底部既有不规则溶洞车站施工加固方案比选

俞钦钦，赵 俊，丁杭春，马国海，张兆伟

（杭州铁路设计院有限责任公司，浙江杭州310004）

近年来，随着我国城市地铁交通的迅速发展，大量地铁车站建立在不良地质上，其中一个显著的代表就是岩溶地质，在岩溶地区建立地铁车站风险很大。例如，围护结构成槽易塌孔，临时立柱桩基承载力不足，基坑开挖扰动土体后坑底土层向岩溶洞隙内漏砂等。因此需要对岩溶地层进行加固处理，从而降低风险。

李慎奎等［1］以武汉地铁岩溶专项勘察资料和地铁工程中岩溶处理案例为依据，采用综合统计方法分析了岩溶发育特征和规律，总结出地铁车站、区间隧道穿越岩溶区时的处理方法；欧孝夺等［2］在南宁地铁2号线工程施工过程中频遇岩溶难题，结合某盾构隧道区间的施工现场实际情况，提出了盾构隧道岩溶处置的原则和范围，分别从溶（土）洞处理和岩溶突水、突泥的应急处理两方面进行岩溶处治方案分析，并采用技术手段对处治效果进行检测及分析，确保了盾构施工顺利通过岩溶地段；徐海清等［3］根据研究区域地质资料，对于岩溶发育区段地层提出了加固处治方案；高墅［4］通过对修建在广州、武汉、徐州、长沙等几个典型岩溶地层的地铁工程盾构区间进行统计、分析，得出关于岩溶地层施工的共性和不同的处理措施；李清明等［5］在有岩溶发育现象的深圳地铁8号线采取注浆加固、施做套拱和超前大管棚等措施，确保了桩基施工质量和隧道施工安全。

数值模拟方法由于可以模拟复杂的基坑开挖过程，因此被广泛应用于基坑开挖分析。宋二祥等［6］归纳和分类了岩溶地区地面塌陷的必备条件、诱发因素和致塌机制，并使用有限元软件Plaxis2D建立了事故现场的概化模型，得到多种诱因、多种形成机制的综合叠加导致了最终的地面塌陷，水动力条件变化可能是主要因素；江杰等［7］运用有限元软件Midas-GTS模拟溶洞的不同位置、大小对深基坑开挖的影响，分析支护桩内力、位移及土体位移的变化规律，从而划分岩溶处理范围，提出岩溶处理原则，并成功将其运用到实际工程中，同时提出有效的岩溶处理方法；马鑫磊［8］利用有限元分析软件ANSYS对某岩溶区隧道的不同注浆加固方案进行模拟，为最终方案的选取、确定提供依据；黄祥国等［9］采用有限元软件ANSYS进行数值模拟在不同病害下桩基的变形与受力情况，得到溶洞在桩底时的影响最大，施工中应着重加强对溶洞的检测和填充，对于溶洞被桩体贯穿的情况，当溶洞直径达到极限值5 m时，需对其进行处理；冯海洲等［10］建立岩溶隧道与加固桩的三维模型，利用FLAC3D有限差分软件对桩基加固的左右无限边界岩溶隧道进行数值研究，分析加固前后岩溶隧道基底沉降变化规律。

本文以杭州某岩溶区地铁车站作为研究对象，采用数值模拟，分别比选了4种加固方案对车站结构及土体的影响，并由此得出最优溶洞加固方案。

1 工程概况

1.1 工程简介

杭州某岩溶区地铁车站站体全长275.6 m，地铁车站为地下二层岛式车站，标准段宽21.3 m，基坑深度16.81 m，总建筑面积14 613.2 m2；端头井深18.85 m，宽度25.4 m，车站覆土约3 m；设一道钢筋混凝土支撑、二至四道钢支撑。围护结构采用地下连续墙和钻孔灌注桩，标准段地下连续墙深度24.32 m，端头井段地下墙深度31.81 m（25.77 m）。图1为杭州市某车站基坑平面图，方框中为本文主要研究区域。

图1 车站基坑平面

1.2 工程地质

岩溶形成的四个基本条件：可溶性岩石、岩石的裂隙性、水的溶蚀能力、岩溶水的运动与循环，四个条件缺一不可。经勘测，该区域地层岩性石灰岩，为岩溶发育的典型区域。土层从上到下依次为：①1杂填土、②2粉质黏土、④1淤泥质黏土、⑤2粉质黏土、○161黏土混角砾、○351全风化灰岩、○353中风化灰岩。勘探深度范围内地下水类型主要可分为第四系松散岩类孔隙性潜水（以下简称潜水）、基岩裂隙水和岩溶水。潜水水位年变幅为1.0～2.0 m。

溶洞距离地面深度87 m，溶洞顶板距离车站底板最小2～10 m，溶洞底板距离车站底板70 m，底板埋置深度19 m（地面以下）；溶洞以充填为主，充填物为黏性土混碎砾石。YDK4＋132～YDK4＋189为岩溶中等发育区，YDK4＋189～YDK4＋277为岩溶强烈发育区，YDK4＋277～YDK4＋346为岩溶中等发育区。本文主要研究里程范围为YDK4＋189～YDK4＋277的岩溶强烈发育区。车站右线（东侧）岩溶揭示情况见图2。

2 数值模拟预测分析

选取本项目最不利区段，采用有限元分析软件PLAXIS 3D进行三维数值模拟计算。

2.1 计算模型的建立

计算模型采用小应变土体硬化本构模型，主体结构采用线弹性本构模型。其中，钻孔灌注桩、地连墙等围护结构采用板单元进行模拟，钻孔灌注桩换算板的厚度按抗弯刚度等效的原则确定，支撑、格构柱采用梁单元模拟，钢支撑采用点对点锚杆模拟。立柱桩采用Embedded桩单元模拟。底板、中板、顶板采用板单元模拟。超前钻孔灌注桩采用Embedded桩单元进行模拟。为简化计算，根据车站左右线及中线岩溶揭示纵断面图，溶洞尺寸为左右线及中线岩溶叠合尺寸，溶洞外围岩无力学参数与普通围岩相同，溶洞填充物为淤填土，力学参数按照地勘资料取值。

图2 车站右线（东侧）岩溶揭示纵断面

本文研究基坑长度110 m，标准段宽21.3 m，基坑深度为16.81～18.85 m，溶洞底板距离车站底板70 m。按照已有研究，基坑施工影响范围大约为2～3倍挖深。为解决边界效应，使得模型的计算更准确，模型的几何尺寸不能太小，为方便计算，模型单元数量也不能太多，设定土体模型沿X、Y、Z三个方向的尺寸分别为110 m×150 m×100 m，图3为强烈岩溶发育区域拟建车站三维模型图，图4为拟建溶洞与车站关系图。

图3 车站三维模型

2.2 边界条件与参数选取

模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定；模型两侧约束条件为水平方向固定，竖直方向自由；地表面自由。结构和土体单元采用正四面体单元生成网格，接触面采用GOODMAN单元进行模拟，网格划分粗糙度为0.5，总共生成94 711个单元。网格划分见图5。地层参数主要根据岩土勘察报告取用，部分参数通过地勘报告结合理论、软件说明中的公式进行推导并参考其他工程经验取得。模型计算参数见表1。

图4 溶洞与车站位置关系

图5 模型整体网格划分

表1 土体物理力学性质参数

2.3 不同加固方案数值模拟分析

针对病害及处治措施模拟5种方案：方案1为车站病害模拟；方案2为车站底部加固，溶洞不作处治；方案3为车站底部加固，溶洞的上半部分进行加固；方案4为车站底部不加固，整个溶洞进行加固；方案5为车站底部加固，整个溶洞进行加固。其中车站底部的加固方式采用“一柱一桩”处理，柱下增加钻孔，大溶洞顶板较薄处侧墙下局部加三根桩；溶洞的加固方式为双液浆注浆处理。

方案2至方案5在方案1的基础上进行模拟，并对模拟结果进行比较从而选取最优方案。方案1主要模拟车站病害，通过车站底板内力、变形以及车站底部土体应力的变形、应力进行分析。

3 开挖加固方案比选

3.1 车站底板内力与变形分析

3.1.1 底板竖向位移分析

不同岩溶处治技术方案下，取典型的底板竖向位移云图见图6，各方案底板竖向位移最值见图7。

观察底板竖向位移云图，分析各方案底板竖向位移最值趋势图可知，方案2～5底板竖向位移最大值明显小于方案1，其中方案5底板竖向位移最大值为5.01 mm，比方案1底板竖向位移最大值减小7.17 mm，约减小59%。方案3底板竖向位移最大值为5.34 mm，比方案2底板竖向位移最大值减小约30%，说明对车站底部大溶洞的上半部分采用双液注浆处理可有效减小底板竖向位移值。方案4底板竖向位移最大值为5.15 mm，比方案2底板竖向位移最大值减小约32%，说明相较于对车站底板施加超细孔桩这一加固措施，对车站底部整个大溶洞进行双液注浆加固这一措施更为有效；且方案4底板竖向位移最大值比方案3底板竖向位移最大值减小约3.6%，两者相差不大，考虑实际结果与经济效益，方案3更为合适。方案3～5底板竖向位移最大值变化不大，说明对溶洞施加一半双液注浆加固并对车站底板施加超细孔桩加固已足够控制底板竖向位移变化，无须对溶洞进行全处理加固。

图6 底板竖向位移云图

图7 各方案底板竖向位移最值

3.1.2 底板弯矩分析

不同岩溶处治技术方案下，各方案底板弯矩M22、M12最值趋势见图8、图9。弯矩M22表示绕局部第1坐标轴方向弯曲引起的弯矩；扭矩M12表示与横向剪力对应的弯矩。

图8 各方案底板弯矩M22最值

图9 各方案底板弯矩M 12最值

观察底板弯矩图及各方案底板弯矩M22、M12最值趋势图可知，各方案下底板扭矩M12的最值呈现一条平稳的曲线，无明显的陡升陡降，说明溶洞与车站底部是否加固对车站底板的扭矩M12影响不大。由图8可知，方案5底板弯矩 M22的最大值为807 kN·m／m，比方案1底板弯矩M22的最大值减小约31%，方案2～5底板弯矩M22的最大值变换较平缓，说明对溶洞进行注浆加固或者车站底部进行超细孔桩加固可有效降低底板弯矩M22值。

3.2 土体变形与内力分析

3.2.1 土体竖向位移分析

方案1 A－A剖面A、B、C剖面竖向位移等值线图见图10，同一方案下A、B、C三点竖向位移值趋势变化见图11。不同方案下，A、B、C三点竖向位移值趋势变化见图12（取值点A为底板底，取值点C为溶洞顶部，取值点B为A与C的中心点，下同。）。

图10 方案1 A－A剖面竖向位移等值线

图11 各点在不同方案下竖向位移变化

图12 不同方案下各点的竖向位移变化

由图11可知，方案1时，C点的竖向位移相较于A点减小约8.0%；方案2时，C点的竖向位移相较于A点减小约11.4%；方案3时，C点的竖向位移相较于A点减小19.9%；方案4时，C点的竖向位移相较于A点减小约32.9%；方案5时，C点的竖向位移相较于A点减小约26.9%。说明同一个方案下，随着深度的增加，土体竖向位移逐渐减小，各点均于方案5达到最小，其中方案4减小幅度最大，方案5其次，方案3第三。

由图12可知：

1）A、B、C三点的竖向位移在方案1时最大，在方案5的加固措施下，竖向位移均达到最小，且从方案1到方案5，三点的竖向位移依次减少，说明方案5的加固效果最好。其中，方案3时A点的竖向位移相较于方案2时A点的竖向位移减小约28.7%，方案3时B点的竖向位移相较于方案2时B点的竖向位移减小约32.1%，方案3时C点的竖向位移相较于方案2时C点的竖向位移减小约35.6%，说明对溶洞上半部分进行双液注浆加固可有效减小土体的竖向位移，且离加固区越近的土体，其竖向位移降幅越大。

2）方案4时A点的竖向位移相较于方案3时A点的竖向位移增加约1.9%，方案4时B、C点的竖向位移相较于方案3时B、C点的竖向位移依次减小约10.5%、14.6%，说明只对溶洞进行双液注浆加固，比较有利于靠近溶洞加固区的土体减小其竖向位移，但是会增加板底土体的竖向位移，从而影响结构底板的变形。

综上所述，不考虑经济因素，优先选择方案5；考虑经济因素及加固效果，优先选择加固方案3。

3.2.2 土体应力分析

A、B、C三点在不同方案下最大剪应力τmax变化见图13。不同方案下A、B、C三点的剪应力变化见图14。A、B、C三点在不同方案下总主应力σ1变化见图15。不同方案下A、B、C三点的总主应力 σ1变化见图16。

结合表3，分析图13至图16可知，A点在方案2、方案3、方案5的加固措施下，其剪应力最大值比方案1和方案4增大了约18%，其总主应力σ1比方案1和方案4增大了约20%，说明对车站底部采用“一柱一桩”处理，柱下增加钻孔的这种加固方案，会增大车站底部土体的总主应力σ1和剪应力τmax。

图13 各点在不同方案下剪应力变化

图14 不同方案下各点的剪应力变化

图15 各点在不同方案下主应力变化

B点在方案2至方案5的加固措施下，其剪应力比方案1减小了约8%～10%，其总主应力σ1比方案1减小了约8.8% ～14.9%，说明位于中部的土体的应力变化情况同时受两种加固方式的影响。

图16 不同方案下各点的主应力变化

不同加固方案下，A、B点主应力变化曲线较平缓，而C点在方案2时的主应力σ1相较于方案1时减小了约33.4%，C点在方案2时的剪应力τmax相较于方案1时减小了约8.4%，方案2到方案5变化不大，C点在方案1时总主应力σ1和剪应力τmax达到最大，两者均在方案2时达到最小，说明对溶洞是否进行注浆加固会极大地影响靠近溶洞区土体的应力。

3.3 方案比选小结

5种处治方案的优缺点见表2，相应的底板位移应力及底板弯矩值见表3。不同方案下土体及底板竖向位移值汇总表见表4。不同方案下底板及土体的应力数据汇总见表5。

表2 不同方案优缺点对比

表3 不同方案下底板竖向位移及弯矩值汇总

表4 不同方案下土体及底板竖向位移汇总

表5 不同方案下土体及底板应力汇总

综上所述，可得出以下结论：

1）加固方式的变化对车站底板竖向位移差的影响较大，对溶洞进行双液注浆加固比对车站底部进行“一柱一桩”加固更能有效地控制底板竖向位移差。对一半的溶洞进行双液注浆加固并对车站采用“一柱一桩”处理，柱下增加钻孔（即方案3）这一措施已能达到方案4和方案5的效果，考虑经济因素，优选方案3。

2）不同方案对车站底板的扭矩△M12影响不大；对溶洞进行双液注浆加固或对车站采用“一柱一桩”处理，柱下增加钻孔这两种加固方式均能有效降低车站底板与顶板的弯矩△M22，考虑到经济效益，优选方案3。

3）同一个方案下，随着深度的增加，土体竖向位移逐渐减小，各点均于方案5达到最小，其中方案4减小幅度最大，方案5其次，方案3第三。只对溶洞进行双液注浆加固，比较有利于靠近溶洞加固区的土体减小其竖向位移，但是会增加板底土体的竖向位移，从而影响结构底板的变形。不考虑经济因素，优先选择方案5；考虑经济因素及加固效果，优先选择加固方案3。

4）对车站底部采用“一柱一桩”处理，柱下增加钻孔的这种加固方案，会增大车站底部土体的总主应力σ1和剪应力τmax。位于中部的土体的应力变化情况同时受两种加固方式的影响。对溶洞是否进行注浆加固会极大地影响靠近溶洞区土体的应力。

4 结 语

溶洞上部采用双液浆注浆处理，车站采用“一柱一桩”处理，柱下增加钻孔，大溶洞顶板较薄处侧墙下局部加三根桩这一加固方案（加固方案3）最为经济有效，可以在保证车站施工安全的前提下，确保施工进度。