鄰近上覆空洞淺埋隧道施工引起的地層變形和破壞特征

蔡 義， 張成平， 閔 博

(1. 北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044； 2. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

近年來，我國城市地鐵隧道施工過程中，地面塌陷事故頻發(fā)，造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失[1-2]。經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，地層空洞的存在是發(fā)生地面塌陷事故的重要原因[3]。城市地鐵隧道埋深較淺、地質(zhì)條件較差，而且地下管線密集，管線滲漏水或地表施工擾動(dòng)等因素更容易導(dǎo)致地層空洞的形成，且地層空洞具有隱蔽性強(qiáng)、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)。因此，開展淺埋地鐵隧道開挖引起含空洞地層變形及破壞演化規(guī)律的研究十分必要。

淺埋隧道開挖引起含空洞地層變形和破壞問題已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，很多學(xué)者對(duì)此展開了相關(guān)研究。在隧道施工引起的含空洞地層變形方面，趙明階等[4]通過相似模型試驗(yàn)和數(shù)值分析對(duì)石灰?guī)r地層中的公路隧道全斷面開挖過程進(jìn)行了研究，得到了隧道周邊不同溶洞分布對(duì)隧道圍巖變形的影響規(guī)律。蔡義等[5]采用三維模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了不同位置地層空洞對(duì)淺埋地鐵隧道地表沉降的影響規(guī)律以及空洞的變形特征。宋戰(zhàn)平等[6]采用數(shù)值試驗(yàn)方法，系統(tǒng)分析了隧道頂部不同尺度和距隧道不同距離的既有隱伏溶洞對(duì)圓形隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)性態(tài)的影響。趙明階等[7-8]通過模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r地區(qū)隧道開挖過程中，頂部溶洞尺寸對(duì)圍巖變形有較大影響，隨著溶洞尺寸的增大，開挖前的圍巖先期位移和開挖瞬間釋放位移均有較大程度的增長，同時(shí)，溶洞區(qū)的開挖對(duì)無溶洞區(qū)的圍巖變形有放大作用。

在隧道施工引起的含空洞地層破壞特征方面，李倩倩等[9]基于復(fù)變函數(shù)理論求解得到自重應(yīng)力及豎向均布荷載作用下橢圓形隱伏空洞地層應(yīng)力場(chǎng)的精確解，并分析了地層空洞破壞的初始特征。陶連金等[10]基于離散元軟件對(duì)城市道路路基下空洞的發(fā)展破壞進(jìn)行數(shù)值模擬，分析空洞規(guī)模、埋深、施工振動(dòng)、空洞周圍土性對(duì)空洞穩(wěn)定性的影響。李鵬飛等[11]采用數(shù)值模擬方法分析了含空洞地層的初始應(yīng)力場(chǎng)及隧道開挖影響下含空洞地層的變形破壞規(guī)律，再現(xiàn)了隧道開挖引起地層變形破壞的全過程。趙明階等[12]以朝東巖隧道為背景運(yùn)用二維彈塑性分析了隧道頂部不同距離、不同大小的溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。張成平等[13]通過模型試驗(yàn)，探究了淺埋隧道施工擾動(dòng)下隱伏空洞位置和數(shù)量變化對(duì)地層破壞的影響規(guī)律。Goodings和Abdulla[14]通過離心試驗(yàn)，研究了未膠結(jié)砂巖中埋深對(duì)地層空洞破壞過程的影響。Augarde等[15]采用有限元極限分析法對(duì)不排水條件下地層空洞的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得到了保證地層空洞不坍塌的極限地表荷載。此外，馮劍等[16]通過對(duì)空洞的成拱特性受力分析，結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算，推導(dǎo)出地層空洞的成拱高度計(jì)算表達(dá)式，并提出了砂卵石地層空洞的安全性評(píng)價(jià)方法。

現(xiàn)有的研究成果大多針對(duì)襯砌背后空洞引起襯砌結(jié)構(gòu)安全問題[17-18]以及溶洞引起的山嶺隧道穩(wěn)定性問題[7-8,12]。本文所研究的地層空洞多見于城市淺埋地鐵隧道施工中，隱蔽性強(qiáng)、危險(xiǎn)性更大，給城市交通帶來嚴(yán)重的安全隱患。此外，目前對(duì)于淺埋地鐵隧道開挖引起含空洞地層變形問題的研究以二維模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬為主[9,11,13]，雖然能在一定程度揭示開挖擾動(dòng)對(duì)含空洞地層的影響，但與實(shí)際工程情況仍然有較大差距，分析結(jié)果有局限性。針對(duì)含空洞地層中的淺埋地鐵隧道，通過三維相似模型試驗(yàn)研究了隧道開挖引起上方含空洞地層的變形規(guī)律，并通過FLAC3D建立三維數(shù)值模型，驗(yàn)證模型試驗(yàn)結(jié)果。此外，數(shù)值模擬在模型試驗(yàn)工況基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展研究，獲得了不同直徑下地表變形與凈距關(guān)系曲線，分析了不同空洞直徑和凈距下的位移場(chǎng)、塑性區(qū)分布及剪應(yīng)變?cè)隽繄?chǎng)，并在此基礎(chǔ)上提出了含空洞地層中兩種典型的地層破壞模式。研究結(jié)論為分析隧道上方地層空洞對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響及其控制具有一定參考意義。

1 相似模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)裝置

相似模型試驗(yàn)采用自制三維多功能模型試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)臺(tái)架、隧道開挖模擬裝置、空洞模擬裝置和位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，見圖1。試驗(yàn)臺(tái)架內(nèi)腔長1 600 mm、寬1 500 mm、高1 500 mm，臺(tái)架正面和底部由兩塊鋼板焊接而成，其中正面鋼板上帶有與隧道直徑相同的圓孔，圓孔直徑為200 mm；其余三個(gè)側(cè)面均為有機(jī)玻璃板，玻璃板厚度均為20 mm，以便觀察試驗(yàn)現(xiàn)象(圖1(a))。試驗(yàn)采用氣囊卸載的方式模擬隧道開挖過程中的應(yīng)力釋放，氣囊直徑為200 mm，整個(gè)氣囊被分隔為8段，每段單獨(dú)與氣泵連接，通過閥門和氣壓表控制氣囊內(nèi)氣壓(圖1(b))。試驗(yàn)過程中逐段降低氣壓來實(shí)現(xiàn)隧道開挖的過程。地層空洞模擬裝置為一帶軟質(zhì)導(dǎo)管的球型氣囊，充氣預(yù)埋后卸載氣囊內(nèi)氣體可形成地層空洞(圖1(c))。球型氣囊上連接有軟質(zhì)導(dǎo)管，用于充氣與放氣。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為布置在地表的LVDT位移傳感器和外部采集儀，用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中地表沉降(圖1(d))。

1.2 模型試驗(yàn)材料

與模型試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的原型隧道直徑為6 m，拱頂覆土厚度為12 m，結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)架尺寸，確定幾何相似比為αL=30，依據(jù)相似理論[19]可以確定各物理力學(xué)參數(shù)的相似比，見表1。

表1 模型試驗(yàn)相似比

參考其他學(xué)者對(duì)相似材料的研究成果[20-21]，同時(shí)考慮選擇相似材料的一般原則和各種常用材料的性能，最終確定地層相似材料的原料為重晶石粉、石英砂和凡士林。根據(jù)市場(chǎng)上可獲取的原料情況，選用的重晶石粉包括20～30目和100～120目，石英砂包括6～10目、8～15目和20～30目。經(jīng)多次配比試驗(yàn)，并通過三軸壓縮試驗(yàn)(UU試驗(yàn))和彈性模量試驗(yàn)獲得相似材料的物理力學(xué)參數(shù)，得到滿足試驗(yàn)要求的原料配比(質(zhì)量所占百分比)，見表2。圍巖相似材料的物理力學(xué)參數(shù)見表3。相似材料所模擬原材料的圍巖級(jí)別傾向于Ⅴ級(jí)圍巖，且為均質(zhì)圍巖。

表2 地層相似模型各原料所占比例

表3 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

1.3 模型試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中假設(shè)隧道拱頂埋深均為2倍洞徑D(D=200 mm)，即400 mm?？斩粗睆骄鶠?.5倍洞徑，即100 mm?？斩磁c隧道間凈距變化，具體試驗(yàn)工況見表4。

表4 模型試驗(yàn)工況

1.4 模型試驗(yàn)過程和測(cè)點(diǎn)布置

按照上述試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行各組試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中記錄地表位移數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

Step1以重晶石粉、石英砂和凡士林為原材料制備地層相似模型材料(可重復(fù)使用)。

Step2分層裝填模型材料，嚴(yán)格控制整體密度。

Step3按試驗(yàn)設(shè)計(jì)埋放隧道模型和空洞氣囊，埋放前將隧道氣囊和空洞氣囊充氣，空洞中心位于隧道氣囊4正上方，見圖2。

Step4安裝位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

Step5將空洞氣囊內(nèi)氣體排出，并靜置30 min，形成地層空洞。

Step6逐段卸載隧道氣囊內(nèi)氣體，模擬隧道分段開挖過程。基于工程經(jīng)驗(yàn)以及公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[22]，假設(shè)應(yīng)力釋放率為60%。每段氣囊卸載后保持30 min，等待地層變形穩(wěn)定。隧道開挖模擬過程見圖2。

試驗(yàn)中地表共布置5條測(cè)線，分別位于隧道氣囊2～6段上方，見圖3。其中，位于空洞正上方的測(cè)線3為主測(cè)線，測(cè)線上布有7個(gè)測(cè)點(diǎn)；其余測(cè)線上均為5個(gè)測(cè)點(diǎn)。每條測(cè)線上測(cè)點(diǎn)間距離均為20 cm。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地表沉降特征

隧道開挖完成后各測(cè)線地表沉降曲線見圖4。從圖中可以看出：圖4(a)中5條沉降曲線基本重合，說明當(dāng)?shù)貙又袩o空洞時(shí)，隧道開挖完成后5條測(cè)線上地表沉降基本相同，即沿隧道走向地表沉降較為均勻；工況2～工況5中，當(dāng)隧道正上方存在地層空洞時(shí)，空洞上方地表沉降(測(cè)線3)要大于無空洞處(測(cè)線1、測(cè)線2、測(cè)線4和測(cè)線5)，同一工況中無空洞處4條測(cè)線地表沉降相差不大。隨著空洞與隧道間凈距的增大，空洞上方地表沉降逐漸減小，且空洞上方地表沉降與無空洞處地表沉降之差也逐漸減小。

2.2 空洞上方地表沉降特征

從以上分析可以看出，隧道上方空洞使得隧道拱頂上方圍巖穩(wěn)定性減弱，施工擾動(dòng)下引起空洞上方地表沉降加劇，且空洞與隧道凈距越小，空洞與隧道相互擾動(dòng)越劇烈，空洞上方地表沉降加劇越明顯。因此，以下分析主要針對(duì)空洞上方地表沉降，即測(cè)線3處地表沉降。

空洞上方(測(cè)線3)地表沉降的發(fā)展過程見圖5，模型試驗(yàn)結(jié)果表明：無論地層中是否存在空洞，隧道逐段開挖的過程中，測(cè)線3處地表沉降都要經(jīng)歷“緩慢增加”“劇烈增加”“逐漸穩(wěn)定”三個(gè)階段。在開挖距離監(jiān)測(cè)斷面較遠(yuǎn)時(shí)(開挖1～3)，圖5中對(duì)應(yīng)的3條沉降曲線相距較近，且曲線之間的間隔隨著開挖的推進(jìn)逐漸增大，說明隨著開挖逐漸接近監(jiān)測(cè)斷面，開挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的擾動(dòng)逐漸增強(qiáng)，地表沉降逐漸增大。在開挖通過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)(開挖4～6)，圖5中對(duì)應(yīng)的3條沉降曲線之間的間隔較大，說明開挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的擾動(dòng)劇烈，地表沉降顯著增大。在開挖遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面時(shí)(開挖7～8)，圖5中對(duì)應(yīng)的2條沉降曲線間隔又逐漸減小，說明隨著開挖面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的擾動(dòng)作用越來越小，地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定。在5組試驗(yàn)沉降曲線的發(fā)展過程中，隨著隧道逐段開挖，每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的沉降量均不斷增大，并最終趨于穩(wěn)定，且在各個(gè)工況中地表最大沉降均出現(xiàn)在隧道正上方(x=0)的測(cè)點(diǎn)處。所有試驗(yàn)結(jié)果中，工況1中最大沉降最小，為1.87 mm；工況2中最大沉降最大，為2.56 mm。開挖過程中隧道正上方(x=0)處地表沉降的發(fā)展過程見圖6。圖6中曲線與隧道開挖引起的地表縱向沉降曲線形態(tài)相似，說明本文相似試驗(yàn)所采用的開挖模擬方法能夠較好的模擬隧道動(dòng)態(tài)開挖過程。

3 數(shù)值模擬

鑒于三維模型試驗(yàn)實(shí)施起來耗時(shí)耗力，且可供監(jiān)測(cè)內(nèi)容有限，而數(shù)值模擬則具有重復(fù)性高，可分析性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過數(shù)值模擬可對(duì)模型試驗(yàn)工況進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)隧道上方空洞大小不同的試驗(yàn)工況進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)一步對(duì)隧道上方地層空洞對(duì)地層的影響規(guī)律進(jìn)行探討。

采用FLAC3D有限差分軟件建立三維數(shù)值模型，見圖7。隧道直徑D為6.0 m，隧道拱頂埋深為12.0 m。數(shù)值模型沿x、y、z軸方向計(jì)算范圍分別為45、48、30 m。隧道沿y軸分為8個(gè)開挖步，每步前進(jìn)6 m，通過控制隧道周邊節(jié)點(diǎn)反力模擬隧道全斷面開挖的卸載作用，應(yīng)力釋放率為60%?？斩粗行奈挥趛=21 m截面，隧道軸線正上方。城市淺埋地鐵隧道施工中，地層條件較差且埋深較淺，為簡化計(jì)算過程，假定圍巖材料為均質(zhì)彈塑性體，且不考慮地下水影響，采用Mohr-Coulomb模型，圍巖的物理力學(xué)參數(shù)按表3原型選取。數(shù)值模擬具體過程如下：

(1) 建立完整地層模型，初始地應(yīng)力平衡，地層參數(shù)見表3。

(2) 將地層位移場(chǎng)和速度場(chǎng)清零，并將空洞部分模型設(shè)置為“null”以形成地層空洞，計(jì)算平衡后再次將位移場(chǎng)和速度場(chǎng)清零。

(3) 將開挖進(jìn)尺6 m范圍內(nèi)的隧道模型設(shè)置為“null”模擬隧道開挖，同時(shí)在隧道周邊節(jié)點(diǎn)上施加反向節(jié)點(diǎn)力實(shí)現(xiàn)開挖卸載作用，反向節(jié)點(diǎn)力為原來的40%，計(jì)算平衡后保存數(shù)據(jù)，重復(fù)以上操作直至整條隧道開挖完成。

為進(jìn)一步研究施工擾動(dòng)下隧道上部地層空洞大小以及隧道與空洞間凈距對(duì)地層變形的影響規(guī)律，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬工況見表5。為便于分析，定義洞徑比為空洞直徑d與隧道洞徑D的比值，間徑比為隧道與空洞之間凈距h與隧道洞徑D的比值。

表5 數(shù)值模擬工況

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 地層變形特征

部分工況隧道開挖后空洞中心處(y=21m)橫截面豎向位移云圖見圖8。由圖8可知，空洞的存在使地層變形規(guī)律變得更加復(fù)雜，空洞直徑的大小和空洞與隧道間的凈距都會(huì)對(duì)地層變形產(chǎn)生影響。工況Ⅰ(空洞直徑3.0 m)中部分地層豎向變形云圖見圖8(b)～8(d)。當(dāng)空洞距離隧道較近時(shí)，空洞位于隧道上方圍巖松動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)空洞，空洞受隧道開挖擾動(dòng)影響較為強(qiáng)烈，空洞上方一定范圍內(nèi)地層位移較大，形成大范圍的松動(dòng)區(qū)(圖8(b))。隨著空洞與隧道間距離的逐漸增大，隧道開挖對(duì)空洞的擾動(dòng)影響減弱，空洞與隧道間地層豎向位移較大，形成一定范圍的錐形松動(dòng)區(qū)，(圖8(c)、圖8(d))。若空洞進(jìn)一步接近地表，則可能出現(xiàn)由于空洞上覆地層厚度不足，在隧道施工擾動(dòng)下地表發(fā)生失穩(wěn)出現(xiàn)較大地層位移情況。

其他工況地層變形特征與工況Ⅰ基本類似，在此不再贅述。

隧道開挖完成后空洞上方地表沉降曲線和最大值變化曲線見圖9、圖10。根據(jù)計(jì)算結(jié)果有如下規(guī)律：

(1) 地表沉降曲線均為對(duì)稱形式，地層無空洞時(shí)，地表沉降值最小，地表中軸線處取得最大值為49.87 mm。當(dāng)?shù)貙又写嬖诳斩磿r(shí)，地表沉降均呈現(xiàn)出不同程度的增大，其中工況Ⅴ-1(d=4.2 m，h=0.6 m)地表沉降增大最為明顯，地表中軸線處取得最大值為62.68 mm，相比于無空洞地層，增大約25.68%。這一規(guī)律與模型試驗(yàn)類似。

(2) 對(duì)于同一直徑的空洞，隨著凈距的不斷增大，地表沉降呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

當(dāng)直徑較小時(shí)(d/D=0.5)，隨著凈距的逐漸增大，最大地表沉降逐漸減小，h/D從0.1增大到0.3時(shí)，減小趨勢(shì)明顯，h/D大于0.3時(shí)，減小趨勢(shì)逐漸變緩；當(dāng)空洞直徑d/D=0.55、0.60、0.65時(shí)，凈距h/D從0.1增大到0.3，減小趨勢(shì)明顯，隨后隨著凈距增大，最大地表沉降減小趨勢(shì)變緩，當(dāng)h/D增大到某一臨界值時(shí)，地表沉降又開始逐漸增大；當(dāng)d/D=0.7時(shí)，h/D從0.1增大到0.3，地表沉降減小趨勢(shì)明顯，達(dá)到臨界值后開始逐漸增大，且空洞直徑越大，臨界凈距越小。

(3) 對(duì)于同一凈距的空洞，隨著空洞直徑逐漸增大，空洞與隧道相互影響越顯著，地表沉降也越大。

試驗(yàn)工況2～5分別對(duì)應(yīng)了數(shù)值模擬中的工況Ⅰ-3、Ⅰ-5、Ⅰ-7和Ⅰ-9。對(duì)比圖5和圖9可以發(fā)現(xiàn)，模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果得到了較為一致的規(guī)律：地表沉降槽均關(guān)于隧道軸線呈對(duì)稱分布；地表沉降最大值均出現(xiàn)在隧道正上方；洞徑比為0.5時(shí)，間凈比越大，地表沉降最大值越小。模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬最大沉降值見表6，通過比較可以看出，模型試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果偏大，且模型試驗(yàn)中空洞對(duì)地層變形的影響程度也更大。這是由于模型試驗(yàn)過程中不可避免的會(huì)有許多外界因素的干擾，導(dǎo)致模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果之間存在一定偏差。

表6 模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬最大沉降值比較(d/D=0.5)

注：表中試驗(yàn)值為試驗(yàn)實(shí)測(cè)值乘以幾何相似比30后的結(jié)果。

4.2 含空洞地層的破壞模式分析

圍巖塑性區(qū)的發(fā)展及其分布范圍是分析圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)，通過塑性區(qū)的發(fā)展過程并結(jié)合圍巖的位移場(chǎng)能觀察到潛在的破壞區(qū)域[23]。采用Mohr-Coulomb模型計(jì)算，塑性區(qū)中的土體即處于破壞狀態(tài)。

工況Ⅳ-7(d/D=0.65，h/D=0.7)隧道開挖后空洞中心處橫截面塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律見圖11(圖中：none表示未發(fā)生塑性破壞的區(qū)域；tension表示張拉破壞；shear表示剪切破壞；n表示區(qū)域正處于破壞階段；p表示區(qū)域在模型運(yùn)行過程中已經(jīng)發(fā)生破壞)，其他工況塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律與其類似。由圖11可以得出：

(1) 地層中存在空洞時(shí)，空洞周圍一定范圍內(nèi)的土體首先出現(xiàn)拉剪塑性區(qū)，并且空洞上部地層發(fā)生沉降，地表中心處產(chǎn)生受拉破壞區(qū)(圖11(a))。

(2) 隨著隧道逐漸開挖，應(yīng)力逐漸釋放，空洞周圍塑性區(qū)從兩側(cè)拱肩逐漸向上發(fā)展，并呈現(xiàn)出蝴蝶形分布；同時(shí)掌子面前方土體由于卸載作用產(chǎn)生剪切破壞；地表兩側(cè)產(chǎn)生大面積受拉破壞區(qū)(圖11(b))。

(3) 隨著隧道繼續(xù)開挖直至完成(圖11(c)、圖11(d))，隧道周圍土體產(chǎn)生大面積塑性區(qū)，主要以拉剪破壞為主，并從兩側(cè)拱肩處逐漸向上發(fā)展，如果凈距h較小或者空洞直徑d較大，隧道周圍塑性區(qū)將逐漸擴(kuò)展至與空洞相連；空洞周圍塑性區(qū)繼續(xù)從兩側(cè)拱肩向上發(fā)展。

部分典型工況塑性區(qū)分布見圖12。從圖12中可以看到，空洞直徑d和凈距h對(duì)塑性區(qū)發(fā)展及分布規(guī)律有很大影響。根據(jù)圖12可以總結(jié)得出空洞直徑以及凈距對(duì)塑性區(qū)分布的影響規(guī)律：對(duì)于地層中小直徑空洞，當(dāng)凈距較小時(shí)，空洞周圍及隧道周圍形成不同大小的蝴蝶形塑性區(qū)，并且相互貫通，擴(kuò)展成一個(gè)整體(圖12(b))；隨著距離的逐漸增大，空洞周圍塑性區(qū)與隧道周圍塑性區(qū)逐漸分離，形狀也從蝴蝶形變?yōu)闄E圓形(圖12(c))；當(dāng)空洞接近地表時(shí)，空洞周圍塑性區(qū)向上發(fā)展至地表(圖12(d))。對(duì)于地層中大直徑空洞，凈距對(duì)塑性區(qū)分布的影響與小直徑空洞情況類似，但大直徑空洞周邊塑性區(qū)范圍更大，發(fā)展至與地表相連時(shí)對(duì)應(yīng)的凈距更小。

由Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論可知，土體發(fā)生破壞是由于某一面上的剪應(yīng)力達(dá)到了巖土體的剪切強(qiáng)度，此時(shí)剪切面上必然發(fā)生較大的剪切變形[24]。地層中存在空洞時(shí)，空洞周圍會(huì)產(chǎn)生較大剪切變形，隧道開挖后，兩側(cè)拱腰處首先產(chǎn)生較大剪切變形，土體發(fā)生破壞并逐漸從兩側(cè)拱肩向上發(fā)展，與塑性區(qū)分布相符。部分工況開挖完成后剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D見圖13。

根據(jù)圖13可以看出：地層中不存在空洞時(shí)，兩側(cè)拱腰處剪應(yīng)變?cè)隽孔畲?，首先發(fā)生破裂，并逐漸向斜上方發(fā)展。當(dāng)空洞與隧道凈距較小時(shí)，兩側(cè)拱腰及空洞隧道間夾層產(chǎn)生較大剪應(yīng)變而首先發(fā)生破壞，空洞與隧道相互連通，發(fā)生整體失穩(wěn)，導(dǎo)致上部地層發(fā)生較大變形，甚至垮塌；凈距逐漸增大到某一臨界值時(shí)，空洞與隧道間夾層剪應(yīng)變開始減小，空洞與隧道相互影響減弱，地表沉降開始緩慢減小；隨著凈距的繼續(xù)增大，空洞上方因覆土厚度較小，空洞上方土體在施工擾動(dòng)下先發(fā)生破壞并發(fā)展至地表，在空洞上方產(chǎn)生較大變形甚至垮塌。

根據(jù)以上分析可將地層可能發(fā)生的破壞總結(jié)為兩種典型模式，見圖14。結(jié)合塑性區(qū)發(fā)展及分布規(guī)律以及地層豎向位移特征，兩種典型破壞模式特征總結(jié)如下：

(1) 上方地層空洞距隧道較近時(shí)，易發(fā)生整體失穩(wěn)。在施工擾動(dòng)下隧道與空洞之間土體先發(fā)生破壞(圖14(a)中“ⅰ”所示)，隧道與空洞擴(kuò)展成為一個(gè)新的“洞室”，新“洞室”覆跨比更小，易形成較大范圍的塌落(圖14(a)中“ⅱ所示)。

(2) 上方地層空洞距地表較近時(shí)，易發(fā)生局部坍塌。隧道上部土層變形與無空洞地層變形相似，但由于空洞上部覆土厚度較小，受到施工擾動(dòng)后空洞上部地層容易先發(fā)生破壞(圖14(b)中“ⅰ”所示)，在空洞上方形成小范圍的局部塌方。

此外，對(duì)于同一直徑的空洞，凈距越小，越不利于地層穩(wěn)定；同一凈距的空洞，直徑越大越不利于地層穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文通過三維模型試驗(yàn)及FLAC3D數(shù)值模擬分析了隧道上方含空洞地層在地鐵隧道施工擾動(dòng)下的變形規(guī)律，通過對(duì)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

(1) 與無空洞地層相比，含空洞地層在施工擾動(dòng)下地表沉降明顯增大，空洞越大、凈距越小對(duì)地層變形影響越顯著。

(2) 空洞直徑d≥0.55D時(shí)，空洞與隧道間存在 “臨界凈距”，“臨界凈距”所對(duì)應(yīng)的地表沉降為空洞影響下地表沉降的最小值；空洞直徑越大，“臨界凈距”越小?？斩粗睆絛=0.50D時(shí)，空洞與隧道間不存在“臨界凈距”，隨著凈距的增大，地表沉降只呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。

(3) 對(duì)于存在著“臨界凈距”的含空洞地層，凈距從0.1D增大到0.3D時(shí)，地表沉降減小趨勢(shì)明顯；當(dāng)凈距從0.3D增大到“臨界凈距”時(shí)，地表沉降減小趨勢(shì)逐漸變緩，并達(dá)到最小值；當(dāng)凈距超過“臨界凈距”且繼續(xù)增大時(shí)，地表沉降又開始逐漸增大。

(4) 空洞與隧道周圍塑性區(qū)擴(kuò)展貫通導(dǎo)致地層發(fā)生整體失穩(wěn)以及空洞周圍塑性區(qū)發(fā)展至地表導(dǎo)致局部塌方是隧道上方含空洞地層兩種典型破壞模式。當(dāng)凈距較小時(shí)，隧道兩側(cè)拱腰及上部夾層首先發(fā)生破壞，隧道與空洞間地層喪失承載力，隧道與空洞周邊塑性區(qū)貫通，形成較大的松動(dòng)區(qū)進(jìn)而發(fā)生整體失穩(wěn)；當(dāng)凈距較大時(shí)，隧道開挖擾動(dòng)對(duì)空洞的影響減弱，空洞更接近地表時(shí)，空洞周邊塑性區(qū)發(fā)展至地表，上覆土層無法維持穩(wěn)定，進(jìn)而發(fā)生局部坍塌。