林希豪，劉遠(yuǎn)明，張凱鋒，景志泉，匡南魁，高曉薇

（貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550005）

隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)地下工程的需求越來(lái)越大，隨之而來(lái)出現(xiàn)較多的施工難題，尤其是溶洞對(duì)隧道施工的影響。位于石灰?guī)r溶地區(qū)的西部已建公路隧道約50 %，而巖溶對(duì)隧道施工的影響主要在洞害、水害、洞穴充填物坍塌、洞頂?shù)乇硭菟膫€(gè)方面。

對(duì)此，一些專(zhuān)家學(xué)者已有部分研究。鄒成杰[1]分析不同大小的隱伏溶洞對(duì)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(duì)夏家廟隧道圍巖位移和應(yīng)力的影響，趙宏國(guó)[3]對(duì)頂部溶洞的大小對(duì)地鐵隧道影響做研究等等。然而，關(guān)于不同大小和位置的溶洞對(duì)隧道的綜合影響尚未研究全面。

貴陽(yáng)軌道交通地鐵三號(hào)線區(qū)間線路長(zhǎng)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(qū)間巖溶見(jiàn)洞率為46.2 %，最大溶洞約120 m3，巖層強(qiáng)度32～128 Mpa，有17 段帶富水區(qū)域。由于貴陽(yáng)地處云貴高原黔中山原丘陵中部，屬于獨(dú)特的喀斯特地貌，地下溶洞眾多，施工時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)溶洞或引起坍塌，且洞中常出現(xiàn)巖溶現(xiàn)象，造成土層結(jié)構(gòu)改變，甚至出現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)懸空現(xiàn)象。在實(shí)際施工中，溶洞的出現(xiàn)將減小隧道的承載能力；外加因季節(jié)變化，地下水的涌入時(shí)間和水量都不穩(wěn)定，這也會(huì)增加隧道施工的安全隱患。

本文就溶洞的大小和位置對(duì)隧道施工安全的影響進(jìn)行研究，得出隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形的規(guī)律，為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 模型試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)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(hù)等寬。溶洞用四個(gè)大小不同、內(nèi)壓均為30 kPa 的氣囊替代。通過(guò)粘貼在支護(hù)上的應(yīng)變片的變形反映支護(hù)的形變，同時(shí)支護(hù)內(nèi)部填充夯實(shí)土壤。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1-5 所示。

表1 無(wú)溶洞時(shí)襯砌的軸力值和彎矩值

表2 溶洞位于隧道頂部時(shí)各測(cè)點(diǎn)的軸力值(kN)

表3 溶洞位于隧道頂部時(shí)各測(cè)點(diǎn)的彎矩值(kN·m)

表4 溶洞位于不同位置時(shí)各測(cè)點(diǎn)的軸力值(kN)

表5 溶洞位于不同位置時(shí)各測(cè)點(diǎn)的彎矩值(kN·m)

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬方案

采用MIDAS/GTS 建模，二維數(shù)值模擬、本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。假定模型上邊界為自由地面、底部及側(cè)部邊界位移為固定邊界，模型范圍為寬×高=50 m× 80 m。模擬過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)只考慮彈性模量和泊松比，噴射混凝土強(qiáng)度為C20，厚度為23 cm。在開(kāi)挖過(guò)程中用錨桿來(lái)加固圍巖，模型的圍巖等級(jí)為Ⅳ。共設(shè)計(jì)八種不同工況隧道來(lái)模擬，數(shù)值模擬工況如表6 所示。

表6 數(shù)值模擬工況

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬后，各工況下隧道襯砌軸力和彎矩的結(jié)果如表7-11 所示。

3 試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析

3.1 無(wú)溶洞時(shí)分析

由表1、表7 的隧道襯砌軸力和彎矩值可得：

表7 無(wú)溶洞時(shí)襯砌的軸力值和彎矩值

無(wú)溶洞隧道施工時(shí)，襯砌在拱頂和拱腰處出現(xiàn)負(fù)彎矩，拱腳處出現(xiàn)正彎矩，即襯砌上部?jī)?nèi)側(cè)受拉、下部外側(cè)受拉；且在拱頂處出現(xiàn)最大負(fù)彎矩、在拱腳處出現(xiàn)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(yàn)及數(shù)值模擬的各測(cè)點(diǎn)的隧道襯砌軸力和彎矩可得：

表8 溶洞位于隧道頂部時(shí)軸力值(kN)

表9 溶洞位于隧道頂部時(shí)彎矩值(kN·m)

（1）溶洞的存在導(dǎo)致襯砌受力變化，并產(chǎn)生相應(yīng)變形。當(dāng)溶洞與隧道相對(duì)位置一定時(shí)，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(gè)襯砌處于受壓狀態(tài)；軸力值腰部大、拱部和頂部??；彎矩值腳部最大、腰部最小。

（3）當(dāng)溶洞位于隧道的頂部時(shí)，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??；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(yàn)及數(shù)值模擬的各測(cè)點(diǎn)的隧道襯砌軸力和彎矩可得：

表10 溶洞在不同位置時(shí)襯砌軸力值(kN)

表11 溶洞在不同位置時(shí)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(shí)，此規(guī)律明顯于在其他位置，說(shuō)明溶洞在隧道拱腰和拱腳時(shí)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(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

無(wú)溶洞時(shí)，襯砌拱頂和拱腳承受主要彎矩作用，襯砌整體呈受壓狀態(tài)。隨溶洞增大，襯砌拱頂?shù)妮S力增大、拱腰和拱腳的軸力減??；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。