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顶部溶洞对新修地铁隧道的稳定性分析及施工处理技术研究

文档作者：赵宏国文档来源：山西省第五建筑工程公司		点击数：	更新时间： 2025年05月10日
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上一篇：富水粉细砂地层地铁隧道动态化注浆施工技术

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88施工技术CONSTRUCTION TECHNOLOGY2012年8月上第41卷第370期顶部溶洞对新修地铁隧道的稳定性分析及施工处理技术研究赵宏国(山西省第五建筑工程公司，山西太原030013)[摘要]随着城市地铁建设规模不断加大，研究岩溶区溶洞对地铁隧道稳定性的影响显得十分重要。采用三维有限差分软件FLAC3D进行流固耦合分析，对在既有地铁隧道的情况下，顶部溶洞大小的变化对新修地铁隧道的影响进行了探讨，得出新修地铁隧道结构呈现不均匀受力，且在一定范围内地表沉降值、其结构的变形及受力、溶洞变形等与溶洞大小呈弱线性关系等结论；并探讨了穿越岩溶区的施工处理技术。[关键词】隧道；溶洞；稳定性；流固耦合；施工技术[中图分类号]TU941 [文献标识码】A [文章编号]1002—8498(2012)15-0088-04Research on the Influence of Caves on the Stability of NewSubway Tunnels and Construction TechnologyZhao Hongguo(Shanxi the Fifth Building Engineering Company，Taiyuan，Shanxi 03001 3，China)Abstract：With the constantly increasing scale of subway construction，it is exigent to research theinfluences of caves on the stability of subway tunnel in karst areas．In this paper，with the assumptionthat the subway tunnels were lately buih，the influences of changing cave sizes above the tunnel werestudied by three··dimensional coupled fluid·-mechanical analysis using finite differential software FLAC3 D．The study results show that the newly built subway tunnel is subjected to non-uniformly distributedforces．And the structural deformation，structural loading，surface subsidence and cave deformation arein weak linear correlation with the cave size in a certain range．Construction technology for subwaytunnels passing karst areas is studied as well．Key words：tunnels；caves；mechanical stability；coupled fluid—mechanical analysis；construction兴建地铁工程，开发和利用城市地下空间，是解决当前我国中心城市地面公共交通负荷过重，环境和资源压力过分紧张局面的有效途径。在地铁隧道穿越具有岩溶分布的地下空间时，岩溶区溶洞对地铁隧道稳定性的影响需要引起高度重视。大量通过岩溶区的地铁、公路、铁路等的修建也使得岩溶处理越来越重要。为此，近年来国内外学者对岩溶的处治开展了大量的研究，赵明阶等通过模型试验来分析不同尺寸、不同位置的溶洞对山顶隧道围岩稳定性的影响¨。2。；雷金山等以广州地铁桂城一南桂路区间地铁开挖为背景分析了土洞的大小、位置、与隧道间[收稿日期]2012-04-26[作者简介】赵宏国，副总经理，高级工程师，E-mail：365078280@qq．conl的距离以及土洞的形状等因素对地铁盾构施工过程围岩稳定性以及地表沉降量等的影响¨。；曹武安采用RFPA软件对隧道的稳定性进行了数值分析，得出隧道两帮和底溶洞是最容易发生破坏的部位H1。但对城市地铁隧道的岩溶研究而言，还没有系统就其在水位线下和既有隧道影响下的新修地铁隧道的流固耦合分析。某市新建轨道交通线穿过石灰岩分布区域，沿线地下水丰富，岩溶洞穴十分发育，其岩溶规模之大在我国城市轨道交通建设史上尚属首次，在国外也极为罕见∞。。本文针对该工程建设实际，采用流固耦合方法建构数值计算模型，研究了在既有地铁隧道的影响下，在保持净距(新修隧道与溶洞所夹岩层最小厚度)2m不变而溶洞大小变化的4种工况下，顶部溶洞大小变化对新修地铁隧道稳定性的影响；并研究万方数据赵宏国：顶部溶洞对新修地铁隧道的稳定性分析及施工处理技术研究 89了穿越岩溶区的施工处理技术，为今后同类工程建设提供技术参考。1 工程概况某市新建轨道交通线，左线长2 204．7m，右线长2 235．4m。该轨道线某区间是灰岩广泛分布的区域，地势较低，岩面覆盖大面积较厚的砂层(粉细砂、中粗砂和砾砂)，地下水丰富，岩溶很发育。经勘查，溶洞高度一般<5m，溶洞充填情况主要以少量充填物或无充填为主，岩溶水水位埋深为0．55一1．30rn，且受临近地铁隧道的影响。岩溶对地铁隧道施工的影响很大，可能会出现严重的地表沉降和建筑物破坏，是本区间最主要的不良地质作用。2 FLAC流固耦合计算机理采用FLAC3D模拟岩体的流固耦合机理时，其控制微分方程¨1如下。2．1流动法则液体的流动规律通过Darcy定律来描述。对于均匀的、各向同性并且有恒定密度的流体而言，该定律可表达如下：qi=一kⅡ||c(s)【P—Pfzigj]，l (1)式中：g。为渗流矢量(量纲：L／T)；P是孔隙水压力；矗是孑L隙介质的固有渗透系数张量(FLAC3D中的渗透性张量)；南(s)是相对渗透系数，彪(s)=s2(3—2s)；P，是流体密度；g。(i=1，2，3)是重力加速度矢量的3个分量。2．2平衡法则对于小变形而言，流体平衡可以表述如下：一gf．j+q。=警 (2)U■式中：g。为体积流源强度(1／s)；f为孔隙介质单位体积的流体体积变化。2．3本构方程体积应变的改变引起流体孔隙水压力的变化，反过来，孔隙水压力的变化也会导致体积应变的发生。孔隙介质本构方程的增量形式为：Atr“+aAp8u=日“(盯u，△手d) (4)式中：t3ri为应力增量率；△p为孔隙水压力增量；6口为Kroneeher因子；H；，为给定函数；△毛为总应变增量。2．4相容方程应变速率与速度梯度之间的相互关系为：1 岛=÷[u㈣+叶，；] (5)式中：吼是介质中节点的速度。3数值模拟3．1计算模型为分析在既有地铁隧道作用下，顶部溶洞大小对新修地铁隧道的影响，且为保证计算结果的可靠性，计算模型的边界范围按如下要求选取：水平方向左右边界距离取55m，新修地铁隧道中心距左侧边界21m，距右侧边界34m，距既有地铁隧道中心13m；垂直方向自新修隧道中心向下15m，向上距地表21m；沿隧道纵向取25m。左右边界约束水平位移，下边界约束竖直位移，上边界为应力边界。为研究顶部溶洞大小对新修地铁隧道稳定性的影响，溶洞大小由溶洞直径表示，并假设溶洞是4m长的圆柱体和岩溶水水位位于地表面。数值分析建模如下：在固定顶部溶洞与新修地铁隧道净距为2m的情况下，溶洞直径分别取1，2，3，4m。其中，净距和溶洞直径都是2m的计算模型布置图、三维立体模型分别如图1，2所示。这里，针对岩溶水对新修地铁隧道结构稳定性的影响，采用FLAC3D程序，基于流固耦合方法对模型进行分析。／图1计算模型布置(单位：m)Fig．1 Arrangement of calculation model(unit：m)图2三维立体模型Fig．2 3·D model3．2计算参数该地铁隧道处于围岩发育地段，为五级围岩，数值计算中围岩物理力学性质指标和支护参数由工程地质勘察报告和设计图纸提供，并对照地铁设计规范提供的各级围岩物理力学指标标准值和支护参数标准值¨1，给出了围岩和支护物理力学参万方数据施工技术 第41卷数，如表l所示。衰1 围岩和支护物理力学参数Table 1Physical and mechanical parameters ofsurrounding rock and support4计算结果分析4．1典型工况分析选取4种工况中净距和溶洞直径都为2m的典型计算工况做分析，得出其孔隙水压力矢量图(见图3)、新修地铁隧道支护结构轴力图、弯矩图和安全系数图，如图4所示。ff……}，t}”，、：，‘：。一’麟-：：怒嚣：；：嚣噶图3子L隙水压力矢量图Fig．3 Vector diagram of pore water pressure由图3可以看出，隧道开挖后，地下水在水头压力作用下开始向隧道内渗透，新修地铁隧道渗水多发部位处于隧道的左拱腰和拱底。当附近没有补给水源的时候，隧道渗漏水现象会逐渐减弱直至消失，但是当水源补给充足时，可能出现涌水突泥现象，需注意新修地铁隧道左拱腰和拱底的防排水。由图4可以看出，新修地铁隧道结构左边的受力大于右边受力，且其支护结构最大弯矩发生在地铁隧道拱底，其最大轴力与最小安全系数均出现在左拱腰，这是受既有地铁隧道影响使新修地铁隧道不均匀受力造成的。既有地铁隧道和顶部溶洞会对隧道支护结构的稳定性产生不良影响。4．2顶部溶洞大小对新修地铁隧道结构稳定性的影响就在净距2m不变而顶部溶洞的大小不同情况下的4种工况进行分析，提取4种工况下最大地表沉降、新修地铁隧道支护结构的最大受力与位移、溶洞变形等，各参数的变化值如表2所示。表2顶部溶洞大小不同下的各参数变化值Table 2 Parameter change values under differentdimension of the upper cove最大地表沉降、新修地铁隧道支护结构的最大受力与位移、溶洞变形等随着顶部溶洞大小不同的变化如图5所示。计算结果表明，地表沉降值、支护结构的变形与受力、溶洞变形等都与顶部溶洞大小呈弱线性关系。当溶洞直径从1m增加到4m时，轴力、弯矩、拱顶沉降绝对值等反而减小，其减少量分别为9．99％，7．03％，24．7％；然而，地表沉降绝对值从3．15ram增加到3．61mm，增加了14．6％，溶洞拱顶沉降和溶洞洞周收敛大幅增加，分别增加到4．85，15．31mm。可得出在净距不变和溶洞逐渐变大的情况下，地表沉降、溶洞拱顶沉降和溶洞洞周收敛等的绝对值逐渐增大，而其他参数的绝对值都逐渐减少。一方面，由于顶部溶洞的存在，溶洞不仅分担上部围岩荷载和对地表产生影响，且使靠近溶洞又位于新修地铁隧道周边的应力得到一定释放，溶洞越大应力释放的也越多，以致新修地铁隧道支护结构的受力和变形减少，而地表沉降绝对值增加；另一方面，溶洞本身没有支护，且地铁隧道的掘进对溶洞产生影响，为此溶洞变形随着溶洞变大而变a弯矩 b轴力图4隧道支护结构计算结果Fig．4 Calculation results of tunnel support structurec安全系敷万方数据赵宏国：顶部溶洞对新修地铁隧道的稳定性分析及施工处理技术研究 91言7堇7索7静6蒸e．＼＼ ＼、gO．7童0．8螯-o，肾一1．0轼一1．10妄罢斑嚣罄轼嗓辫溶洞大d',／ma结构弯矩／／／／．5 1．5 2 5 3．5 4．5溶洞大zJ',fmc拱顶沉降溶洞大d"／me溶洞拱顶沉降l 囊1 捉l黎1寝1姆l吕基避蟋群鼎宣g辐娶匿曝熙矮溶洞大d',／mf溶洞洞周收敛图5不同参数随顶部溶洞大小变化示意Fig．5 Change of different parameterwith cave dimension大。所以，当顶部溶洞逐渐变大时，地表沉降绝对值和溶洞的变形增加，尤其是溶洞变形大幅变化，且地铁隧道掘进易对顶部溶洞和围岩进行大的扰动，而五级围岩物理力学性能较差，由此溶洞易坍塌致隧道支护结构承受大的荷载和产生大的地表沉降，或致地铁隧道出现塌方冒顶，这些后果对施工都是十分危险的，需在新修地铁隧道施工前对岩溶区进行处理。5新修地铁隧道穿越岩溶区的施工处理方法针对本论文研究的工程对象，由前述数值模拟分析结果可知其结构受力比较复杂且受溶洞影响较大。结合现场施工情况，为确保新修隧道结构的稳定性，满足永久结构受力与变形要求和降低施工期间涌水、突泥事件发生的几率，岩溶处理的好与坏是一个关键性的因素。岩溶区处理步骤是：岩溶分析，岩溶填充，岩溶检测。1)岩溶分析由于受既有地铁隧道和顶部溶洞的影响，在新修地铁隧道施工前，需提前对岩溶区进行处理。根据工程地质和水文地质资料，按照岩溶洞穴大小对溶洞分类，并进行勘测和对岩溶区洞穴放样。2)岩溶填充对岩溶区进行处理，当岩溶洞穴<1．5m时，直接采用纯水泥砂浆静压式灌浆；对于岩溶洞穴高度>1．5m，<3m时，且为无填充溶洞和半填充溶洞的，一般采用间歇式静压灌浆，浆液采用水泥砂浆，灌浆时间控制在20min内，灌浆间歇时间为5h，直到灌浆起压，并持续灌注20min后停止；对于洞径>3m的大型无填充溶洞，可考虑先投(5—10)mm碎石或粗砂，后采用注浆加固的方法，投碎石处理时在原钻孔附近可布置多个钻孑L，孔间距1m，梅花形布置，其中一孔作为填充孔，其他作为出气孔。3)岩溶检测岩溶处理完成后，对岩溶处理情况采用钻孔取芯为主、压水试验为辅的综合方法进行灌浆质量检查，且只需对溶洞>1．5m的进行检查，另外抽芯的位置选在溶洞顶的最高点处，且根据抽芯的质量情况来决定下一步是否需要进行进一步的压浆处理。按照上述确定的岩溶分析、岩溶填充和岩溶检测，在车站和区间隧道掘进之前对岩溶进行注浆处理，取得了满意的工程效果，使盾构顺利掘进。6 结语1)新修地铁隧道的渗水主要发生在左拱腰和拱底，应注意隧道结构的防排水。2)由于受既有地铁隧道和顶部溶洞的影响，新修地铁隧道支护结构受力不均匀，隧道结构左边的受力大于右边受力，会对隧道结构的稳定性产生不良影响。3)新修地铁隧道的地表沉降值、支护结构的变形和受力、溶洞的变形等都与顶部溶洞大小呈弱线性关系，随着溶洞逐渐变大，支护结构受力和变形是逐渐减小的，而地表沉降绝对值、溶洞变形等相应增加，尤其是溶洞变形大幅变化，易造成溶洞坍塌以致支护结构承受大的荷载或隧道塌方冒顶。4)穿越岩溶区的新建地铁隧道，其施工顺利的关键之一在于对岩溶区的施工技术处理上，上述施工处理方案在实际工程中取得了预期效果。参考文献：[1] 赵明阶．隧道顶部溶洞影响围岩稳定性得模型试验研究[J]．地下空间，2003，23(2)：45-49．[2]赵明阶．顶部溶洞对围岩稳定性影响的数值分析[J]．岩石力学，2003，24(3)：133—137．[3] 雷金山，苏锋，阳军生，等．土洞对地铁隧道开挖的影响性状研究[J]．铁道科学与工程学报，2008，5(2)：57-63．[4]曹武安．溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值分析[D]．哈尔滨：东北大学，2005+[5]易介民．岩溶地区地铁隧道稳定性的数值模拟分析[D]．广州：华南理工大学，2011．[6] Itasca Consulting Group Inc．FLAC3D：Fast lagrangian analysis ofcontinua in 3 dimensions(Version 2)[R]．Minnesota：ItascaConsulting Group Inc．，1993．[7] 北京城建设计研究总院．GB50157--2003地铁设计规范f S]．北京：中国计划出版社．2003

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