范明學(xué)，劉科

（中國二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，成都610081）

1 引言

近年來，為更好地提高城市規(guī)劃發(fā)展，解決生存及活動空間擁堵等問題，地下空間的開發(fā)也在日益擴(kuò)大，以地下隧道交通建設(shè)為主的大規(guī)模地下空間開發(fā)正開展得如火如荼。然而，在大規(guī)模地下隧道建設(shè)的同時，地面建筑物分布集中，地下及地面建筑物附屬設(shè)施處理不當(dāng)，地下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，人員車輛流通性大等問題也是影響地下施工的因素[1，2]。因此，研究周邊環(huán)境情況對地下工程建設(shè)具有重要意義。

2 工程概況

某地下隧道總體呈東西向，長約41.97 km，由2 條并行的單線隧道組成。其中，里程YAK0+000 至YAK3+000 為高架方案；YAK3+000 至YAK7+280 為地下線線路。該地下隧道巖溶主要分布于該線西段潯峰崗—大坦沙（YAK0+000~YAK7+100）。使用由德國Herrick 制造的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道挖掘。刀頭直徑6.28 m，采用盾尾同步灌漿（砂漿）。隧道襯砌由預(yù)制鋼筋混凝土段制成，外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m。段寬為1.5 m，埋藏深度7.8~38.55 m。

3 三維有限元模型

本文選取YAK0+050~YAK7+070 段建立數(shù)值模型，該隧道所在位置存在一個實(shí)際無填充的溶洞，溶洞高度約3.5 m，水平長度約6.8 m，長度走向延隧道方向，位于隧道右下方。本數(shù)值計(jì)算模型將溶洞簡化為直徑為3.5 m，長度約6.8 m 的圓柱體空洞，與隧道的圓心距為7.25 m。由于巖溶水具有連通性，分析中不考慮空溶洞巖溶水的強(qiáng)度。根據(jù)數(shù)值計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，土層邊界影響范圍取隧道開挖直徑的3~5 倍。如圖1 所示，Abaqus 建立的模型長為50 m，寬為20 m，高為50 m，隧道頂部距離地表10 m，直徑6 m，襯砌厚度為0.3 m。模型四周水平和豎直位移受周邊土體的存在而限制，模型底部限制水平與豎直方向的位移，地表面無約束（即自由），對整個模型添加重力作用。

由于隧道與土體通常只產(chǎn)生徑向壓力，很少產(chǎn)生摩擦，因此，隧道和土體之間的接觸使用tie 命令將兩者綁定，即讓兩者接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)角和位移保持一致，由此在土體產(chǎn)生變形時會對隧道產(chǎn)生相應(yīng)的壓力，而隧道會產(chǎn)生相應(yīng)的抗力。

巖層、土層及隧道襯砌力學(xué)參數(shù)取值如表1 所示。

圖1 溶洞在隧道側(cè)方模型圖

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

4 數(shù)值結(jié)果分析

本文主要研究了隧道正側(cè)方溶洞存在對地基及地下隧道的影響。由計(jì)算結(jié)果可知，無荷載工況下的最大應(yīng)力約為1 098 kPa；集中靜荷載工況下的最大應(yīng)力約為1 252 kPa，較無荷載工況提升了14%；集中移動簡諧荷載工況下的最大應(yīng)力約為1 362 kPa，較無荷載工況提升了24%。可見，溶洞在隧道正側(cè)方時，隧道作用荷載對地基應(yīng)力有顯著的影響，尤其是移動簡諧荷載。

圖2 研究了溶洞在正側(cè)方時地表沉降隨荷載移動速度變化規(guī)律。隧道直徑為6 m，溶洞直徑為3 m，溶洞距隧道的距離為3 m。無量綱速度采用荷載移動速度/土體剪切波速，地表沉降隨著荷載移動速度的提升迅速增大，并在荷載移動速度/土體剪切波速約為1.0 時達(dá)到峰值130 mm，當(dāng)荷載速度超過土體剪切波速后，地表沉降明顯減小。由此得出，荷載移動速度對地表沉降作用明顯。因此，溶洞位于隧道正側(cè)方時的關(guān)鍵速度即為1.0 倍的剪切波速。

圖2 溶洞在正側(cè)方時地表沉降隨荷載移動速度變化

圖3 給出了地下移動荷載作用下地表沉降隨溶洞洞徑的變化曲線，并對比了不同溶洞與隧道邊距工況，邊距從6 m 減小至1 m。隨著土洞洞徑的增加，地表移動荷載引起的地表沉降總體呈上升趨勢。溶洞與隧道邊距為6 m 時，隨著溶洞洞徑從1 m 增大至6 m，地表沉降從-18 mm 緩慢增加至-20.5 mm。但當(dāng)溶洞與隧道邊距減低至1 m 時，隨著溶洞洞徑的增大，地表沉降從-20 mm 加速增加到-32 mm?？梢?，隨著溶洞與隧道邊距減小，溶洞洞徑對地表沉降的影響愈加顯著。當(dāng)溶洞出現(xiàn)在隧道的正上方時，可能存在以下幾方面的原因：（1）溶洞未處理時的自身穩(wěn)定性比較差，在自重應(yīng)力作用下，溶洞頂部也會產(chǎn)生較大的沉降位移，從而增大了隧道本身引起的地表沉降；（2）地下移動荷載會引起隧道和溶洞周邊土體的擾動，會使這部分土體的初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致地表沉降顯著增大；（3）隧道上方溶洞的存在變相增大了隧道本身的尺寸，即溶洞存在進(jìn)一步削弱了隧道頂拱圍巖的整體性，使隧道拱頂土體變形剛度降低，也導(dǎo)致了地表沉降的增大。并且，當(dāng)溶洞洞徑一定時，溶洞與隧道邊距的減小會進(jìn)一步放大這些疊加效應(yīng)，從而導(dǎo)致溶洞洞徑對地表沉降的影響愈加顯著。

圖3 溶洞在正上方時不同邊距下地表沉降隨洞徑變化

5 結(jié)語

本文基于Abaqus 有限元軟件，建立了地下移動荷載作用下的溶洞-襯砌-隧道三維耦合模型。經(jīng)分析可知，地下移動荷載對地基和地下隧道的應(yīng)力響應(yīng)和位移響應(yīng)有顯著的影響，尤其是移動簡諧荷載。地下移動荷載作用下，溶洞-襯砌-隧道體系存在關(guān)鍵速度，地表沉降隨著移動荷載速度的提升而增大，并在達(dá)到關(guān)鍵速度時沉降值最大而后迅速減小。當(dāng)溶洞與隧道邊距為定值時，地下移動荷載下的地表沉降隨著溶洞洞徑的增大迅速增大，并且隨著溶洞與隧道邊距減小，溶洞洞徑對地表沉降的影響愈加顯著。