摘要：為研究貴陽(yáng)市軌道交通3號(hào)線一期工程黔北區(qū)間礦山法施工揭露巖溶空腔問(wèn)題，采用數(shù)值模擬方法對(duì)礦山法隧道施工揭露巖溶空腔及巖溶空腔處理施工全過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，研究結(jié)果表明：（1）隧道掌子面開(kāi)挖至巖溶空腔處時(shí)，最大沉降值位于巖溶空腔內(nèi)紅黏土填充區(qū)；（2）巖溶空腔脫空回填后，隧道洞周變形進(jìn)一步發(fā)生，但填充區(qū)基本不再發(fā)生沉降變形；（3）揭露巖溶過(guò)程時(shí)地表最終沉降曲線表現(xiàn)為深V型，巖溶空腔內(nèi)填充物流失對(duì)隧道開(kāi)挖時(shí)地表沉降影響較大。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；溶腔位置；數(shù)值模擬；施工力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：U455"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）05?0233?05

Mechanical Analysis of Karst Exposed Construction in Tunnel by Mining Method

HE Xiaoyong LAI Mou FEI Fuhua FAN Yuhui

（1. China Railway Development and Investment Group Co.， Ltd.， Kunming Yunnan 650200，China;2. Southwest Jiaotong University， Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education， Sichuan Chengdu 610031， China）

Abstract： To study the karst cavities revealed during the mining method construction in northern Guizhou of phase I project of Guiyang Rail Transit Line 3， the dynamic simulation of the whole construction process of uncovering karst cavity and treatment of karst cavity during the tunnel construction by mining method is carried out by means of numerical simulation method. The research results show that： （1） when the working face is excavated to the karst cavity， the maximum settlement value is located in the red clay filling area in the karst cavity. （2） After the karst cavity is backfilled out， the deformation around the tunnel further occurs， but there is no settlement deformation in the filling area. （3） When the karst process was revealed， the final settlement curve of the surface showed a deep V shape， and the loss of the fill in the karst cavity had a great impact on the surface settlement during tunnel excavation.

Key words： subway tunnel; cavity location; numerical simulation; construction mechanics analysis

0 引言

大量城市隧道建設(shè)需要穿越巖溶地區(qū)，巖溶地質(zhì)條件復(fù)雜，富水特性差異大，非均質(zhì)性強(qiáng)，在地鐵礦山法開(kāi)挖過(guò)程中揭露充填型溶腔容易突發(fā)大范圍突水、突泥等災(zāi)害，進(jìn)而改變地下水滲流場(chǎng)[1?4]，危害施工人員人身安全，造成工期損失，并且?guī)r溶空腔處理不當(dāng)還會(huì)威脅隧道安全運(yùn)營(yíng)。

目前，針對(duì)巖溶地質(zhì)隧道施工問(wèn)題，已有許多學(xué)者從理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等方面做了大量的研究與探討。李新明等[5]提出喀斯特地貌巖溶主要為“串珠式”關(guān)聯(lián)型溶洞，并形成一套具體洞內(nèi)及洞外施工措施。周曉松等[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究下穿充填型溶腔與隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，提出運(yùn)用超長(zhǎng)管棚加固溶腔處圍巖措施，并有效增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。李海港等[7]通過(guò)數(shù)值模擬研究了隧道全斷面穿越溶洞應(yīng)力集中區(qū)疊加效應(yīng)。張毅等[8]探究了巖溶隧道在施工過(guò)程中近接溶腔對(duì)圍巖收斂變形和應(yīng)力大小影響，隧道半穿溶洞時(shí)圍巖的力學(xué)響應(yīng)，以及圍巖的位移、應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。徐海清等[9]提出了隧道穿越區(qū)巖溶塌陷處置技術(shù)和溶腔大、分布廣、分布不均的處置方法。

之前學(xué)者研究主要為近接地下溶洞對(duì)隧道的影響，對(duì)于礦山法部分揭露接地表串珠式溶洞力學(xué)分析較少。本研究依托貴陽(yáng)市軌道交通3號(hào)線一期工程，利用ANSYS對(duì)礦山法揭露巖溶區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析穿越過(guò)程地層變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、地表沉降變形。

1 工程概況

1.1 揭露巖溶簡(jiǎn)介

黔靈山公園站～北京路站區(qū)間起點(diǎn)位于北京路與棗山路交叉口，下穿黔靈山小區(qū)、黔靈山后，沿北京路下行，終點(diǎn)位于北京路山水大酒店門(mén)口。右線 區(qū)間起止里程為： YDK32 + 962.204 ～YDK34 + 052.503，長(zhǎng) 1 090.299m；左線區(qū)間起止里程為：ZDK32 + 962.526～ZDK34 + 052.503，長(zhǎng)1 103.327m。溶洞位置在 ZDK33 + 910 處，地表脫空位置在 ZDK33 + 918 處。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，塌陷區(qū)巖溶發(fā)育剖面如圖 1 所示。

1.2 區(qū)間隧道斷面設(shè)計(jì)

初期支護(hù)采用260mm厚 6.5@200 200掛網(wǎng)噴射C25早強(qiáng)混凝土加工18鋼架，二次襯砌采用C35防水鋼筋混凝土，二次襯砌澆筑完成后應(yīng)進(jìn)行二襯背后壓注漿。隧道開(kāi)挖后及時(shí)初噴一層混凝土封閉暴露的巖面，再設(shè)置錨桿、掛網(wǎng)噴射混凝土，其允許超挖厚度的平均值，拱部、邊墻及仰拱均以100mm計(jì)。隧道超挖部分采用與初期支護(hù)同級(jí)混凝土回填。巖溶段隧道設(shè)計(jì)橫斷面如圖2所示。

2 礦山法隧道揭露巖溶施工力學(xué)分析

2.1 礦山法隧道揭露巖溶施工數(shù)值模擬

2.1.1 模型計(jì)算基本假定

為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用如下基本假定：

（１）模型中涉及的同種材料、同一土層均視為各向同性且質(zhì)量均勻，其中土視為彈塑性關(guān)系的材料，初支襯砌以梁?jiǎn)卧M，溶洞后期處理填充物視為彈性材料。

（２）土體采用理想彈塑性本構(gòu)模型，使用DP屈服準(zhǔn)則。

（３）根據(jù)勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，將計(jì)算簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型。

（４）初始應(yīng)力分析階段只考慮土體自重對(duì)隧道開(kāi)挖的影響，不考慮隧道在開(kāi)挖過(guò)程中施工對(duì)土體工程性能的影響。計(jì)算過(guò)程中不考慮滲流對(duì)隧道開(kāi)挖的影響，為研究隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性，模擬中未施作二次襯砌。

2.1.2 計(jì)算模型及邊界條件

根據(jù)區(qū)間隧道與揭露巖溶位置關(guān)系建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸選取的原則是把隧道開(kāi)挖影響范圍都包含在模型范圍之內(nèi)，模型邊界尺寸為80m（橫向 ） 50m（豎向 ）。模型隧道埋深約27m，初支結(jié)構(gòu)為26cm厚噴射混凝土加工18型鋼，計(jì)算中用梁?jiǎn)卧M，模型邊界條件如下：左右兩側(cè)采用水平約束，模型底部為豎向約束?？紤]到隧道動(dòng)態(tài)施工特點(diǎn)，隧道圍巖按均質(zhì)彈塑性考慮，采用Drucker?Prager屈服準(zhǔn)則。模型中土體單元均采用PLANE42單元予以模擬，計(jì)算時(shí)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

2.1.3 地層及相關(guān)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

實(shí)際工程中各種材料參數(shù)多樣，且土層性質(zhì)各異、參數(shù)多變，為了簡(jiǎn)化模型計(jì)算，需對(duì)模型計(jì)算所需物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)區(qū)間土體的地質(zhì)特點(diǎn)，建模過(guò)程中將其分為多個(gè)均勻土層。在計(jì)算模型中，土體材料的模擬均采用彈塑性關(guān)系材料，物理力學(xué)參數(shù)由《黔靈公園站～北京路站區(qū)間隧道巖土工程勘察報(bào)告》進(jìn)行分析確定，地層土體及填充材料物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

2.1.4 隧道開(kāi)挖及巖溶揭露過(guò)程模擬

為了模擬礦山法隧道施工揭露巖溶過(guò)程，采用生死單元法模擬隧道的開(kāi)挖及巖溶的形成過(guò)程，隧道開(kāi)挖施工采用不同的圍巖應(yīng)力釋放率來(lái)模擬空間效應(yīng)，以期能盡可能地接近工程實(shí)際。因巖溶發(fā)育于雙線隧道左側(cè)，雙線隧道相隔較遠(yuǎn)且右線后于左線開(kāi)挖較長(zhǎng)距離，固分析時(shí)僅對(duì)左線隧道進(jìn)行開(kāi)挖模擬，表2為計(jì)算過(guò)程中工程實(shí)際情況與對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算步序?qū)φ毡怼?/p>

2.2 揭露巖溶區(qū)施工地層變形分析

針對(duì)區(qū)間隧道礦山法施工揭露巖溶過(guò)程，對(duì)工程中關(guān)鍵施工步進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果匯總后提取典型計(jì)算步，下地層變形如圖3所示。

由圖3（a）可知，隧道開(kāi)挖至巖溶空腔處時(shí)，由于地層土體的缺失，開(kāi)挖核心土周邊圍巖發(fā)生一定程度的變形，表現(xiàn)為拱頂沉降、拱底隆起。由于巖溶空腔發(fā)育于左線隧道左上側(cè)，拱頂沉降發(fā)生區(qū)域靠左，在紅黏土充填區(qū)有最大沉降。由表2中的簡(jiǎn)述，此計(jì)算步取用應(yīng)力釋放率30%，此時(shí)有最大拱頂沉降值10.8mm，最大拱底隆起值5.4mm。

由圖3（b）可知，在空腔內(nèi)填充物全部流失后，脫空區(qū)域上方發(fā)生大量沉降，其地層最大沉降值達(dá)到85.4mm。由于巖溶空腔的發(fā)育特點(diǎn)，脫空后的地層變形表現(xiàn)為從空腔正上方到右線隧道側(cè)沉降變形逐漸減小。

圖3（c）是空腔脫空后并進(jìn)行填石塊、注漿等充填處理后地層的變形云圖，此時(shí)，計(jì)算應(yīng)力釋放率為70%?；靥钐幚砗?，隨著圍巖應(yīng)力的進(jìn)一步釋放，洞周?chē)鷰r繼續(xù)變形。此階段，洞周沉降發(fā)生區(qū)域主要集中于左線隧道右上側(cè)拱肩處，最大沉降值為4.2mm，拱底中心處有最大隆起值7.8mm。

圖3（d）為初支施作后地層的變形云圖，此階段，取計(jì)算應(yīng)力釋放率100%。相較于上一計(jì)算步，其圍巖應(yīng)力進(jìn)一步釋放，左線隧道右上側(cè)拱肩處沉降區(qū)域最大沉降值達(dá)到5.2mm，拱底最大隆起達(dá)到9.9mm。

2.3 揭露巖溶區(qū)施工初支結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)表2中各典型計(jì)算步對(duì)礦山法隧道揭露巖溶施工過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，由于右線隧道與左線隧道開(kāi)挖里程相差較大，這里僅考慮左線隧道開(kāi)挖過(guò)程，且工程中二次襯砌施作較晚，計(jì)算時(shí)在初期支護(hù)施作時(shí)取圍巖應(yīng)力釋放率100%。為更好地分析評(píng)價(jià)其初支結(jié)構(gòu)受力情況與無(wú)溶腔時(shí)的差異，設(shè)置對(duì)比工況進(jìn)行分析研究，采用相同材料參數(shù)、相同開(kāi)挖步序進(jìn)行計(jì)算，圖4～圖6為有無(wú)巖溶空腔發(fā)育時(shí)其左線隧道初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布對(duì)比圖。

由圖4～圖6可知，巖溶空腔的存在以及針對(duì)巖溶空腔的一些處理措施對(duì)后期初期支護(hù)的受力有較大影響。從數(shù)值上來(lái)看，地層有巖溶空腔發(fā)育時(shí)，由于空腔的存在，在隧道開(kāi)挖前，地層應(yīng)力發(fā)生較大程度的釋放，致使隧道開(kāi)挖時(shí)洞周?chē)鷰r應(yīng)力釋放相較無(wú)溶洞時(shí)低，從而初支結(jié)構(gòu)各項(xiàng)內(nèi)力值相對(duì)無(wú)巖溶空腔時(shí)較小。從其彎矩分布來(lái)看，隧道左上方拱肩處所存巖溶經(jīng)過(guò)回填處理后對(duì)附近初支結(jié)構(gòu)受力影響較大，在揭露巖溶區(qū)段呈現(xiàn)出其外側(cè)受拉現(xiàn)象，揭露溶腔其附近兩側(cè)呈內(nèi)部受拉狀態(tài)且在充填材料與原巖層交界處發(fā)生正負(fù)彎矩的改變。從其軸力分布來(lái)看，隧道左上側(cè)巖溶空腔的存在致使其拱底附近出現(xiàn)軸向拉力。從其剪力分布來(lái)看，隧道左上側(cè)巖溶空腔發(fā)育時(shí)，巖溶空腔填充區(qū)與原地層交界處存在較大剪力。

2.4 揭露巖溶區(qū)施工地表沉降變形分析

為研究城市礦山法隧道施工在隧道洞周存有巖溶空腔時(shí)對(duì)地面環(huán)境的影響，將按照表2計(jì)算的模型結(jié)果提取最終地表沉降并與無(wú)巖溶空腔時(shí)最終地表沉降進(jìn)行對(duì)比，繪制圖7所示地面沉降曲線。

由圖7可知，地層中無(wú)巖溶空腔時(shí)，左線隧道貫通后地表沉降呈U型曲線，隧道正上方地表有最大沉降值13.6mm，由中間向地表兩側(cè)其地表沉降值越來(lái)越小，沉降發(fā)生區(qū)域主要在左線隧道中心線兩側(cè)各20m處，20m以外區(qū)域沉降值微小。按照表2所示計(jì)算步序計(jì)算得到的地表最終沉降曲線表現(xiàn)為深V型，其原因在于巖溶空腔內(nèi)填充物的流失對(duì)地表沉降影響較大，巖溶空腔上方附近地表最終沉降達(dá)到87.9mm。由于有限元軟件是基于連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)分析，無(wú)法模擬出其地表塌陷區(qū)的形成，但其主要沉降區(qū)域與實(shí)際塌陷區(qū)仍有較高的吻合度，能在一定程度上說(shuō)明巖溶空腔內(nèi)充填物的流失對(duì)地表產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)論

（１）隧道掌子面開(kāi)挖至巖溶空腔處時(shí)，隧道洞周變形表現(xiàn)為拱底隆起、拱頂沉降，拱頂處的沉降區(qū)域靠近隧道拱頂偏左，最大沉降值位于巖溶空腔內(nèi)紅黏土填充區(qū)。

（２）巖溶空腔脫空回填后，隨著圍巖應(yīng)力進(jìn)一步釋放，隧道洞周變形進(jìn)一步發(fā)生，但填充區(qū)基本不再發(fā)生沉降變形。隧道左上側(cè)揭露巖溶并回填處理后，隧道初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力整體值減小，且其彎矩與剪力在填充區(qū)與原地層交界處有較大變化。

（３）地層中無(wú)巖溶空腔時(shí)，左線隧道貫通后地表沉降呈U型曲線，隧道正上方地表有最大沉降值13.6mm。揭露巖溶過(guò)程時(shí)地表最終沉降曲線表現(xiàn)為深V型，巖溶空腔上方附近地表最終地表沉降達(dá)到87.9mm。巖溶空腔填充物的流失對(duì)地表影響較大，計(jì)算主要沉降區(qū)與工程實(shí)際地表塌陷區(qū)吻合度較高，說(shuō)明有限元建模分析對(duì)隧道開(kāi)挖及巖溶充填物的流失及回填具有較高的還原度。

參考文獻(xiàn)

1. 陳秀雯， 劉家奇， 張浩， 等. 西南地區(qū)巖溶富水隧道坍塌力學(xué)機(jī)理及處治措施[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2021， 21（36）： 15639?15645.
2. 張凱. 隱伏巖溶對(duì)隧道礦山法施工安全的影響研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2019.
3. 肖振偉. 喀斯特地貌地鐵礦山法隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D]. 北京工業(yè)大學(xué)， 2018.
4. 李波， 趙先進(jìn)， 周佳慶， 等. 西南巖溶區(qū)深埋隧洞水文地質(zhì)概念模型及突涌水研究[J]. 水利水電技術(shù)， 2018， 49（7）： 71?80.
5. 李新明， 張春龍， 桂磊. 喀斯特地貌巖溶發(fā)育區(qū)隧道施工安全技術(shù)研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2021， 17（S2）： 74?79.
6. 周曉松， 陳浩然， 王岑真， 等. 富水巖溶隧道下穿充填型溶腔技術(shù)措施及力學(xué)分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2022， 22（23）： 10262?10270.
7. 李海港， 車(chē)輪， 武艷勤. 隧道與前方大型溶洞應(yīng)力集中疊加效應(yīng)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2019， 19（18）： 282?289.
8. 張毅， 王琪. 考慮壓力溶腔影響的巖溶隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)， 2018， 29（4）： 208?212 217.
9. 徐海清， 陳亮， 周少東， 等. 城市地鐵巖溶穿越區(qū)塌陷機(jī)理及處治技術(shù)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2017， 17（8）： 282?287.