充填型溶洞对地铁隧道地基极限承载力影响研究

2017-05-24康镜

湖南交通科技 2017年1期

关键词：溶洞隧洞岩溶

康镜

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300000)

充填型溶洞对地铁隧道地基极限承载力影响研究

康镜

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300000)

针对某地铁隧道穿越岩溶区存在的地基稳定性问题，本文采用增量加载法在给定屈服准则下，给出了下伏溶洞不同顶板厚度、跨度、溶洞充填物、单个溶洞和串珠型溶洞分布下地基的极限承载力，探究了岩溶地基承载力规律及其破坏模式，对隧道地基加固提供参考。研究表明：随着顶板厚度的增加和跨度的减小，地基承载力增加；在破坏形式上，塑性区贯通形式包括同时从隧洞底部和溶洞顶部向中间发展在顶板中贯通和从隧洞底部开始向下发展在溶洞顶部贯通两种；溶洞的充填物对地基承载力的影响很小；对于串珠型溶洞下地基承载力受下伏第一个溶洞各项参数影响。

地铁隧道；岩溶；地基承载力; 稳定性

在广州、长沙以及大连等城市的地铁建设中，广泛分布的岩溶地质已成为工程建设中一个不可忽略的问题。由于溶洞的存在导致地基承载力减小，施工过程中易致使盾构机陷落的安全事故；针对这些问题，国内许多学者和工程技术人员开展了大量的研究工作，取得了诸多可供工程设计与施工借鉴的重要成果。赵明阶[1-3]等试验模拟了隧道开挖的过程和溶洞顶部与底部大小不同、距离不同的溶洞分布对隧道围岩周边变形的影响。并在此基础上通过数值分析对试验结果进行了验证。M.C.Wang[4，5]等假定土体为弹塑性理想弹性体，采用有限元分析在D-P屈服准则下计算地基承载力。宁业辉[6]利用相似原理选择合理的相似材料及其比例进行相似正交试验得出地基失稳的极限荷载，并且利用ANSYS进行了增量加载法验证。张佃仁[7]基于极限分析法的下限有限元法分析了地铁隧道岩溶地基的下限承载力，探究了地基承载力下限解与溶洞直径、顶板厚度等因素之间的关系规律。

但对于充填型溶洞承载力的还需要进一步的分析研究，目前数值模拟分析具有较广泛的实用性，可以研究各种工况下充填型溶洞的承载力规律。本文依托某地铁隧道工程，在确定计算本构模型和屈服准则的基础上，采用大型有限元分析软件ANSYS探究顶板厚度、跨度、充填物、溶洞分布等因素对地基承载力的影响，对相关工程地基稳定性分析具有参考意义。

1 工程概况

某地铁区间起止里程为CK14+217.544～CK17+072.484，全长2854.94 m。设计结构底板标高约为-11.90～5.27 m、埋深约为16.00～48.00 m。采用盾构法施工，盾构隧道直径约6.30 m。区间岩溶发育，岩溶分布于隧道洞身、隧道顶板之上，隧道底板之下均有分布，见洞率约为78%，平均线岩溶率约为20.6%。

2 计算模型和参数选取

2.1 有限元简化模型

为了研究单个、串珠型溶洞的极限承载力，基于钻孔地质情况进行扩展，分析充填介质、顶板厚度、跨度、溶洞间距、个数等因素对地基承载力的影响。计算几何模型如图1所示，几何模型尺寸需要考虑边界效应的影响。溶洞直径D、顶板厚度H根据后文分析需要选取。在实际工程中，隧洞内的荷载形式是较多，主要包括盾构机自重，管片压力、注浆压力等等，因此，为了后续进行模型试验的需要，在采用增量加载法分析岩溶地基的竖向极限承载力时，所加荷载采用环形均布荷载。几何模型和简化计算模型如图1和图2所示。

图1 几何模型(单位: m)

图2 ANSYS简化计算模型

在ANSYS中建立平面应变模型，计算模型采用自由网格划分。在隧洞和溶洞附近适当加密网格以提高计算精度[8]。计算模型采用PLANE84作为计算单元，PLANE84是一种8节点四边形的高阶类型单元，相比于线性单元，能更好适应曲线边界情况，减小计算精度损失。

2.2 计算参数的选取

ANSYS中Drucker-Prager屈服准则默认采用的是外角外界圆(DP1)准则，DP1准则是摩尔 — 库仑(M — C)准则曲线的外接圆，是实际极限荷载的一个上限，采用DP1准则计算的塑性区结果与传统M — C准则有较大出入，偏于危险。采用M — C准则匹配的等面积圆的DP5准则塑性区结果与M — C准则结果很为接近，而且编制程序时只需将DP准则的参数稍作变换即可得M-C等面积圆准则的程序，其精度与真实M-C准则相当。尤其是针对平面应变问题，采用M-C准则匹配的等面积圆的DP5准则计算误差一般小于3%。因此，本文中采用DP5准则作为岩溶地基极限承载力计算的屈服准则[9，10]。

计算不采用DP1准则时，应将粘聚力c和内摩擦角φ值转化为摩尔-库仑等面积圆DP5屈服准则下的参数值，转化公式如下：

换算后的指标如表1。

表1 采用DP5准则转换成的岩土参数岩(土)层容重/(kN·m-3)弹性模量/MPa凝聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比粉质粘土18.81.018.79.60.33中砂18.516.4022.20.24砾砂19.214.0025.60.23卵石19.880.0028.70.23中风化灰岩26.33000239.929.90.27

3 极限承载力数值分析

3.1 单个充填溶洞对地基承载力的影响规律

3.1.1 顶板厚度对地基承载力的影响

选取隧洞半径为3 m，溶洞半径为2 m，溶洞充填中砂，顶板厚度H根据分析需要取为1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 m，考察顶板厚度对岩溶地基承载力的影响。采用ANSYS增量加载法在关联流动法则下并以DP5作为屈服准则的极限荷载如表2，各充填物在塑性区贯通时的云图如图3所示。

表2 不同顶板厚度下ANSYS计算的极限荷载顶板厚度H/m极限荷载/MPa顶板厚度H/m极限荷载/MPa10.46830.8481.50.5713.50.92620.66641.0182.50.758

图4和表2中可以看出，当隧洞和溶洞大小，充填物等条件一定时，随着顶板厚度H的增加，岩溶地基的极限承载力呈增加的趋势。但在破坏形式上，塑性区的贯通形式不同。当顶板厚度在1 m和1.5 m时，塑性区的贯通形式为从隧洞底部和溶洞底部上下双向贯通；当顶板厚度为2、2.5、3、3.5、4 m时，塑性区贯通形式均为从隧洞底部到溶洞顶部自上而下单向贯通。也就是说，顶板厚度从1.5～2 m间塑性区贯通位置存在一个从溶洞顶部到顶板中的临界值。并且对于塑性区同时从隧洞底部和溶洞顶部向中间发展，在顶板中贯通的形式而言，地基承载力较低，而当顶板厚度继续增加，塑性区从隧洞底部开始向下发展，在溶洞顶部贯通时地基承载力较高。

a) H=1 mb)H=2.0 mc) H=4 m

图4 ANSYS极限荷载与顶板厚度的关系曲线

3.1.2 顶板跨度对地基承载力的影响

选取隧洞直径为3 m，溶洞充填中砂，顶板厚度为2 m。溶洞形状为椭圆形，竖直方向上轴长Ly取为2 m，水平方向上轴长设为Lx，以Ly与Lx的比值为分析指标，选取Ly/Lx分别为0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3，考察顶板跨度对岩溶地基承载力的影响。采用ANSYS增量加载法在关联流动法则下并以DP5作为屈服准则的极限荷载如表3，顶板跨度与极限荷载的关系见图5。

表3 不同顶板跨度下ANSYS计算的极限荷载顶板跨度Ly/Lx极限荷载/MPa顶板跨度Ly/Lx极限荷载/MPa0.70.5961.10.6920.80.6161.20.6960.90.6381.30.7141.00.666

图5 ANSYS极限荷载与顶板跨度的关系曲线

从图5和表3可以看出，当隧洞大小，顶板厚度、溶洞充填物等条件一定时，在一定范围内随着椭圆形溶洞竖向轴长度与水平轴的长度比值Ly/Lx的增加，岩溶地基的极限承载力呈现增大的趋势。当Ly/Lx较小时，塑性区的贯通形式为从隧洞底部和溶洞底部上下双向贯通；当Ly/Lx继续变大达到1.0以后，塑性区贯通形式均为从隧洞底部到溶洞顶部自上而下单向贯通。

3.1.3 溶洞充填物对承载力的影响

选取隧洞半径为3 m，溶洞顶板厚度H=2 m，半径为2 m，充填物根据详勘资料分别取为无充填、半充填、充填中砂、充填砾砂、充填卵石、充填黏土5种情况。考察充填物对岩溶地基承载力的影响。采用ANSYS增量加载法在关联流动法则下并以DP5作为屈服准则不同溶洞充填物的极限荷载如表4。

表4 不同溶洞填充物下ANSYS计算的极限荷载 MPa无中砂(半充填)中砂砾砂卵石粉质粘土0.6560.6580.6660.6680.6820.658

从表4中不难发现，在顶板厚度和溶洞大小等其他条件一定时，不管是溶洞内为上述的5种充填物的哪一种或者是无充填的空溶洞，对于整个岩溶地基的承载力影响都很小，充填物对于岩溶地基承载力的提高十分有限。这是由于充填物的各项力学参数如粘聚力、内摩擦角和弹性模量相对于顶板材料中风化灰岩弱很多，此时在隧洞顶部加载时，破坏形式与空溶洞相同，塑性区贯通方式均为从隧洞底部到溶洞顶部自上而下单向贯通。充填型溶洞与空溶洞都会降低地基的承载力。

3.2 串珠型充填溶洞对地基承载力的影响

3.2.1 串珠溶洞间距对地基承载力的影响

选取隧洞半径为3 m，溶洞顶板厚度为2 m。上下两个溶洞的半径均为2 m，溶洞充填中砂。以两个溶洞之间的间距为研究指标，两个溶洞之间的间距h分别取为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5 m，考察串珠型溶洞间距对岩溶地基承载力的影响。采用ANSYS增量加载法在关联流动法则下并以DP5作为屈服准则时，串珠型溶洞间距与极限荷载的关系如图6所示。

图6 ANSYS极限荷载与溶洞间距的关系曲线

从图6中可以看出，当隧洞大小，顶板厚度、溶洞的个数、充填物及大小等条件一定时，随着串珠型溶洞间距的增加，岩溶地基的极限承载力呈现增大的趋势，但变化不大，塑性区贯通形式均为自上而下单向贯通。这表明溶洞间距对实际岩溶地基的极限承载力影响不大。

3.2.2 串珠型溶洞跨度对地基承载力的影响

选取隧洞半径为3.1 m，溶洞顶板厚度为2 m。隧洞下第1个溶洞的半径为2 m，两个溶洞之间的间距为1 m，溶洞充填中砂。以串珠型溶洞的第2个溶洞的跨度作为研究指标，第2个溶洞形状为椭圆形，竖直方向上轴长Ly取为2 m，水平方向上轴长设为Lx，以Ly与Lx的比值为分析指标，选取Ly/Lx分别为0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3，考察第2个溶洞跨度对岩溶地基承载力的影响。采用ANSYS增量加载法在关联流动法则下并以DP5作为屈服准则时，串珠型溶洞不同跨度与极限荷载的关系如图7所示。

图7 ANSYS极限荷载与串珠型溶洞跨度的关系曲线

从图7中可以看出，当隧洞大小，顶板厚度、溶洞的间距、个数及充填物等条件一定时，随着串珠型溶洞跨度增加，岩溶地基的极限承载力呈减小的趋势，但减小幅度不大，塑性区均从隧洞底部开始向下发展，在溶洞顶部贯通。这表明串珠型溶洞的第2个溶洞的跨度对实际岩溶地基的极限承载力影响不大。

3.2.3 串珠型溶洞个数对地基承载力的影响

选取隧洞半径为3 m，溶洞顶板厚度为2 m。溶洞的半径均为2 m，溶洞充填中砂。以串珠型溶洞的个数为研究指标，串珠型溶洞个数n分别取为1、2、3、4，考察串珠型溶洞个数对岩溶地基承载力的影响。采用ANSYS增量加载法在关联流动法则下并以DP5作为屈服准则时，串珠型溶洞不同个数与极限荷载的关系如图8所示。

图8 ANSYS极限荷载与溶洞个数的关系曲线

从图8中可以看出，当隧洞大小，顶板厚度、溶洞的间距、充填物及大小等条件一定时，随着串珠型溶洞个数的增加，岩溶地基的极限承载力呈现减小的趋势，但变化不大，塑性区贯通形式均为自上而下单向贯通。这表明串珠型溶洞的个数对实际岩溶地基的极限承载力影响不大。

4 结论

1) 随着顶板厚度的增加和顶板跨度的减小，岩溶地基的极限承载力呈增加的趋势。塑性区贯通形式包括同时从隧洞底部和溶洞顶部向中间发展在顶板中贯通和从隧洞底部开始向下发展在溶洞顶部贯通两种。塑性区同时从隧洞底部和溶洞顶部向中间发展在顶板中贯通的形式地基承载力较低，塑性区从隧洞底部开始向下发展，在溶洞顶部贯通时地基承载力较高。

2) 充填物对于岩溶地基承载力的提高十分有限，其破坏形式与空溶洞相同。充填型溶洞与空溶洞都会显著降低地基的承载力。

3) 对于隧道下伏串珠型溶洞时，溶洞间距和下伏溶洞个数对岩溶地基的承载力影响都较小，承载力主要受隧洞下第1个溶洞各项参数的影响。

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