基于ZSI岩溶溶洞对基坑开挖的影响*

王孝宾，姜谙男，李兴盛，薛永峰，候拉平

(1.大连海事大学 交通运输工程学院道桥所, 辽宁 大连 116026；2.中铁一局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063004)

0 引言

由于大连位于沿海地区，丰富的地下水造成了大连不良岩溶地质的广泛分布，同时岩溶成为地下工程建设所面临的主要地质问题。在深基坑施工过程中稍有不慎就会引起岩溶溶洞塌陷、支护结构变形等灾害，严重影响工程进度和人民的财产安全。国内外学者在岩溶问题上做了大量的研究[1-4]；潘健等[5]通过定义单因素致塌概率pi，并引入伯努利试验建立岩溶塌陷概率计算模型，将广州白云区划分为5个岩溶塌陷等级分区；崔庆龙等[6]研究了岩溶区某地铁车站基坑开挖对周边环境的影响规律；周辉、张传庆[7]针对岩土体的屈服状态和破坏程度，提出了屈服接近度、破坏接近度[8-11]；马春景[12]针对隧道的稳定性，提出了用单元状态指标ZSI(Zone State Index)定量表征围岩稳定性的方法，量化岩土材料的危险程度，并将单元的不同受力状态与渗透系数变化紧密结合起来。然而，目前关于溶洞的存在对基坑及其周边环境的影响研究极少。本文运用FLAC3D软件分析溶洞不同位置对基坑开挖的影响，并运用ZSI对基坑周围土体进行单元安全度评价，得出岩溶对基坑影响的最不利位置。将此方法运用到大连地铁深基坑中，通过现场监测对处理效果进行了验证，收到了良好的效果，对解决岩溶地区基坑工程问题具有重要参考意义。

1 理论基础

1.1 ZSI理论

ZSI评价是将划分单元的土体的弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段用ZSI值表示，规定拉应力为正，压应力为负，具体推导如下。

1)弹性阶段

此阶段塑性剪切应变εps=0，塑性拉伸应变εpt=0。单元的安全状态指标由图1所示的应力状态点P来计算。当σ1≤0时，单元此时无拉应力，且处于弹性剪切状态。

图1 应力空间上应力点状态Fig.1 Stress state of a point in stress space

(1)

(2)

(3)

(4)

应力点处于屈服面上ZSI=1，应力点位于等倾线上时ZSI=+∞，表示单元达到的最安全状态。ZSI=+∞并非无限安全，而是在弹性剪切阶段处于相对最安全的状态。材料在拉伸状态下的安全性时ZSI=σt/σ1。σ1趋近于0，相对最安全状态为受拉状态，此时ZSI=+∞，此时单元也可能是剪切破坏。弹性段的ZSI表达式为：

(5)

弹性阶段ZSI∈[1，+∞)，当单元在弹性范围内时，ZSI>1，安全性随ZSI值的增大而提高，当ZSI=1时，单元开始屈服。

2)屈服阶段

(6)

材料处于拉伸屈服段时，公式如下：

(7)

(8)

3)破坏阶段

1.2 渗透系数变化

数值模拟考虑地下水作用时，基坑土体渗透率随着开挖呈显著增大趋势[13]。

渗透系数k基于Kozeny-Carman公式表达式为[14]：

(9)

其中孔隙度的演化方程为：

(10)

式中：n0为初始孔隙度；εv是体积应变；k0是初始渗透系数，m/d。ξ,ξ′表示突跳系数取决于岩体性质，由试验给出。

2 溶洞位置对基坑稳定性影响分析

2.1 建立模型

根据大连地区岩溶广泛分布的状况，建立数值模型，模型中基坑开挖深度21 m，宽24 m，围护结构采用钻孔灌注咬合桩+内支撑体系。基坑开挖的影响范围约为2～3倍，为了方便计算，故本文选取计算模型的尺寸为144 mm×120 mm×80 mm，计算模型共有184 566个节点，174 000个单元，三维数值模型选取基坑一半显示，根据基坑的变形规律及影响范围，分别将模型的X方向和Y方向进行侧向约束，模型底面为水平垂直三向约束边界，表面为自由边界。

2.2 支护结构模拟

本次计算中，基坑支护的临时横撑采用钢管桩的方式，在计算中钢支撑采用beam单元进行模拟，梁单元的定义通过几何形状和材料性质来定义。围护桩和衬砌分别采用pile单元和liner单元来模拟。如图2所示。

图2 基坑支护结构Fig.2 Foundation pit supporting structure

2.3 本构模型及计算参数

选取大连地铁深基坑所处地层参数，围护结构钻孔桩主要穿越地层自上而下依次是：杂填土，厚度为8 m；淤泥质粉质粘土，厚度为2 m；粉质粘土，厚度为4 m；强风化白云岩，厚度为6 m；中风化白云岩，厚度为7 m。底板处于中风化白云岩，具体参数见表1。

表1 土层参数信息Table 1 Soil parameter information table

2.4 模拟方案及模型图

基坑两侧各选取3倍影响范围[14]，模型高为开挖深度的4倍，尺寸为144 mm×120 mm×80 mm。分别模拟无溶洞状况下、溶洞位于被动区、溶洞位于主动区以及溶洞位于过渡区时对基坑开挖的影响，溶洞形状简化为圆形，为充水型溶洞，溶洞洞径选取4 m，截取基坑模型中心显示。考虑到溶洞与围护桩的等距离和建立模型的方便，在主动区和过渡区时，溶洞水平距离基坑侧壁都选取为8 m。而在被动区时，溶洞位于基坑正下方垂直距离基坑底面8 m。具体位置选取如图3所示，相应的模型如图4所示。

图3 建模方案Fig.3 Modeling scheme diagram

图4 数值模型Fig.4 Numerical model

3 数值模拟结果分析

3.1 基坑水平位移

1)基坑水平变形

为了更清晰的反映不同岩溶位置对基坑变形的影响，在沿基坑支护墙体y=30 m处每隔2 m选取1个监测点记录地表沉降值，同时沿支护墙体y=30 m向下每隔2 m取1个侧壁水平监测点记录基坑水平位移。图5为基坑在不同岩溶位置下侧向变形曲线，由曲线很直观的看出当溶洞位置位于基坑被动区时对基坑侧壁水平位移影响最大，最大水平位移达到33.15 mm；其次是岩溶位于过渡区时最大水平位移达到24.4 mm；最后是岩溶位于主动区时最大水平位移达到16.49 mm。

图5 基坑侧墙变形曲线Fig.5 Deformation curve of foundation pit side wall

2)基坑地表沉降

图6为不同岩溶位置对应的基坑周围土体地表沉降曲线，由图6可以看出，对于基坑地表沉降影响最大的为岩溶位于被动区，此时最大沉降值达到17.92 mm；其次是过渡区最大沉降值为12.06 mm；影响最小的为岩溶位于主动区时，最大沉降值达到10.89 mm。

图6 基坑地表沉降变形曲线Fig.6 Surface settlement deformation curve of foundation pit

综上，不同岩溶位置对基坑变形的影响分析可以得出，当岩溶位于基坑被动区时对基坑稳定性影响最大，过渡区和主动区影响依次减小。

3.2 单元安全度指标分析

为了分析不同岩溶位置下基坑周围土体的破坏状态及扩张趋势，沿基坑y=30 m剖切面，作出溶洞及基坑周围土体的ZSI等值线图，如图7所示。根据ZSI理论得出，4种工况下，ZSI<0的区域(破坏区)均集中在靠近基坑支护结构的两侧。由基坑周围土体的破坏状态可以发现，当岩溶位于基坑被动区时，基坑周围土体破坏区面积要比其他3种工况下大，且ZSI值也要比其他3种工况小的多，为-12；其次是岩溶位置在基坑过渡区；影响最小的为岩溶位于基坑主动区。基坑开挖最稳定的是无溶洞状态下，此时ZSI最小值为-2.1。对于岩溶溶洞位于基坑被动区施工时，为了保证基坑开挖顺利进行，开挖前要采取注浆处理。

图7 不同岩溶位置下基坑ZSI分布Fig.7 ZSI distribution of foundation pits at different karst locations

3.3 基坑渗透特性分析

图8为基坑不同溶洞位置对应的渗透系数等值线，基坑支护采用咬合桩，具有较强挡水性，阻挡坑两侧水向基坑内部流动，地下水绕过支护桩体从基坑下部涌入基坑内。同时由于基坑开挖完成后两侧土体出现破坏区域(ZSI<0)和屈服区域(0≤ZSI<1)，此时渗透系数[15]也会出现增大。由图8可以看出，当有溶洞的工况下，基坑周围未破坏土体渗透性都出现增大现象，且较无溶洞工况下未破坏土体渗透系数增大一个数量级，且破坏区区域渗透系数也比无溶洞工况大，因此充水溶洞影响基坑开挖稳定性，基坑开挖过程中也要做好降水处理。

3.4 处理措施

工程中对于溶洞的处理无外乎是采用填充注浆的方法。由于溶洞位于被动区严重影响基坑开挖稳定性，因此对于位于被动区溶洞采用泵送混凝土进行填充，混凝土强度为C15。图9和图10分别为被动区溶洞注浆得到的水平位移和地表沉降曲线图。由图9～10可以看出，注浆后地表沉降最大值明显减小达到10.69 mm，相比没注浆之前减小了40.3%；基坑周围土体水平侧移值达到18.09 mm，相比没注浆开挖减小了45.43%。因此得出注浆可以有效控制岩溶溶洞位于被动区基坑稳定性。

图11和图12分别为基坑开挖过程中基坑周围土体塑性区和对应的ZSI等值线图。可以看出，基坑开挖完成后塑性区以及破坏区(ZSI<0)土体主要集中在基坑围护结构两侧。对比图12和图7(b)可以明显看出，注浆后基坑周围土体ZSI<0的区域明显减小且ZSI值增大明显，说明当岩溶溶洞位于被动区时，开挖前注浆能有效控制基坑周围土体的破坏。

图9 注浆后基坑水平位移Fig.9 Horizontal displacement of foundation pit after grouting

图10 注浆后基坑地表沉降值Fig.10 Surface settlement value of foundation pit after grouting

图11 注浆后基坑周围土体塑性区分布Fig.11 Layout of plasticity of soil around foundation pit after grouting

图12 注浆后基坑开挖ZSI分布Fig.12 ZSI distribution diagram of foundation pit excavation after grouting

4 结论

1)对不同岩溶溶洞位置下基坑开挖，同时运用ZSI分析周围土体破坏状况，计算结果得出，当溶洞位于基坑被动区时基坑周围土体破坏区面积(ZSI<0)最大，过渡区和主动区依次递减。

2)当溶洞位于被动区时采取注浆填充 ，由计算结果得出，注浆后能有效控制基坑开挖稳定性，说明对位于基坑被动区溶洞采用注浆处理是实际可行的。

3)溶洞开挖完成后周围土体破坏区域与渗透系数突跳区域相对应，计算结果得出，有溶洞工况下基坑开挖完成后基坑周围未破坏土体渗透系数较无溶洞工况下增大一个数量级，且破坏区域渗透系数也出现增大现象。