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轨道交通隧道围岩变形研究分析

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摘要:在西南山区建设城市轨道交通通常会遇见岩溶灾害问题,身处于喀斯特地质条件下的贵阳城市轨道交通岩溶灾害问题尤为突出。城市轨道交通隧道顶部的隐伏溶洞会给隧道施工和运营造成极大的威胁。本文依托贵阳城市轨道交通1号线为工程背景,利用数值分析软件flac3D研究顶部溶洞在不同尺寸和距离情况对城市轨道交通隧道围岩的顶部沉降位移、水平收敛及衬砌内力的影响。对以后类似区域隧道施工及设计有一定的借鉴意义。

关键词:顶部溶洞;围岩变形;衬砌内力;数值模拟

1引言

随着西南地区基础建设不断的发展,越来越多的城市开始修建城市轨道交通来满足人们的交通需求,但是如何处理和规避城市隧道开挖过程中所遭遇的岩溶灾害问题是难点。在岩溶发育地区隧道施工过程中,不可避免会遇到许多溶洞,这些溶洞一般分为露出型溶洞和隐伏溶洞[1]。露出型溶洞指在隧道开挖过程中溶洞已经侵入了开挖轮廓线以内,而隐伏溶洞则在施工过程中发现不了,它有可能在隧道的拱部、肩部、边墙部或者底部。在隧道开挖阶段,隐伏溶洞的不同位置、大小、充填物会严重影响隧道原有的应力平衡,当隧道支护不足时会发生严重的岩溶突水、突泥灾害,带给施工人员生命危险[2]。为了评价城市轨道交通隧道底部溶洞尺寸对隧道围岩的影响,依托贵阳城市轨道交通1号线背景,利用flac3D5.0软件计算隧道开挖时,不同顶部溶洞尺寸大小和溶洞距隧道距离对隧道围岩稳定性及衬砌的内力的影响,得到计算结果并进行分析。

2工程背景

2.1贵阳城市轨道交通1号线简介

1号线线路全长35.11km,起于观山湖区朱昌镇窦官村,经云岩区和南明区,止于经开区场坝村,线路由西向东,由北向南走向。其中地下线长30.07km,路基段长1.54km,高架线长3.5km,共设车站25座(20座地下站、2座地面站、3座高架站),其中换乘车站9座。

2.2贵阳轨道交通1号线溶洞情况

轨道交通1号线地质钻孔5878个,发现溶洞1196个(部分为串状溶洞),见洞率为20.3%。根据贵阳轨道交通1号线实施钻孔情况,对钻孔遇溶情况按溶洞洞径及不同埋深情况统计见表1。贵阳城市轨道交通线1号线岩溶情况见表2。贵阳城市轨道交通1号线工程施工过程中发现多处桩基底、结构底板下、区间隧道结构周围有隐伏溶洞的情况;而老城区岩溶强烈发育,施工中发现有岩溶破碎带、大型溶洞和溶腔、岩溶管道水和暗河等情况,如延安路站破碎带和岩溶管道水、雅蛮区间大型溶洞及暗河,施工难度和施工工程风险大。溶洞见图1,溶洞涌水见图2。

3底部溶洞对隧道围岩影响数值分析

3.1计算参数

贵阳城轨交通1号线的埋深范围从5m到200m不等,但在大部分中心城市地区埋深分布在5m~35m范围内,围岩等级主要为IV级和V级。本次模型实验取30m埋深。围岩等级定位IV级,具体参数如表3所示。

3.2模型建立

以贵阳轨道交通1号线为背景,基于flac3D5.0建立二维平面数值模拟模型(见图3)。隧道开挖断面为水平距离为6.5m,高度为7m的马蹄形断面。模型水平方向取8倍洞径,隧道拱顶距上部边界30m,隧道底部距离底部边界50m。围岩采用摩尔库伦本构模型,围岩的材料假定为各向同性。仅考虑开挖初期支护后隧道围岩稳定性变化,不考虑二次衬砌影响。

3.3不同工况建立

本实验共模拟溶洞直径大小为2,4,6,8米四种情况下在溶洞距隧道1,3,5,7米时对隧道围岩位移场及初支衬砌内力的影响。

3.3.1位移场影响研究顶部溶洞情况下隧道开挖后的竖直位移云图和水平位移云图如图4、图5所示:各工况下顶部溶洞对隧洞拱顶沉降位移以及水平最大位移的分析结果如图6、图7所示。(规定竖向坐标为有溶洞时位移与无溶洞时的位移比值)从图6可以看到,拱顶沉降的位移随着溶洞的大小和距离的变化而变化。当溶洞大于4m时,拱顶位移比无溶洞时减小,特别是溶洞大于隧道洞径时,减小的幅度比较大,最大减小幅度达到了40%左右。随着溶洞与隧道的距离增大,减小幅度逐渐减小,说明溶洞距离隧道越远,对隧道围岩的位移影响越小。当溶洞比较小时,溶洞对隧道拱顶位移是增大的,最大增幅达到20%。从图7可以看到,有溶洞时拱腰的水平收敛基本呈大于无溶洞水平收敛情况,当溶洞洞径为8m距离隧道1m时水平收敛最大,增幅达到70%左右。随着溶洞离隧道距离越远,溶洞对隧道水平收敛影响基本呈减小趋势。

3.3.2初期支护轴力研究在没有溶洞的时候,喷射混凝土的最大轴力均匀分布在拱腰上,顶部出现溶洞后,喷射混凝土的最大轴力出现在拱顶处,比无溶洞时大。拱腰及拱底的轴力相对无溶洞时减小。无溶洞和顶部溶洞时的初期支护轴力分别见图8,图9。从图10可以看到,有顶部溶洞存在时初期支护轴力的最大值明显比无溶洞时要大,最大增幅达到了两倍以上,出现在支护的顶部。随着溶洞距隧道的距离增加,溶洞对支护轴力的影响也随之减小。

4结论

本文在贵阳轨道交通1号线背景下,利用flac3d5.0软件模拟了洞径大小为2,4,6,8米的顶部溶洞在距离隧道1,3,5,7米工况下,隧道围岩的位移及初期支护轴力的变化情况。得出以下结论:(1)当隧道顶部出现溶洞时,会对围岩的拱顶沉降和水平收敛位移产生影响,水平收敛基本呈增加趋势;当洞径大于4m时,拱顶位移会减小,洞径小于等于4m时,拱顶位移相比无溶洞时略微增加。(2)隧道顶部溶洞会增加初期支护的轴力,且改变最大轴力的位置。溶洞洞径越大,离隧道越近,轴力越大。当顶部出现溶洞时,需对初期支护进行加强。(3)当顶部溶洞离隧道越近时对隧道围岩变形和衬砌内力影响越大,越远则影响越小。

参考文献:

[1]赵世科.溶洞对隧道施工的影响研究[D]西南交通大学,2012.

[2]宋战平.隐伏溶洞对隧道围岩——支护结构稳定性的影响研究[D]西安理工大学,2006.

作者:张玉石 刘远明 单位:贵州大学

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