范明學，劉科

（中國二院成都勘察設計研究院有限責任公司，成都610081）

1 引言

近年來，為更好地提高城市規(guī)劃發(fā)展，解決生存及活動空間擁堵等問題，地下空間的開發(fā)也在日益擴大，以地下隧道交通建設為主的大規(guī)模地下空間開發(fā)正開展得如火如荼。然而，在大規(guī)模地下隧道建設的同時，地面建筑物分布集中，地下及地面建筑物附屬設施處理不當，地下地質環(huán)境復雜，人員車輛流通性大等問題也是影響地下施工的因素[1，2]。因此，研究周邊環(huán)境情況對地下工程建設具有重要意義。

2 工程概況

某地下隧道總體呈東西向，長約41.97 km，由2 條并行的單線隧道組成。其中，里程YAK0+000 至YAK3+000 為高架方案；YAK3+000 至YAK7+280 為地下線線路。該地下隧道巖溶主要分布于該線西段潯峰崗—大坦沙（YAK0+000~YAK7+100）。使用由德國Herrick 制造的土壓平衡盾構機進行隧道挖掘。刀頭直徑6.28 m，采用盾尾同步灌漿（砂漿）。隧道襯砌由預制鋼筋混凝土段制成，外徑為6.0 m，內徑為5.4 m。段寬為1.5 m，埋藏深度7.8~38.55 m。

3 三維有限元模型

本文選取YAK0+050~YAK7+070 段建立數值模型，該隧道所在位置存在一個實際無填充的溶洞，溶洞高度約3.5 m，水平長度約6.8 m，長度走向延隧道方向，位于隧道右下方。本數值計算模型將溶洞簡化為直徑為3.5 m，長度約6.8 m 的圓柱體空洞，與隧道的圓心距為7.25 m。由于巖溶水具有連通性，分析中不考慮空溶洞巖溶水的強度。根據數值計算經驗，土層邊界影響范圍取隧道開挖直徑的3~5 倍。如圖1 所示，Abaqus 建立的模型長為50 m，寬為20 m，高為50 m，隧道頂部距離地表10 m，直徑6 m，襯砌厚度為0.3 m。模型四周水平和豎直位移受周邊土體的存在而限制，模型底部限制水平與豎直方向的位移，地表面無約束（即自由），對整個模型添加重力作用。

由于隧道與土體通常只產生徑向壓力，很少產生摩擦，因此，隧道和土體之間的接觸使用tie 命令將兩者綁定，即讓兩者接觸點的轉角和位移保持一致，由此在土體產生變形時會對隧道產生相應的壓力，而隧道會產生相應的抗力。

巖層、土層及隧道襯砌力學參數取值如表1 所示。

圖1 溶洞在隧道側方模型圖

表1 材料物理力學參數表

4 數值結果分析

本文主要研究了隧道正側方溶洞存在對地基及地下隧道的影響。由計算結果可知，無荷載工況下的最大應力約為1 098 kPa；集中靜荷載工況下的最大應力約為1 252 kPa，較無荷載工況提升了14%；集中移動簡諧荷載工況下的最大應力約為1 362 kPa，較無荷載工況提升了24%?？梢?，溶洞在隧道正側方時，隧道作用荷載對地基應力有顯著的影響，尤其是移動簡諧荷載。

圖2 研究了溶洞在正側方時地表沉降隨荷載移動速度變化規(guī)律。隧道直徑為6 m，溶洞直徑為3 m，溶洞距隧道的距離為3 m。無量綱速度采用荷載移動速度/土體剪切波速，地表沉降隨著荷載移動速度的提升迅速增大，并在荷載移動速度/土體剪切波速約為1.0 時達到峰值130 mm，當荷載速度超過土體剪切波速后，地表沉降明顯減小。由此得出，荷載移動速度對地表沉降作用明顯。因此，溶洞位于隧道正側方時的關鍵速度即為1.0 倍的剪切波速。

圖2 溶洞在正側方時地表沉降隨荷載移動速度變化

圖3 給出了地下移動荷載作用下地表沉降隨溶洞洞徑的變化曲線，并對比了不同溶洞與隧道邊距工況，邊距從6 m 減小至1 m。隨著土洞洞徑的增加，地表移動荷載引起的地表沉降總體呈上升趨勢。溶洞與隧道邊距為6 m 時，隨著溶洞洞徑從1 m 增大至6 m，地表沉降從-18 mm 緩慢增加至-20.5 mm。但當溶洞與隧道邊距減低至1 m 時，隨著溶洞洞徑的增大，地表沉降從-20 mm 加速增加到-32 mm?？梢姡S著溶洞與隧道邊距減小，溶洞洞徑對地表沉降的影響愈加顯著。當溶洞出現(xiàn)在隧道的正上方時，可能存在以下幾方面的原因：（1）溶洞未處理時的自身穩(wěn)定性比較差，在自重應力作用下，溶洞頂部也會產生較大的沉降位移，從而增大了隧道本身引起的地表沉降；（2）地下移動荷載會引起隧道和溶洞周邊土體的擾動，會使這部分土體的初始應力狀態(tài)發(fā)生改變，從而導致地表沉降顯著增大；（3）隧道上方溶洞的存在變相增大了隧道本身的尺寸，即溶洞存在進一步削弱了隧道頂拱圍巖的整體性，使隧道拱頂土體變形剛度降低，也導致了地表沉降的增大。并且，當溶洞洞徑一定時，溶洞與隧道邊距的減小會進一步放大這些疊加效應，從而導致溶洞洞徑對地表沉降的影響愈加顯著。

圖3 溶洞在正上方時不同邊距下地表沉降隨洞徑變化

5 結語

本文基于Abaqus 有限元軟件，建立了地下移動荷載作用下的溶洞-襯砌-隧道三維耦合模型。經分析可知，地下移動荷載對地基和地下隧道的應力響應和位移響應有顯著的影響，尤其是移動簡諧荷載。地下移動荷載作用下，溶洞-襯砌-隧道體系存在關鍵速度，地表沉降隨著移動荷載速度的提升而增大，并在達到關鍵速度時沉降值最大而后迅速減小。當溶洞與隧道邊距為定值時，地下移動荷載下的地表沉降隨著溶洞洞徑的增大迅速增大，并且隨著溶洞與隧道邊距減小，溶洞洞徑對地表沉降的影響愈加顯著。