廖繼軒 蔡煊 楊羅萍 肖金梅 侯宇婷 宋曉波

[摘? 要]：在地鐵隧道經(jīng)過溶洞地層時，溶洞會增大施工難度，甚至會影響后期運營安全。文章為探究豎向溶洞對地鐵隧道施工的影響，尤其是上、下雙溶洞等不常見工況，采用數(shù)值模擬的方法展開研究。結果表明：（1）溶洞顯著影響施工時的圍巖應力分布，豎向應力最大值集中在溶洞或者隧道的兩側位置，而水平應力最大值則集中在其頂部和底部。（2）隧頂溶洞使拱頂處軸力顯著增大;隧底溶洞導致仰拱處出現(xiàn)負彎矩，并且側墻下部彎矩顯著增大，在該工況下施工隧道應注意側墻的受力情況。（3）溶洞上大下小作用下的初支內(nèi)力最大，因此在遭遇上、下溶洞時可用上大下小的受力模式以作保守設計。（4）相較于無溶洞情況，溶洞會減小隧道初支的變形，且整體數(shù)值較小。

[關鍵詞]：豎向溶洞; 地鐵隧道; 數(shù)值模擬; 施工影響

U455.49A

隧道施工過程中經(jīng)常會遇到巖溶這類地質(zhì)問題，在西部地區(qū)巖溶發(fā)育更為顯著。在發(fā)育的巖溶地區(qū)施工往往會遭遇突水突泥，甚者會遭遇圍巖失穩(wěn)坍塌，不僅會顯著影響施工進度并且會危及工人生命安全。為應對這一問題，國內(nèi)外學者開展了一系列研究，涉及超前探測、圍巖穩(wěn)定性分析和施工方法優(yōu)化等方面。譚代明[1]、莫陽春等[2]通過數(shù)值模擬的手段對側部溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響進行了探究，并分析了不同距離與不同大小的溶洞在隧道側部分布情況下對圍巖變形的影響，結果表明數(shù)值模擬的結果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)比較吻合。此外，趙明階等[3]通過數(shù)值模擬和模型試驗對溶洞大小、溶洞與隧道距離等參數(shù)對隧道圍巖的穩(wěn)定性進行研究，結果表明頂部溶洞對圍巖穩(wěn)定性影響較大。宋建禹[4]基于隱伏溶洞對隧道結構穩(wěn)定性的影響特征，認為施工的關鍵在于確定溶洞與隧道間安全臨界厚度。賴永標等[5-6]基于突變理論對隧道與溶洞之間的圍巖穩(wěn)定性進行了評價，并基于該處圍巖系統(tǒng)總勢能的研究，提出了失穩(wěn)突變模型。

雖然眾多學者就溶洞對隧道施工影響進行了多項研究，取得了顯著的成就，但是前述研究主要是針對單個溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，較少涉及到隧道穿越多個溶洞的情況，尤其是上下溶洞大小不一致的情況。因此，本文將采用數(shù)值模擬的方法探究豎向隱伏溶洞對隧道施工穩(wěn)定性的影響，并提出穿越豎向溶洞時的安全受力模式。

1 工程概況

本文研究的對象是西南地區(qū)某單洞地鐵隧道，其斷面形狀是典型的馬蹄形（圖1）。該隧道輪廓為4心圓構成，其斷面面積是38.76 m2，凈高為7.31 m，凈寬為6.52 m。該隧道穿越的地層主要為IV級圍巖。

2 數(shù)值模擬簡介

2.1 計算范圍和邊界條件

本文中數(shù)值模型水平長度80 m，豎向高度90 m，縱向長度為 1 m。在模擬地層中，隧道埋深約為37 m，隧道底部距下邊界約為45 m，滿足大于3到5倍洞徑的要求，避免了邊界條件的影響。

本文隧道輪廓與溶洞相對位置（上、下溶洞大小一致）如圖2所示，其數(shù)值模型的網(wǎng)格均為較規(guī)則的四面體網(wǎng)格，模擬精度較高。本文數(shù)值模型的邊界條件為：上邊界為自由邊界，兩側邊界施加X方向約束，下邊界施加Y方向約束。

依據(jù)規(guī)范[7]和相關參考文獻[8]，本文將采用適當提高隧道上部圍巖的c和φ來等效代替初支中錨桿和工字鋼的支護作用。本文數(shù)值模擬的參數(shù)如表1所示。

2.2 工況設置及模擬假設

在巖溶發(fā)育地帶，隧道往往會遭遇多種巖溶地質(zhì)情況。為探究有無溶洞、溶洞數(shù)量、溶洞尺寸等參數(shù)對隧道施工的影響，本文擬設計多種工況（表2），具體包括：無溶洞、隧頂溶0.2洞（直徑4 m，間距3 m）、隧底溶洞（直徑4 m，間距3 m）、隧頂+隧底溶洞。本文在模擬過程中采用全斷面施工，為較真實地模擬隧道施工時的應力變化，考慮開挖之后圍巖的荷載釋放率為60%，在施工初期支護之后釋放剩下的40%[9]。

此外，為了方便計算和提高計算效率，在數(shù)值模擬過程中需要對數(shù)值模型進行合理的假設。為此，本文擬作以下假設：①巖體為理想彈塑性介質(zhì)（采用D-P模型）;②不考慮巖體變形的時間效應和地下水的影響;③巖體為各向同性均勻介質(zhì);④隧道及圍巖是平面應變問題;⑤初始地應力只考慮自重應力，不考慮構造應力。

3 結果分析

3.1 地層位移

隧址地層在隧道施工之前已經(jīng)完成沉降，但是隧道施工過程會導致周邊地層出現(xiàn)新的位移。本文通過數(shù)值模擬得到部分工況的地層位移如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出，除溶洞和隧道附近區(qū)域外，圍巖豎向位移呈層狀分布，從上而下逐漸減小。此外，無論施工前后，圍巖的水平位移呈對稱分布，其最大值均出現(xiàn)在溶洞和隧道的兩側壁凌空面。

通過統(tǒng)計分析得到隧道施工前后的地層位移如表3所示。從表3可以得到，隧道施工前地層在自重作用下完成了沉降，各個工況的最大沉降量均為29～30 mm左右，表明溶洞的存在與否對最初沉降量大小的影響不明顯。隧道施工過程中，地層受到擾動而產(chǎn)生新的變形。其中，地層豎向沉降變化不顯著（均在1%以內(nèi)）;而地層水平變形比較明顯，最顯著的是無溶洞的地層（增長率為262.50%），上小下大工況最?。ㄔ鲩L率為70.30%）。

雖然隧道施工導致的圍巖變形量數(shù)值較小，但是對于隧道拱頂和拱腳2個部位應當加強監(jiān)測，防止變形過大影響襯砌結構安全。

3.2 地層應力

隧址地層在隧道施工之前已經(jīng)基本完成應力分布，但是隧道施工過程會導致隧道周邊的地層應力重分布。本文通過數(shù)值模擬得到部分工況的地層應力如圖5、圖6所示。從圖5、圖6可以看出，在存在溶洞的工況中，無論隧道開挖與否，地層的應力分布均會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。其中，豎向應力最大值集中在溶洞或者隧道的兩側位置，而水平應力最大值則集中在溶洞或者隧道的頂、底部位置，與前人[10]的研究成果一致。

通過統(tǒng)計分析得到隧道施工前后的地層應力如表4所示。從表4可以看出，溶洞的存在對于地層豎向應力存在較大的影響，尤其是多個溶洞作用時影響最顯著，其中施工前后豎向應力變化最大的是上小下大的情況，而水平應力最大的是上大下小。

3.3 初支內(nèi)力

在較好的圍巖中，隧道二襯一般是作為安全儲備，隧道初支將承擔圍巖的擠壓。本文通過數(shù)值模擬得到部分工況的初支內(nèi)力如圖7～圖10所示。從圖7～圖10可以看出，在隧道開挖并完成初支之后，隧道初支開始承擔圍巖壓力，其負彎矩最大值出現(xiàn)在拱腳部位，正彎矩最大值出現(xiàn)在仰拱部位。各個工況的初支軸力均為負值，說明隧道初支受到壓力，與實際情況相符。就初支剪力而言，各個工況剪力最大值均出現(xiàn)在拱腳附近，并正負對應。

通過統(tǒng)計分析得到隧道施工前后的初支內(nèi)力如圖11所示。從圖11可以看出，是否有溶洞、溶洞的尺寸以及溶洞位置對隧道初支的內(nèi)力有顯著影響。其中，無溶洞作用下隧道初支的內(nèi)力最大，隧道頂部溶洞作用下初支內(nèi)力次之，而隧道底部溶洞作用下初支內(nèi)力最小。

結合圖7～圖11可以看出，雖然溶洞的存在將會降低隧道初支的內(nèi)力的最大值，但局部位置內(nèi)力的變化并不完全一致。其中，隧頂溶洞的存在使拱頂處軸力顯著增大，與既有成果一致[11];隧底溶洞的存在導致仰拱處出現(xiàn)負彎矩，并且側墻下部彎矩顯著增大，在該工況下施工隧道應注意側墻受力情況。

此外，在上下均存在溶洞的情況下，除初支軸力外，溶洞上大下小的情況下的初支內(nèi)力最大，上小下大次之，上下均勻最小。因此，在隧道遭遇上下隧道時，可以采用上大下小的受力模式來設計支護，使初支更加安全。

3.4 初支變形

隧道初支一般是一種柔性支護，其主要作用是幫助圍巖充分發(fā)揮其自承能力，即是在允許隧道邊界的圍巖發(fā)生一定的變形，使圍巖壓力得到一定程度的釋放，從而使圍巖和初支達到一種穩(wěn)定狀態(tài)。為此，本文對隧道初支的豎向變形進行了監(jiān)測，其部分結果如圖12所示。由圖12可以看出，隧道初支變形呈現(xiàn)拱頂向下沉降和仰拱向上隆起的狀態(tài)，與既有研究[12]相符。

隧道在無溶洞、單溶洞和雙溶洞作用下初支變形如圖13所示。從圖13可以看出，相較于無溶洞情況，本文工況中溶洞的存在會減小隧道初支的變形，與既有研究規(guī)律[13]一致。其中，隧道底部溶洞導致的初支變形最小，說明在該種情況下有利于控制隧道初支的變形。

4 結論

本文以某穿越多發(fā)性隱伏溶洞地鐵隧道為例，采用有限元軟件對其施工穩(wěn)定性進行模擬研究，得到結論：

（1）相比無溶洞，溶洞顯著影響了隧道施工時的圍巖應力分布，其中，豎向應力最大值集中在溶洞或者隧道的兩側位置，而水平應力最大值則集中在溶洞或者隧道的頂、底部位置。

（2）溶洞會降低隧道初支的內(nèi)力的最大值，但局部變化情況不一致。其中，隧頂溶洞使拱頂處軸力顯著增大;隧底溶洞導致仰拱處出現(xiàn)負彎矩，并且側墻下部彎矩顯著增大，在該工況下施工隧道應注意側墻的受力情況。

（3）上下溶洞同時存在時，不同的溶洞尺寸對隧道初支的內(nèi)力影響較大。溶洞上大下小的情況下的初支內(nèi)力最大，上下均勻最小。在隧道遭遇上下隧道時，可以采用上大下小的受力模式來設計。

（4）就隧道初支變形而言，相較于無溶洞情況，本文工況中溶洞的存在會減小隧道初支的變形，且整體數(shù)值較小。

參考文獻

[1] 譚代明，漆泰岳，莫陽春.側部巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析與研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28（S2）：3497-3503.

[2] 莫陽春，周曉軍.側部巖溶隧道圍巖變形特征數(shù)值模擬分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008（2）：30-34+44.

[3] 趙明階，敖建華，劉緒華，等.巖溶尺寸對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2004（2）：213-217.

[4] 宋建禹. 隱伏溶洞與山嶺隧道間安全厚度預測及其穩(wěn)定性研究[D].重慶：重慶交通大學，2012.

[5] 賴永標. 隱伏溶洞與隧道間安全距離及其智能預測模型研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[6] 賴永標， 王夢恕， 白晨光，等. 基于突變理論隱伏溶洞與隧道間安全距離研究[C]// 海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會. 2013.

[7] 鐵路隧道設計規(guī)范： TB 10003-2016[S]北京：中國鐵道出版社，2017.

[8] 陳洪凱，唐紅梅，王蓉，等.錨固巖體參數(shù)的等效方法研究[J].應用數(shù)學和力學，2001（8）：862-868.

[9] 石堅，丁偉，趙寶.隧道開挖過程的數(shù)值模擬與分析[J].鐵道建筑，2010（2）：21-24.

[10] 廖秀宇. 德寨隧道隱伏溶洞對圍巖穩(wěn)定性影響分析[D].成都：成都理工大學，2017.

[11] 張玉石. 溶洞對貴陽軌道交通工程隧道安全影響研究[D].貴州：貴州大學，2019.

[12] 賴金星，汪珂，邱軍領.溶洞位置對隧道結構影響的數(shù)值模擬研究[J].公路，2015，60（8）：275-281.

[13] 趙世科. 溶洞對隧道施工的影響研究[D].成都：西南交通大學，2012.