竖向隐伏溶洞作用下地铁隧道施工稳定性研究

廖继轩 蔡煊 杨罗萍 肖金梅 侯宇婷 宋晓波

[摘  要]：在地铁隧道经过溶洞地层时，溶洞会增大施工难度，甚至会影响后期运营安全。文章为探究竖向溶洞对地铁隧道施工的影响，尤其是上、下双溶洞等不常见工况，采用数值模拟的方法展开研究。结果表明：（1）溶洞显著影响施工时的围岩应力分布，竖向应力最大值集中在溶洞或者隧道的两侧位置，而水平应力最大值则集中在其顶部和底部。（2）隧顶溶洞使拱顶處轴力显著增大;隧底溶洞导致仰拱处出现负弯矩，并且侧墙下部弯矩显著增大，在该工况下施工隧道应注意侧墙的受力情况。（3）溶洞上大下小作用下的初支内力最大，因此在遭遇上、下溶洞时可用上大下小的受力模式以作保守设计。（4）相较于无溶洞情况，溶洞会减小隧道初支的变形，且整体数值较小。

[关键词]：竖向溶洞; 地铁隧道; 数值模拟; 施工影响

U455.49A

隧道施工过程中经常会遇到岩溶这类地质问题，在西部地区岩溶发育更为显著。在发育的岩溶地区施工往往会遭遇突水突泥，甚者会遭遇围岩失稳坍塌，不仅会显著影响施工进度并且会危及工人生命安全。为应对这一问题，国内外学者开展了一系列研究，涉及超前探测、围岩稳定性分析和施工方法优化等方面。谭代明[1]、莫阳春等[2]通过数值模拟的手段对侧部溶洞对隧道围岩稳定性的影响进行了探究，并分析了不同距离与不同大小的溶洞在隧道侧部分布情况下对围岩变形的影响，结果表明数值模拟的结果与现场实测数据比较吻合。此外，赵明阶等[3]通过数值模拟和模型试验对溶洞大小、溶洞与隧道距离等参数对隧道围岩的稳定性进行研究，结果表明顶部溶洞对围岩稳定性影响较大。宋建禹[4]基于隐伏溶洞对隧道结构稳定性的影响特征，认为施工的关键在于确定溶洞与隧道间安全临界厚度。赖永标等[5-6]基于突变理论对隧道与溶洞之间的围岩稳定性进行了评价，并基于该处围岩系统总势能的研究，提出了失稳突变模型。

虽然众多学者就溶洞对隧道施工影响进行了多项研究，取得了显著的成就，但是前述研究主要是针对单个溶洞对隧道围岩稳定性的影响，较少涉及到隧道穿越多个溶洞的情况，尤其是上下溶洞大小不一致的情况。因此，本文将采用数值模拟的方法探究竖向隐伏溶洞对隧道施工稳定性的影响，并提出穿越竖向溶洞时的安全受力模式。

1 工程概况

本文研究的对象是西南地区某单洞地铁隧道，其断面形状是典型的马蹄形（图1）。该隧道轮廓为4心圆构成，其断面面积是38.76 m2，净高为7.31 m，净宽为6.52 m。该隧道穿越的地层主要为IV级围岩。

2 数值模拟简介

2.1 计算范围和边界条件

本文中数值模型水平长度80 m，竖向高度90 m，纵向长度为 1 m。在模拟地层中，隧道埋深约为37 m，隧道底部距下边界约为45 m，满足大于3到5倍洞径的要求，避免了边界条件的影响。

本文隧道轮廓与溶洞相对位置（上、下溶洞大小一致）如图2所示，其数值模型的网格均为较规则的四面体网格，模拟精度较高。本文数值模型的边界条件为：上边界为自由边界，两侧边界施加X方向约束，下边界施加Y方向约束。

依据规范[7]和相关参考文献[8]，本文将采用适当提高隧道上部围岩的c和φ来等效代替初支中锚杆和工字钢的支护作用。本文数值模拟的参数如表1所示。

2.2 工况设置及模拟假设

在岩溶发育地带，隧道往往会遭遇多种岩溶地质情况。为探究有无溶洞、溶洞数量、溶洞尺寸等参数对隧道施工的影响，本文拟设计多种工况（表2），具体包括：无溶洞、隧顶溶0.2洞（直径4 m，间距3 m）、隧底溶洞（直径4 m，间距3 m）、隧顶+隧底溶洞。本文在模拟过程中采用全断面施工，为较真实地模拟隧道施工时的应力变化，考虑开挖之后围岩的荷载释放率为60%，在施工初期支护之后释放剩下的40%[9]。

此外，为了方便计算和提高计算效率，在数值模拟过程中需要对数值模型进行合理的假设。为此，本文拟作以下假设：①岩体为理想弹塑性介质（采用D-P模型）;②不考虑岩体变形的时间效应和地下水的影响;③岩体为各向同性均匀介质;④隧道及围岩是平面应变问题;⑤初始地应力只考虑自重应力，不考虑构造应力。

3 结果分析

3.1 地层位移

隧址地层在隧道施工之前已经完成沉降，但是隧道施工过程会导致周边地层出现新的位移。本文通过数值模拟得到部分工况的地层位移如图3、图4所示。从图3、图4可以看出，除溶洞和隧道附近区域外，围岩竖向位移呈层状分布，从上而下逐渐减小。此外，无论施工前后，围岩的水平位移呈对称分布，其最大值均出现在溶洞和隧道的两侧壁凌空面。

通过统计分析得到隧道施工前后的地层位移如表3所示。从表3可以得到，隧道施工前地层在自重作用下完成了沉降，各个工况的最大沉降量均为29～30 mm左右，表明溶洞的存在与否对最初沉降量大小的影响不明显。隧道施工过程中，地层受到扰动而产生新的变形。其中，地层竖向沉降变化不显著（均在1%以内）;而地层水平变形比较明显，最显著的是无溶洞的地层（增长率为262.50%），上小下大工况最小（增长率为70.30%）。

虽然隧道施工导致的围岩变形量数值较小，但是对于隧道拱顶和拱脚2个部位应当加强监测，防止变形过大影响衬砌结构安全。

3.2 地层应力

隧址地层在隧道施工之前已经基本完成应力分布，但是隧道施工过程会导致隧道周边的地层应力重分布。本文通过数值模拟得到部分工况的地层应力如图5、图6所示。从图5、图6可以看出，在存在溶洞的工况中，无论隧道开挖与否，地层的应力分布均会出现应力集中现象。其中，竖向应力最大值集中在溶洞或者隧道的两侧位置，而水平应力最大值则集中在溶洞或者隧道的顶、底部位置，与前人[10]的研究成果一致。

通过统计分析得到隧道施工前后的地层应力如表4所示。从表4可以看出，溶洞的存在对于地层竖向应力存在较大的影响，尤其是多个溶洞作用时影响最显著，其中施工前后竖向应力变化最大的是上小下大的情况，而水平应力最大的是上大下小。

3.3 初支内力

在较好的围岩中，隧道二衬一般是作为安全储备，隧道初支将承担围岩的挤压。本文通过数值模拟得到部分工况的初支内力如图7～图10所示。从图7～图10可以看出，在隧道开挖并完成初支之后，隧道初支开始承担围岩压力，其负弯矩最大值出现在拱脚部位，正弯矩最大值出现在仰拱部位。各个工况的初支轴力均为负值，说明隧道初支受到压力，与实际情况相符。就初支剪力而言，各个工况剪力最大值均出现在拱脚附近，并正负对应。

通过统计分析得到隧道施工前后的初支内力如图11所示。从图11可以看出，是否有溶洞、溶洞的尺寸以及溶洞位置对隧道初支的内力有显著影响。其中，无溶洞作用下隧道初支的内力最大，隧道顶部溶洞作用下初支内力次之，而隧道底部溶洞作用下初支内力最小。

结合图7～图11可以看出，虽然溶洞的存在将会降低隧道初支的内力的最大值，但局部位置内力的变化并不完全一致。其中，隧顶溶洞的存在使拱顶处轴力显著增大，与既有成果一致[11];隧底溶洞的存在导致仰拱处出现负弯矩，并且侧墙下部弯矩显著增大，在该工况下施工隧道应注意侧墙受力情况。

此外，在上下均存在溶洞的情况下，除初支轴力外，溶洞上大下小的情况下的初支内力最大，上小下大次之，上下均匀最小。因此，在隧道遭遇上下隧道时，可以采用上大下小的受力模式来设计支护，使初支更加安全。

3.4 初支变形

隧道初支一般是一种柔性支护，其主要作用是帮助围岩充分发挥其自承能力，即是在允许隧道边界的围岩发生一定的变形，使围岩压力得到一定程度的释放，从而使围岩和初支达到一种稳定状态。为此，本文对隧道初支的竖向变形进行了监测，其部分结果如图12所示。由图12可以看出，隧道初支变形呈现拱顶向下沉降和仰拱向上隆起的状态，与既有研究[12]相符。

隧道在无溶洞、单溶洞和双溶洞作用下初支变形如图13所示。从图13可以看出，相较于无溶洞情况，本文工况中溶洞的存在会减小隧道初支的变形，与既有研究规律[13]一致。其中，隧道底部溶洞导致的初支变形最小，说明在该种情况下有利于控制隧道初支的变形。

4 结论

本文以某穿越多发性隐伏溶洞地铁隧道为例，采用有限元软件对其施工稳定性进行模拟研究，得到结论：

（1）相比无溶洞，溶洞显著影响了隧道施工时的围岩应力分布，其中，竖向应力最大值集中在溶洞或者隧道的两侧位置，而水平应力最大值则集中在溶洞或者隧道的顶、底部位置。

（2）溶洞会降低隧道初支的内力的最大值，但局部变化情况不一致。其中，隧顶溶洞使拱顶处轴力显著增大;隧底溶洞导致仰拱处出现负弯矩，并且侧墙下部弯矩显著增大，在该工况下施工隧道应注意侧墙的受力情况。

（3）上下溶洞同时存在时，不同的溶洞尺寸对隧道初支的内力影响较大。溶洞上大下小的情况下的初支内力最大，上下均匀最小。在隧道遭遇上下隧道时，可以采用上大下小的受力模式来设计。

（4）就隧道初支变形而言，相较于无溶洞情况，本文工况中溶洞的存在会减小隧道初支的变形，且整体数值较小。

参考文献

[1] 谭代明，漆泰岳，莫阳春.侧部岩溶隧道围岩稳定性数值分析与研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28（S2）：3497-3503.

[2] 莫阳春，周晓军.侧部岩溶隧道围岩变形特征数值模拟分析[J].水文地质工程地质，2008（2）：30-34+44.

[3] 赵明阶，敖建华，刘绪华，等.岩溶尺寸对隧道围岩稳定性影响的模型试验研究[J].岩石力学与工程學报，2004（2）：213-217.

[4] 宋建禹. 隐伏溶洞与山岭隧道间安全厚度预测及其稳定性研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

[5] 赖永标. 隐伏溶洞与隧道间安全距离及其智能预测模型研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[6] 赖永标， 王梦恕， 白晨光，等. 基于突变理论隐伏溶洞与隧道间安全距离研究[C]// 海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会. 2013.

[7] 铁路隧道设计规范： TB 10003-2016[S]北京：中国铁道出版社，2017.

[8] 陈洪凯，唐红梅，王蓉，等.锚固岩体参数的等效方法研究[J].应用数学和力学，2001（8）：862-868.

[9] 石坚，丁伟，赵宝.隧道开挖过程的数值模拟与分析[J].铁道建筑，2010（2）：21-24.

[10] 廖秀宇. 德寨隧道隐伏溶洞对围岩稳定性影响分析[D].成都：成都理工大学，2017.

[11] 张玉石. 溶洞对贵阳轨道交通工程隧道安全影响研究[D].贵州：贵州大学，2019.

[12] 赖金星，汪珂，邱军领.溶洞位置对隧道结构影响的数值模拟研究[J].公路，2015，60（8）：275-281.

[13] 赵世科. 溶洞对隧道施工的影响研究[D].成都：西南交通大学，2012.