充水溶洞对地铁隧道结构的影响分析

高扬

中设设计集团股份有限公司 江苏 南京 210000

1 引言

深圳市龙岗片区碳酸盐类岩层分布十分广泛，岩溶问题较为突出，在此地质条件下修建地铁，应对充水溶洞进行特定勘查，掌握其分布位置、大小、充填物等特性，并分析其对地铁隧道的变形影响，然而目前我国对充水溶洞的勘察技术还不够完善，使得研究充水溶洞对隧道变形影响变得更为困难。因此，开展有关充水溶洞对地铁隧道结构的影响研究具有重要的实际意义。

2 工程概况

根据勘察报告，深圳市轨道交通14号线沿线约13 平方公里存在碳酸盐类裂隙溶洞，含水层岩组由下石炭统石磴子组、上石炭统壶天群灰岩组成，岩溶孔隙及裂隙发育极不均匀，导致该含水岩组富水性不均。隧道及充水溶洞所在断面处地层由上至下为1-1素填土、3-1淤泥、3-2淤泥质黏性土、3-6粉砂、3-7细砂、3-8中砂、3-9粗砂、3-10砾砂、3-12卵石、7-5粉质黏土、31-4微风化大理岩。其中31-4微风化大理岩为白、灰白色，变晶结构，块状构造，裂隙较发育。场地钻孔353个，117个钻孔揭露溶洞、土洞，见洞隙率为33.1%，线岩溶率2.7%，属极富水的含水岩组。

3 三维有限元数值模拟分析

根据相关文献与以往工程经验，当充水溶洞位于地铁隧道结构的底部时，充水溶洞对地铁隧道结构的影响最大，可通过Midas-GTS建模分析充水溶洞位于隧道底部时对地铁隧道结构的影响情况。

根据勘察报告与结构设计，隧道上覆土厚度为10m，隧道底部距离充水溶洞的距离为3m。建立的模型宽度为隧道底部埋深的2倍，模型深度为充水溶洞底部埋深的2倍，确定模型的大小为（长×宽×高）为10m×40m×46 m，对X、Y方向限定水平位移，对Z方向限定竖向位移，三维模型及网格划分见图1。

图2 水平位移云图

图3 竖向位移云图

图1 三维有限元模型网格图

模型只考虑充水溶洞对已运营地铁隧道结构的实际影响，不考虑施工阶段隧道变形情况，通过数值模拟得出分析结果如图所示。

从水平位移云图（图2）可以看出：隧道底部存在充水溶洞引起隧道水平位移的最大值为-2.13mm，方向为指向隧道内，最大位移位于隧道的右下部和左下部1m的位置。通过分析可知，隧道底部充水溶洞的存在对隧道水平位移的影响较小，实际工程研究中可不考虑水平位移影响。

从竖向位移云图（图3）可以看出：隧道底部存在充水溶洞引起隧道竖向位移的最大值为10.97mm，为沉降变形，最大沉降位移位于隧道正下方2m位置。可知，隧道底部充水溶洞的存在对隧道竖向位移影响较大，超过了隧道变形允许值10mm，需对其进行相应的加固措施，使隧道的沉降变形控制在允许的范围内。

4 充水溶洞的处理措施

建筑工程遇到岩溶地质，对充水溶洞的处理措施很多，对于盾构隧道工程，比较有效的方法为注浆法。

在进行注浆设计前，勘察单位需对存在充水溶洞的区域进行详细勘察，尽量调查出充水溶洞的空间特性，并进行现场注浆试验，得出合适的注浆深度与范围参数，并选择合适的注浆压力、注浆设备、注浆施工方法。注浆施工过程中应注意的事项为：

（1）在可注入的前提下尽量降低注浆压力和流量，降低孔隙水压力的突增量，有利于孔隙水压力的消散，同时有利于提高注浆效果。

（2）采用“多点少注”的方法，即加密布孔，减少每孔注浆量，避免应力过分集中，避免注浆引起隧道结构的变形与破坏。

5 结论

通过数值分析，可得出：隧道底部存在充水溶洞，对隧道水平位移的影响较小，可不考虑水平位移影响，但对隧道竖向位移的影响较大，超过了地铁隧道结构变形允许值10mm，需对隧道充水溶洞区进行相应的加固处理，使隧道沉降变形控制在允许的范围内。