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頂部溶洞對新修地鐵隧道的穩(wěn)定性分析及施工處理技術(shù)研究

文檔作者：趙宏國文檔來源：山西省第五建筑工程公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月10日
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上一篇：富水粉細(xì)砂地層地鐵隧道動態(tài)化注漿施工技術(shù)

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88施工技術(shù)CONSTRUCTION TECHNOLOGY2012年8月上第41卷第370期頂部溶洞對新修地鐵隧道的穩(wěn)定性分析及施工處理技術(shù)研究趙宏國(山西省第五建筑工程公司，山西太原030013)[摘要]隨著城市地鐵建設(shè)規(guī)模不斷加大，研究巖溶區(qū)溶洞對地鐵隧道穩(wěn)定性的影響顯得十分重要。采用三維有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行流固耦合分析，對在既有地鐵隧道的情況下，頂部溶洞大小的變化對新修地鐵隧道的影響進(jìn)行了探討，得出新修地鐵隧道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不均勻受力，且在一定范圍內(nèi)地表沉降值、其結(jié)構(gòu)的變形及受力、溶洞變形等與溶洞大小呈弱線性關(guān)系等結(jié)論；并探討了穿越巖溶區(qū)的施工處理技術(shù)。[關(guān)鍵詞】隧道；溶洞；穩(wěn)定性；流固耦合；施工技術(shù)[中圖分類號]TU941 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A [文章編號]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興建地鐵工程，開發(fā)和利用城市地下空間，是解決當(dāng)前我國中心城市地面公共交通負(fù)荷過重，環(huán)境和資源壓力過分緊張局面的有效途徑。在地鐵隧道穿越具有巖溶分布的地下空間時，巖溶區(qū)溶洞對地鐵隧道穩(wěn)定性的影響需要引起高度重視。大量通過巖溶區(qū)的地鐵、公路、鐵路等的修建也使得巖溶處理越來越重要。為此，近年來國內(nèi)外學(xué)者對巖溶的處治開展了大量的研究，趙明階等通過模型試驗來分析不同尺寸、不同位置的溶洞對山頂隧道圍巖穩(wěn)定性的影響¨。2。；雷金山等以廣州地鐵桂城一南桂路區(qū)間地鐵開挖為背景分析了土洞的大小、位置、與隧道間[收稿日期]2012-04-26[作者簡介】趙宏國，副總經(jīng)理，高級工程師，E-mail：365078280@qq．conl的距離以及土洞的形狀等因素對地鐵盾構(gòu)施工過程圍巖穩(wěn)定性以及地表沉降量等的影響¨。；曹武安采用RFPA軟件對隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，得出隧道兩幫和底溶洞是最容易發(fā)生破壞的部位H1。但對城市地鐵隧道的巖溶研究而言，還沒有系統(tǒng)就其在水位線下和既有隧道影響下的新修地鐵隧道的流固耦合分析。某市新建軌道交通線穿過石灰?guī)r分布區(qū)域，沿線地下水豐富，巖溶洞穴十分發(fā)育，其巖溶規(guī)模之大在我國城市軌道交通建設(shè)史上尚屬首次，在國外也極為罕見∞。。本文針對該工程建設(shè)實際，采用流固耦合方法建構(gòu)數(shù)值計算模型，研究了在既有地鐵隧道的影響下，在保持凈距(新修隧道與溶洞所夾巖層最小厚度)2m不變而溶洞大小變化的4種工況下，頂部溶洞大小變化對新修地鐵隧道穩(wěn)定性的影響；并研究萬方數(shù)據(jù)趙宏國：頂部溶洞對新修地鐵隧道的穩(wěn)定性分析及施工處理技術(shù)研究 89了穿越巖溶區(qū)的施工處理技術(shù)，為今后同類工程建設(shè)提供技術(shù)參考。1 工程概況某市新建軌道交通線，左線長2 204．7m，右線長2 235．4m。該軌道線某區(qū)間是灰?guī)r廣泛分布的區(qū)域，地勢較低，巖面覆蓋大面積較厚的砂層(粉細(xì)砂、中粗砂和礫砂)，地下水豐富，巖溶很發(fā)育。經(jīng)勘查，溶洞高度一般<5m，溶洞充填情況主要以少量充填物或無充填為主，巖溶水水位埋深為0．55一1．30rn，且受臨近地鐵隧道的影響。巖溶對地鐵隧道施工的影響很大，可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的地表沉降和建筑物破壞，是本區(qū)間最主要的不良地質(zhì)作用。2 FLAC流固耦合計算機理采用FLAC3D模擬巖體的流固耦合機理時，其控制微分方程¨1如下。2．1流動法則液體的流動規(guī)律通過Darcy定律來描述。對于均勻的、各向同性并且有恒定密度的流體而言，該定律可表達(dá)如下：qi=一kⅡ||c(s)【P—Pfzigj]，l (1)式中：g。為滲流矢量(量綱：L／T)；P是孔隙水壓力；矗是孑L隙介質(zhì)的固有滲透系數(shù)張量(FLAC3D中的滲透性張量)；南(s)是相對滲透系數(shù)，彪(s)=s2(3—2s)；P，是流體密度；g。(i=1，2，3)是重力加速度矢量的3個分量。2．2平衡法則對于小變形而言，流體平衡可以表述如下：一gf．j+q。=警 (2)U■式中：g。為體積流源強度(1／s)；f為孔隙介質(zhì)單位體積的流體體積變化。2．3本構(gòu)方程體積應(yīng)變的改變引起流體孔隙水壓力的變化，反過來，孔隙水壓力的變化也會導(dǎo)致體積應(yīng)變的發(fā)生?？紫督橘|(zhì)本構(gòu)方程的增量形式為：Atr“+aAp8u=日“(盯u，△手d) (4)式中：t3ri為應(yīng)力增量率；△p為孔隙水壓力增量；6口為Kroneeher因子；H；，為給定函數(shù)；△毛為總應(yīng)變增量。2．4相容方程應(yīng)變速率與速度梯度之間的相互關(guān)系為：1 島=÷[u㈣+葉，；] (5)式中：吼是介質(zhì)中節(jié)點的速度。3數(shù)值模擬3．1計算模型為分析在既有地鐵隧道作用下，頂部溶洞大小對新修地鐵隧道的影響，且為保證計算結(jié)果的可靠性，計算模型的邊界范圍按如下要求選取：水平方向左右邊界距離取55m，新修地鐵隧道中心距左側(cè)邊界21m，距右側(cè)邊界34m，距既有地鐵隧道中心13m；垂直方向自新修隧道中心向下15m，向上距地表21m；沿隧道縱向取25m。左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為應(yīng)力邊界。為研究頂部溶洞大小對新修地鐵隧道穩(wěn)定性的影響，溶洞大小由溶洞直徑表示，并假設(shè)溶洞是4m長的圓柱體和巖溶水水位位于地表面。數(shù)值分析建模如下：在固定頂部溶洞與新修地鐵隧道凈距為2m的情況下，溶洞直徑分別取1，2，3，4m。其中，凈距和溶洞直徑都是2m的計算模型布置圖、三維立體模型分別如圖1，2所示。這里，針對巖溶水對新修地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，采用FLAC3D程序，基于流固耦合方法對模型進(jìn)行分析。／圖1計算模型布置(單位：m)Fig．1 Arrangement of calculation model(unit：m)圖2三維立體模型Fig．2 3·D model3．2計算參數(shù)該地鐵隧道處于圍巖發(fā)育地段，為五級圍巖，數(shù)值計算中圍巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和支護(hù)參數(shù)由工程地質(zhì)勘察報告和設(shè)計圖紙?zhí)峁φ盏罔F設(shè)計規(guī)范提供的各級圍巖物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值和支護(hù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值¨1，給出了圍巖和支護(hù)物理力學(xué)參萬方數(shù)據(jù)施工技術(shù) 第41卷數(shù)，如表l所示。衰1 圍巖和支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)Table 1Physical and mechanical parameters ofsurrounding rock and support4計算結(jié)果分析4．1典型工況分析選取4種工況中凈距和溶洞直徑都為2m的典型計算工況做分析，得出其孔隙水壓力矢量圖(見圖3)、新修地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力圖、彎矩圖和安全系數(shù)圖，如圖4所示。ff……}，t}”，、：，‘：。一’麟-：：怒囂：；：囂噶圖3子L隙水壓力矢量圖Fig．3 Vector diagram of pore water pressure由圖3可以看出，隧道開挖后，地下水在水頭壓力作用下開始向隧道內(nèi)滲透，新修地鐵隧道滲水多發(fā)部位處于隧道的左拱腰和拱底。當(dāng)附近沒有補給水源的時候，隧道滲漏水現(xiàn)象會逐漸減弱直至消失，但是當(dāng)水源補給充足時，可能出現(xiàn)涌水突泥現(xiàn)象，需注意新修地鐵隧道左拱腰和拱底的防排水。由圖4可以看出，新修地鐵隧道結(jié)構(gòu)左邊的受力大于右邊受力，且其支護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩發(fā)生在地鐵隧道拱底，其最大軸力與最小安全系數(shù)均出現(xiàn)在左拱腰，這是受既有地鐵隧道影響使新修地鐵隧道不均勻受力造成的。既有地鐵隧道和頂部溶洞會對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。4．2頂部溶洞大小對新修地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響就在凈距2m不變而頂部溶洞的大小不同情況下的4種工況進(jìn)行分析，提取4種工況下最大地表沉降、新修地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大受力與位移、溶洞變形等，各參數(shù)的變化值如表2所示。表2頂部溶洞大小不同下的各參數(shù)變化值Table 2 Parameter change values under differentdimension of the upper cove最大地表沉降、新修地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大受力與位移、溶洞變形等隨著頂部溶洞大小不同的變化如圖5所示。計算結(jié)果表明，地表沉降值、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與受力、溶洞變形等都與頂部溶洞大小呈弱線性關(guān)系。當(dāng)溶洞直徑從1m增加到4m時，軸力、彎矩、拱頂沉降絕對值等反而減小，其減少量分別為9．99％，7．03％，24．7％；然而，地表沉降絕對值從3．15ram增加到3．61mm，增加了14．6％，溶洞拱頂沉降和溶洞洞周收斂大幅增加，分別增加到4．85，15．31mm?？傻贸鲈趦艟嗖蛔兒腿芏粗饾u變大的情況下，地表沉降、溶洞拱頂沉降和溶洞洞周收斂等的絕對值逐漸增大，而其他參數(shù)的絕對值都逐漸減少。一方面，由于頂部溶洞的存在，溶洞不僅分擔(dān)上部圍巖荷載和對地表產(chǎn)生影響，且使靠近溶洞又位于新修地鐵隧道周邊的應(yīng)力得到一定釋放，溶洞越大應(yīng)力釋放的也越多，以致新修地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形減少，而地表沉降絕對值增加；另一方面，溶洞本身沒有支護(hù)，且地鐵隧道的掘進(jìn)對溶洞產(chǎn)生影響，為此溶洞變形隨著溶洞變大而變a彎矩 b軸力圖4隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果Fig．4 Calculation results of tunnel support structurec安全系敷萬方數(shù)據(jù)趙宏國：頂部溶洞對新修地鐵隧道的穩(wěn)定性分析及施工處理技術(shù)研究 91言7堇7索7靜6蒸e．＼＼ ＼、gO．7童0．8螯-o，腎一1．0軾一1．10妄罷斑囂罄軾嗓辮溶洞大d',／ma結(jié)構(gòu)彎矩／／／／．5 1．5 2 5 3．5 4．5溶洞大zJ',fmc拱頂沉降溶洞大d"／me溶洞拱頂沉降l 囊1 捉l黎1寢1姆l呂基避蟋群鼎宣g輻娶匿曝熙矮溶洞大d',／mf溶洞洞周收斂圖5不同參數(shù)隨頂部溶洞大小變化示意Fig．5 Change of different parameterwith cave dimension大。所以，當(dāng)頂部溶洞逐漸變大時，地表沉降絕對值和溶洞的變形增加，尤其是溶洞變形大幅變化，且地鐵隧道掘進(jìn)易對頂部溶洞和圍巖進(jìn)行大的擾動，而五級圍巖物理力學(xué)性能較差，由此溶洞易坍塌致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承受大的荷載和產(chǎn)生大的地表沉降，或致地鐵隧道出現(xiàn)塌方冒頂，這些后果對施工都是十分危險的，需在新修地鐵隧道施工前對巖溶區(qū)進(jìn)行處理。5新修地鐵隧道穿越巖溶區(qū)的施工處理方法針對本論文研究的工程對象，由前述數(shù)值模擬分析結(jié)果可知其結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜且受溶洞影響較大。結(jié)合現(xiàn)場施工情況，為確保新修隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，滿足永久結(jié)構(gòu)受力與變形要求和降低施工期間涌水、突泥事件發(fā)生的幾率，巖溶處理的好與壞是一個關(guān)鍵性的因素。巖溶區(qū)處理步驟是：巖溶分析，巖溶填充，巖溶檢測。1)巖溶分析由于受既有地鐵隧道和頂部溶洞的影響，在新修地鐵隧道施工前，需提前對巖溶區(qū)進(jìn)行處理。根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，按照巖溶洞穴大小對溶洞分類，并進(jìn)行勘測和對巖溶區(qū)洞穴放樣。2)巖溶填充對巖溶區(qū)進(jìn)行處理，當(dāng)巖溶洞穴<1．5m時，直接采用純水泥砂漿靜壓式灌漿；對于巖溶洞穴高度>1．5m，<3m時，且為無填充溶洞和半填充溶洞的，一般采用間歇式靜壓灌漿，漿液采用水泥砂漿，灌漿時間控制在20min內(nèi)，灌漿間歇時間為5h，直到灌漿起壓，并持續(xù)灌注20min后停止；對于洞徑>3m的大型無填充溶洞，可考慮先投(5—10)mm碎石或粗砂，后采用注漿加固的方法，投碎石處理時在原鉆孔附近可布置多個鉆孑L，孔間距1m，梅花形布置，其中一孔作為填充孔，其他作為出氣孔。3)巖溶檢測巖溶處理完成后，對巖溶處理情況采用鉆孔取芯為主、壓水試驗為輔的綜合方法進(jìn)行灌漿質(zhì)量檢查，且只需對溶洞>1．5m的進(jìn)行檢查，另外抽芯的位置選在溶洞頂?shù)淖罡唿c處，且根據(jù)抽芯的質(zhì)量情況來決定下一步是否需要進(jìn)行進(jìn)一步的壓漿處理。按照上述確定的巖溶分析、巖溶填充和巖溶檢測，在車站和區(qū)間隧道掘進(jìn)之前對巖溶進(jìn)行注漿處理，取得了滿意的工程效果，使盾構(gòu)順利掘進(jìn)。6 結(jié)語1)新修地鐵隧道的滲水主要發(fā)生在左拱腰和拱底，應(yīng)注意隧道結(jié)構(gòu)的防排水。2)由于受既有地鐵隧道和頂部溶洞的影響，新修地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均勻，隧道結(jié)構(gòu)左邊的受力大于右邊受力，會對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。3)新修地鐵隧道的地表沉降值、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力、溶洞的變形等都與頂部溶洞大小呈弱線性關(guān)系，隨著溶洞逐漸變大，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形是逐漸減小的，而地表沉降絕對值、溶洞變形等相應(yīng)增加，尤其是溶洞變形大幅變化，易造成溶洞坍塌以致支護(hù)結(jié)構(gòu)承受大的荷載或隧道塌方冒頂。4)穿越巖溶區(qū)的新建地鐵隧道，其施工順利的關(guān)鍵之一在于對巖溶區(qū)的施工技術(shù)處理上，上述施工處理方案在實際工程中取得了預(yù)期效果。參考文獻(xiàn)：[1] 趙明階．隧道頂部溶洞影響圍巖穩(wěn)定性得模型試驗研究[J]．地下空間，2003，23(2)：45-49．[2]趙明階．頂部溶洞對圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J]．巖石力學(xué)，2003，24(3)：133—137．[3] 雷金山，蘇鋒，陽軍生，等．土洞對地鐵隧道開挖的影響性狀研究[J]．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2008，5(2)：57-63．[4]曹武安．溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[D]．哈爾濱：東北大學(xué)，2005+[5]易介民．巖溶地區(qū)地鐵隧道穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析[D]．廣州：華南理工大學(xué)，2011．[6] Itasca Consulting Group Inc．FLAC3D：Fast lagrangian analysis ofcontinua in 3 dimensions(Version 2)[R]．Minnesota：ItascaConsulting Group Inc．，1993．[7] 北京城建設(shè)計研究總院．GB50157--2003地鐵設(shè)計規(guī)范f S]．北京：中國計劃出版社．2003

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