广州地铁9号线隧道溶洞处理原则优化研究

许　凯

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州　510641)



广州地铁9号线隧道溶洞处理原则优化研究

许凯

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州510641)

依托广州9号线某典型区间案例，根据溶洞处理原则，借助有限元软件，探讨了存在不同溶洞的情况下，盾构施工对周边环境和溶洞塑性区的影响，并提出明确的量化指标洞距比和洞隧比作为溶洞处理的评价标准，给出了溶洞处理原则的优化建议。

岩溶地区，盾构隧道，有限元，地表沉降

0　引言

广州地铁9号线部分区间岩溶、土洞发育，对地铁施工以及后期运营阶段都存在较大的风险，溶(土)洞的处理对隧道的施工和运营非常关键。

目前针对溶(土)洞对隧道影响的探讨众多。雷金山[1]以广州典型工程为背景，通过三维有限元软件模拟地铁隧道施工对岩溶地区的影响，分析了溶洞的大小、位置、与隧道的间距及溶洞形状等对岩溶地基稳定性的影响。郭捷等[2]以实际工程为背景，利用有限差分软件FLAC-3D对隧道间岩体中含有溶洞情况下隧道围岩稳定性进行数值模拟研究，得出隧道围岩向溶洞及隧道侧变形，且随溶洞直径呈线性变化。苏伟[3]通过MIDAS-GTS软件分析，得出不同溶洞类型下(位置、大小)，溶洞会对隧道在垂直方向和水平向的应力和位移产生影响。

本文依托广州9号线某典型区间案例，针对本案例采用的溶洞处理原则，借助有限元软件，探讨存在不同溶洞的情况下(溶洞的位置以及大小)，盾构施工对周边环境影响和溶洞塑性区的发展，并提出明确的量化指标洞距比和洞隧比作为溶洞处理的评价标准，对本案例的溶洞处理原则提出优化和建议。

1　工程概况

广州地铁9号线大范围的下伏基岩为石炭系石蹬子组灰岩，溶洞、土洞、溶沟、溶槽发育，地铁穿越溶洞、土洞和溶沟、溶槽发育地段前，应进行预先处理。

本文选取广州9号线某溶洞分布密集区间典型剖面，根据线路区间的岩土勘察报告，各岩土层的物理力学计算参数详见表1。

表1　土层物理力学参数

2　计算模型建立

本次分析采用有限元精细化模拟，分析隧道施工中存在不同溶洞情况下对地表沉降的影响，并根据GB 50497—2009建筑基坑工程监测技术规范[4]中对周边环境的控制值(见表2)，探讨隧道与溶洞近接关系，并给出溶洞处理评价标准。在本次计算分析中，作了如下假定：1)岩土层为弹塑性材料，符合摩尔库仑弹塑性屈服准则；2)岩土层、盾构管片是均质的各向同性材料；3)本次分析盾构管片采用刚度均一圆环，根据相关文献，对整体模型结果影响不大。

表2　地表竖向位移控制值　mm

本案例模型中，隧道埋深15 m，直径6 m，管片厚度0.3 m，盾壳厚度0.1 m，溶洞采用圆形模拟，案例中采用前述处理原则实施，分别对不同溶洞位置、大小进行分析，根据实际勘察经验，较大的溶洞通常会被勘察发现并进行施工前的处理，所以本次分析选取的溶洞尺寸在工程中相对较难发现，且对隧道造成一定影响。

3　数值计算结果分析

3.1溶洞位于隧道左/右侧分析

通过数值分析计算，探讨隧道侧方存在溶洞情况下，盾构施工对地表周边环境的影响。

根据分析内容，提出溶洞的径距比K1(简称洞距比)，洞隧的直径比K2(简称洞隧比)，如式(1)及式(2)所示：

(1)

(2)

其中，D1为溶洞直径，m；D2为隧道直径，m；L为溶洞与隧道的净距离，m。

溶洞位于隧道左/右侧分析，将不同洞距比与洞隧比地表竖向沉降列表汇总，并绘制洞距比与地表沉降关系图。

当溶洞在隧道侧方时，洞距比K1在0.3～4之间变化，地表沉降值在5 mm～7 mm之间变化，参照GB 50497—2009建筑基坑工程监测技术规范对于周边环境的控制值，沉降值都小于控制范围。

3.2溶洞位于隧道下侧分析

溶洞位于隧道正下侧分析，不同洞距比与洞隧比地表竖向沉降列表汇总。

当隧道下侧存在溶洞时，虽然地表沉降小于控制值，但是为了降低溶洞塑性区与隧道塑性区产生贯通的风险，应当对洞隧比K2≥0.5，或洞距比K1≥1.0的溶洞进行处理。

4　分析优化对比

通过以上分析可知，当溶洞位于隧道正下侧时，盾构施工对地表的影响最大，左/右下侧次之；当溶洞位于隧道左/右侧，盾构施工对地表的影响最小，因此应当对下侧溶洞予以重视。

原有的溶洞处理原则略保守，在溶洞处理中往往会把一些对盾构施工影响甚微的溶洞处理掉，从而造成了浪费，提高了施工成本。例如存在溶洞在隧道结构左/右侧3 m内，按原经验处理原则，隧道结构左右侧3 m溶洞一律处理，若洞径1 m，洞距2 m洞隧比K2<0.5，且洞距比K1<1.0，按优化后处理原则，该溶洞对隧道施工的影响不大，可以不作处理。由此可见通过对盾构施工期间溶洞的近接关系分析，可以对一些影响相对甚微的溶洞不作处理。这将有效的节约了施工的成本和工期。

5　结论与建议

本文通过数值分析，对广州地铁9号线典型案例的溶洞处理原则进行优化分析，建议处理原则为：1)当溶洞位于隧道顶板以上一律处理；2)当溶洞位于隧道左/右侧时，应对洞隧比K2≥0.5，或洞距比K1≥1.0的溶洞进行处理；3)当溶洞位于隧道正下方5 m范围内一律处理；4)当溶洞位于左/右下侧时，应对洞隧比K2≥0.5，或洞距比K1≥1.0的溶洞采取处理措施。

通过对隧道施工中溶洞的处理原则优化，有效的节省了施工的成本和工期，为岩溶地区盾构隧道施工溶洞处理提供了一定的指导。

[1]雷金山.广州地铁隐伏型岩溶地基稳定性分析及充填处理技术研究[D].长沙：中南大学,2014.

[2]郭捷，马凤山，赵海军.岩溶地区双隧道开挖围岩稳定性数值分析[J].隧道建设，2011(S1):165-169.

[3]苏伟.溶洞对地铁隧道结构力学特性及围岩压力影响的研究[D].长沙：中南大学,2009.

[4]GB 50497—2009，建筑基坑工程监测技术规范[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

许凯(1991- )，男，在读硕士

U452.11

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