章 暉，俞 偉，葉 武

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122）

巖溶屬于工程不良地質(zhì)，在中國廣泛分布，對地鐵隧道等地下工程的安全施工和運(yùn)營帶來很大挑戰(zhàn)[1-2]。相關(guān)學(xué)者對在巖溶地區(qū)進(jìn)行工程開挖的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，如方宇超等[3]利用ABAQUS軟件研究了近接溶洞位置對隧道穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)隧道拱腰和溶洞空腔接觸段所受應(yīng)力較大；陳峰等[4]利用FLAC3D軟件研究了溶洞直徑、埋深和內(nèi)承壓水頭對深基坑開挖穩(wěn)定性的影響；崔慶龍等[5]以廣州地鐵9號線為例，研究了巖溶地層基坑開挖對周圍環(huán)境的影響。關(guān)于巖溶分布對基坑開挖穩(wěn)定性的影響，大多數(shù)研究對溶洞形狀及其與基坑相對位置的設(shè)置過于簡單。

本文依托杭州市臨安青山湖“橋、隧、廳”工程湖底隧道段，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，分析灰?guī)r地層溶洞對隧道基坑穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出安全處置隧道基坑過程溶洞區(qū)的措施，確保隧道順利穿越該不良地質(zhì)區(qū)。

1 工程概況

臨安青山湖“橋、隧、廳”工程湖底隧道南北穿越青山湖，全長1.575 km。其中隧道南段下部灰?guī)r地層為溶洞發(fā)育區(qū)。隧道穿越大型巖溶區(qū)面臨著地層承載力不足、處置困難等問題，處置不當(dāng)有可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、沉降超限等工程安全和質(zhì)量問題。為有效應(yīng)對湖底溶洞帶來的工程問題，需要開展灰?guī)r地層溶洞對隧道基坑穩(wěn)定性影響的專項(xiàng)研究，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的處置措施。

采用明挖順作法施工，采用鉆孔灌注樁圍護(hù)，基坑整體開挖深度為2.0～15.5 m，整體開挖寬度為27.1～28.4 m。內(nèi)支撐擬采用“鋼筋混凝土+鋼支撐”?；又饕┰剿靥钔痢⒂倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖等地層。主要土層的參數(shù)如表1所示。

表1 土層劃分及其相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為了研究湖底溶洞對隧道基坑開挖穩(wěn)定性的影響，建立“地層-溶洞-基坑-擋墻-支撐”二維系統(tǒng)模型。基坑尺寸設(shè)計(jì)為10 m×30 m（深×寬）。為提高模擬精度和效率，將基坑灌注樁圍護(hù)處理為擋墻結(jié)構(gòu)，高14 m、厚0.6 m。對擋墻與基坑采用有限滑移接觸分析，法向采用硬接觸，切向采用庫倫摩擦（摩擦系數(shù)0.3）。擋墻與支撐參數(shù)如表2所示。模型邊界條件為：側(cè)面約束水平方向位移、底面約束水平和豎直方向位移、頂面不約束。

表2 各部件參數(shù)表

2.2 開挖方案

分層開挖深基坑，設(shè)置3道支撐，先撐后挖。模擬分析步設(shè)置如表3所示。

表3 基坑開挖及支撐分析步設(shè)置

2.3 數(shù)值試驗(yàn)

本文主要研究不同位置的溶洞對基坑和基坑支護(hù)穩(wěn)定性的影響，在被動區(qū)、過渡區(qū)和主動區(qū)分別設(shè)計(jì)2個溶洞，溶洞編號為1—6，直徑為4 m，距基坑底部2 m（溶洞位置如圖1所示）。溶洞2、3、6外邊緣距離基坑擋墻最近距離為1 m。對基坑進(jìn)行開挖和支護(hù)，開挖后獲取基坑底部的變形位移情況。為了研究注漿填充對控制溶洞影響的效果，另設(shè)計(jì)2個數(shù)值試驗(yàn)，分別對溶洞1和溶洞2采用C20混凝土進(jìn)行填充處理，然后對基坑進(jìn)行開挖，并獲取坑底的變形曲線。

圖1 溶洞位置示意圖

3 結(jié)果分析

不同位置溶洞影響下基坑開挖后底部位移如圖2所示。從圖中可明顯看出，基坑開挖導(dǎo)致基坑底部隆起。溶洞位于被動區(qū)時（溶洞1、溶洞2），對基坑穩(wěn)定性影響最大。溶洞1處坑底變形呈對稱分布，基坑底部中間段（溶洞正上方區(qū)域）隆起最為嚴(yán)重，15 m處隆起高度達(dá)23.52 mm，向兩側(cè)高度逐漸減少至8.35 mm。溶洞2處坑底變形不再呈對稱分布，最大隆起發(fā)生在7.5 mm處，高度為21.50 mm。左端點(diǎn)隆起高度最低，為1.96 mm；右端點(diǎn)隆起高度為8.51 mm。在溶洞3、4、5、6處，基坑底部隆起差異不大，基本呈對稱分布。以溶洞3為例，基坑中部隆起高度最高，為18.19 mm；向兩側(cè)對稱減小，左端點(diǎn)隆起高度為7.66 mm、右端點(diǎn)隆起高度為8.11 mm。由結(jié)果可知，溶洞的存在會導(dǎo)致基坑底部隆起加劇，且對基坑底部變形影響較大的溶洞位置位于基坑底部的被動區(qū)內(nèi)。且溶洞越靠近基底中部，影響越大。要重視此區(qū)域內(nèi)的溶洞對基坑底部穩(wěn)定性的影響。

圖2 不同位置溶洞影響下基坑開挖后底部位移圖

為溶洞1和溶洞2先注漿后進(jìn)行基坑開挖時，基坑開挖10 m深度后基坑底部位移如圖3所示。對溶洞進(jìn)行注漿后，基坑底部隆起均有所減小。為溶洞1注漿時，溶洞上方區(qū)域的基坑隆起明顯減小，甚至比兩側(cè)隆起高度要低。15 m處隆起高度為15.16 mm；10 m和20 m處隆起高度最高，為15.51 mm；兩端隆起高度最小，為6.52 mm；相比未注漿時，基坑底部隆起高度明顯減?。ㄎ醋{時坑底最大隆起高度為23.52 mm）。對溶洞2注漿時，基坑底部隆起曲線明顯不同于未注漿時，此時呈現(xiàn)明顯的對稱性。中部15 m處隆起高度最高，為16.69 mm；向兩端逐漸減小至6.40 mm，相比于未注漿時，基層底部隆起高度也明顯減小（未注漿時坑底最大隆起高度為21.50 mm）。以上結(jié)果表明，注漿填充可以有效地減小坑底灰?guī)r溶洞對基坑穩(wěn)定性的影響。采用C20混凝土即可取得理想效果。

圖3 位置1、位置2溶洞注漿后基坑底部位移圖

4 結(jié)論

針對灰?guī)r地層不同位置溶洞對隧道基坑穩(wěn)定性的影響，采用ABAQUS有限元軟件建立了“地上土體-地下土地-管線-基坑圍護(hù)墻-圍護(hù)支撐”的系統(tǒng)模型，研究了基底不同位置溶洞對基坑底部隆起變形的影響規(guī)律，探究了注漿加固對控制溶洞影響的效果。具體結(jié)論如下：①溶洞的存在導(dǎo)致基坑底部隆起加劇，不同位置溶洞會對基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同影響。②對基坑底部變形影響較大的溶洞位于基坑底部的被動區(qū)內(nèi)，且溶洞越靠近基底中部，影響越大。相同尺寸和形狀的溶洞位于基坑底部中間部位時，坑底最大隆起高度達(dá)23.52 mm，而過渡區(qū)和主動區(qū)中溶洞引起的坑底最大隆起高度只有18.19 mm。③基坑開挖前對坑底下部的溶洞進(jìn)行注漿填充可以有效降低由開挖引起的坑底隆起。對于此工程，采用C20混凝土注漿即可達(dá)到較好的效果。