn)生影響。

本文依托廣州9號(hào)線某典型區(qū)間案例，針對(duì)本案例采用的溶洞處理原則，借助有限元軟件，探討存在不同溶洞的情況下(溶洞的位置以及大小)，盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境影響和溶洞塑性區(qū)的發(fā)展，并提出明確的量化指標(biāo)洞距比和洞隧比作為溶洞處理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本案例的溶洞處理原則提出優(yōu)化和建議。

1　工程概況

廣州地鐵9號(hào)線大范圍的下伏基巖為石炭系石蹬子組灰?guī)r，溶洞、土洞、溶溝、溶槽發(fā)育，地鐵穿越溶洞、土洞和溶溝、溶槽發(fā)育地段前，應(yīng)進(jìn)行預(yù)先處理。

本文選取廣州9號(hào)線某溶洞分布密集區(qū)間典型剖面，根據(jù)線路區(qū)間的巖土勘察報(bào)告，各巖土層的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)詳見表1。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

2　計(jì)算模型建立

本次分析采用有限元精細(xì)化模擬，分析隧道施工中存在不同溶洞情況下對(duì)地表沉降的影響，并根據(jù)GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[4]中對(duì)周邊環(huán)境的控制值(見表2)，探討隧道與溶洞近接關(guān)系，并給出溶洞處理評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在本次計(jì)算分析中，作了如下假定：1)巖土層為彈塑性材料，符合摩爾庫侖彈塑性屈服準(zhǔn)則；2)巖土層、盾構(gòu)管片是均質(zhì)的各向同性材料；3)本次分析盾構(gòu)管片采用剛度均一圓環(huán)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)整體模型結(jié)果影響不大。

表2　地表豎向位移控制值　mm

本案例模型中，隧道埋深15 m，直徑6 m，管片厚度0.3 m，盾殼厚度0.1 m，溶洞采用圓形模擬，案例中采用前述處理原則實(shí)施，分別對(duì)不同溶洞位置、大小進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際勘察經(jīng)驗(yàn)，較大的溶洞通常會(huì)被勘察發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行施工前的處理，所以本次分析選取的溶洞尺寸在工程中相對(duì)較難發(fā)現(xiàn)，且對(duì)隧道造成一定影響。

3　數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1溶洞位于隧道左/右側(cè)分析

通過數(shù)值分析計(jì)算，探討隧道側(cè)方存在溶洞情況下，盾構(gòu)施工對(duì)地表周邊環(huán)境的影響。

根據(jù)分析內(nèi)容，提出溶洞的徑距比K1(簡(jiǎn)稱洞距比)，洞隧的直徑比K2(簡(jiǎn)稱洞隧比)，如式(1)及式(2)所示：

(1)

(2)

其中，D1為溶洞直徑，m；D2為隧道直徑，m；L為溶洞與隧道的凈距離，m。

溶洞位于隧道左/右側(cè)分析，將不同洞距比與洞隧比地表豎向沉降列表匯總，并繪制洞距比與地表沉降關(guān)系圖。

當(dāng)溶洞在隧道側(cè)方時(shí)，洞距比K1在0.3～4之間變化，地表沉降值在5 mm～7 mm之間變化，參照GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范對(duì)于周邊環(huán)境的控制值，沉降值都小于控制范圍。

3.2溶洞位于隧道下側(cè)分析

溶洞位于隧道正下側(cè)分析，不同洞距比與洞隧比地表豎向沉降列表匯總。

當(dāng)隧道下側(cè)存在溶洞時(shí)，雖然地表沉降小于控制值，但是為了降低溶洞塑性區(qū)與隧道塑性區(qū)產(chǎn)生貫通的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)對(duì)洞隧比K2≥0.5，或洞距比K1≥1.0的溶洞進(jìn)行處理。

4　分析優(yōu)化對(duì)比

通過以上分析可知，當(dāng)溶洞位于隧道正下側(cè)時(shí)，盾構(gòu)施工對(duì)地表的影響最大，左/右下側(cè)次之；當(dāng)溶洞位于隧道左/右側(cè)，盾構(gòu)施工對(duì)地表的影響最小，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)下側(cè)溶洞予以重視。

原有的溶洞處理原則略保守，在溶洞處理中往往會(huì)把一些對(duì)盾構(gòu)施工影響甚微的溶洞處理掉，從而造成了浪費(fèi)，提高了施工成本。例如存在溶洞在隧道結(jié)構(gòu)左/右側(cè)3 m內(nèi)，按原經(jīng)驗(yàn)處理原則，隧道結(jié)構(gòu)左右側(cè)3 m溶洞一律處理，若洞徑1 m，洞距2 m洞隧比K2<0.5，且洞距比K1<1.0，按優(yōu)化后處理原則，該溶洞對(duì)隧道施工的影響不大，可以不作處理。由此可見通過對(duì)盾構(gòu)施工期間溶洞的近接關(guān)系分析，可以對(duì)一些影響相對(duì)甚微的溶洞不作處理。這將有效的節(jié)約了施工的成本和工期。

5　結(jié)論與建議

本文通過數(shù)值分析，對(duì)廣州地鐵9號(hào)線典型案例的溶洞處理原則進(jìn)行優(yōu)化分析，建議處理原則為：1)當(dāng)溶洞位于隧道頂板以上一律處理；2)當(dāng)溶洞位于隧道左/右側(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)洞隧比K2≥0.5，或洞距比K1≥1.0的溶洞進(jìn)行處理；3)當(dāng)溶洞位于隧道正下方5 m范圍內(nèi)一律處理；4)當(dāng)溶洞位于左/右下側(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)洞隧比K2≥0.5，或洞距比K1≥1.0的溶洞采取處理措施。

通過對(duì)隧道施工中溶洞的處理原則優(yōu)化，有效的節(jié)省了施工的成本和工期，為巖溶地區(qū)盾構(gòu)隧道施工溶洞處理提供了一定的指導(dǎo)。

[1]雷金山.廣州地鐵隱伏型巖溶地基穩(wěn)定性分析及充填處理技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2014.

[2]郭捷，馬鳳山，趙海軍.巖溶地區(qū)雙隧道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].隧道建設(shè)，2011(S1):165-169.

[3]蘇偉.溶洞對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及圍巖壓力影響的研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2009.

[4]GB 50497—2009，建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

On optimization of karst treatment principles in tunnel along No.9 subway in Guangzhou metro

Xu Kai

(CollegeofCivilEngineeringandCommunications,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Referring to the typical division case of No.9 line in Guangzhou, the paper adopts the finite element software according to the karst treatment principle, explores the influence of the shield consturciton on surrounding environment and the plastic zones under various karsts, and points out the identical quantitative index distance ratio and tunnel ratio as the evaluation standard, and provides the optimal suggestions for the karst treatment principles.

karst area, shield tunnel, finite element, surface settlement

1009-6825(2016)23-0170-02

2016-06-08

許凱(1991- )，男，在讀碩士

U452.11

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