隐伏溶洞分布状态对地铁车站深基坑稳定性的影响

唐磊

（中铁北京工程局集团有限公司，北京 102308）

0 引言

隐伏岩溶地层由于溶洞尺寸大小与分布形式的随机性，往往给邻近基坑支（围）护结构与基坑整体安全带来严重威胁[1-2]。基坑开挖造成施工区域局部地应力突变，其邻近溶洞周围区域必然积累大量应变，溶洞尺寸越大，距离基坑越近，其影响区域越大，局部应变积累程度越显著，甚至出现于基坑贯通的塑性应变带[3]。众所周知，基坑周围土体的塑性应变对基坑安全、稳定起着决定作用。目前，针对不同地层各类基坑的施工响应研究较多[4-5]，分析了土体开挖与施工扰动作用下基坑周围土体应力应变发展规律，揭示了岩溶地层溶洞诱发塑性应变累积机理。但关于溶洞尺寸与分布状态对邻近塑性应变演化规律的影响研究较少，未建立岩溶情况与基坑安全评估之间的关系。

另外，针对隐伏溶洞对隧道安全的研究较多，但关于溶洞群与基坑整体稳定的研究尚少，而大量工程事故已表明，岩溶地层溶洞尺寸与分布对基坑安全具有重要影响。本文采用有限元方法，对比不同岩溶条件（溶洞尺寸与分布）下基坑开挖的安全系数，结合溶洞条件下塑性区范围与发展程度，综合分析溶洞群与岩溶地层地铁深基坑可靠性之间的关系，揭示岩溶地层基坑失稳机理，为该地层基坑工程的设计优化与安全施工提供必要的理论依据。

1 工程概况

农学院站位于清溪路与学士路T字交叉口以南，沿清溪路南北方向敷设站位。车站采用两层地下岛式站台车站形式，有效站台宽度11m，于大里程端设区间人防隔断门。本站设降压变电所，为信号集中站。车站中心里程YDK12+107.465。车站主体总外包长度466.6m，标准段外包宽度19.9m，基坑深度约16.3～22.02m，覆土厚度约为1.53～4.59m，现状地面标高1 115.65m～1 118.56m，地面纵向最大高差达2.91m。设计包括车站主体（含物业开发）、车站附属（含出入口、风亭、安全出口）的结构初步设计。

表1 车站设计参数

车站北接花溪公园站，南接明珠大道站，东临金世旗楠苑，西临南乔紫苑、博士花园，车站两端头设置盾构工作井，均为盾构始发井，车站平面位置如图1所示。

图1 农学院站平面图

根据3 号线地质初勘、详勘报告，共计钻孔1 455个，发现溶洞的钻孔143 个，发现溶洞有198 个，见洞率为13.6%；结合1、2号线工程建设实际情况，仍然会有一部分溶洞尚未探明。采用可靠的手段对溶洞进行精确探测和妥善处理，确保基坑的顺利施工是本项目的难点。沿线岩溶发育，岩溶的精确探测和妥善处理技术难度大，且施工范围地质主要为主要以白云岩、泥质白云岩等可溶性碳酸盐为主，地下水较丰富，可能存在未探明地下岩溶；本车站采用半幅盖挖顺作法施工时，抽降地下水可能造成地面塌陷，车站围护结构施工时可能导致溶洞填充物的流失，诱发造成地面塌陷。

2 有限元模拟

地铁车站基坑作为一种典型的深基坑工程，其土方施工要求分层开挖，随挖随支。一般当基坑开挖至基底设计标高后，未施作底板且横撑未架设前，整个支（围）护体系的局部应力应变达到峰值，亦是结构施工变形最明显阶段[4]。本研究以贵阳地铁三号线贵州农业大学站基坑工程为背景，通过调整溶洞尺寸与距基坑边沿（地连墙）距离的方法，分析溶洞参数改变对基坑安全的影响规律。已知，该基坑地连墙后腰部存在大量可探明溶洞，其中最大尺寸为1.2m，最小尺寸为0.4m，最近距离为1.1m。基于此，本次有限元建模的溶洞尺寸与位置参数设置见表2。

表2 邻近基坑溶洞尺寸与位置参数设置情况

地铁车站基坑模型邻近溶洞参数按照表2设置。由于该基坑较长，可视为平面应变问题，采用二维模型即可。围岩与地连墙采用循环法划分网格，单元尺寸为0.25m，溶洞周围与邻近地连墙区域网格加密（见图2），单元尺寸为0.05m，地连墙-土体接触截面采用半弹性连接。主要材料参数见表3所示。

图2 基坑地连墙后溶洞有限元模型

表3 材料参数统计表

考虑溶洞邻近基坑造成局部应力突变，会导致塑性应变发生累积，因此分析采用非线性分析基坑最危险工况下的整体应力应变状态。

建立有限元模型前，需对该基坑条件进行假设、简化以及等效处理。针对本文所研究的主要问题，为模拟实际工程中复杂的岩土环境下，需要进行一定合理的假设：

（1）不考虑溶洞中填充体的强度，对溶洞简化为单个球体形状的空洞研究它对支护结构、中立柱的影响。

（3）基坑变形模拟分析中不考虑止水帷幕ϕ850@1400旋喷桩的强度影响，只考虑其止水作用。

（4）使用修正的摩尔-库伦弹塑性模型作为上覆土层及溶洞所在岩层的本构模型，使用线弹性模型对支护桩等结构构件进行模拟，钻孔灌注桩与地下连续墙受力几乎相同为了简化模型支护结构替换成地下连续墙。

（5）每层土体均为各向同性体。

数值模型设置的边界条件：在端头井三侧水平边界上约束其水平向位移，对模型的底部三个方向上设置固定约束，设置模型上表面为自由面，竖向格构柱、立柱桩设置抗扭转约束，提高数值计算收敛性。在地面范围设置均布超载20kPa。

模型计算简化为3个步骤，具体施工如下：

第一步：对模型设置的土层单元全部进行激活，同时土层开始具有初始应力，然后对初始地应力产生的沉降位移进行清除；

第二步：对溶洞进行钝化，模拟溶洞存在的情况下地应力特点；

第三步：对支护结构单元进行激活，并进行施工模拟[6]。

3 邻近溶洞塑性区发展规律

按照表2 所确定的各尺寸溶洞群与基坑在不同距离，开展基坑在各类工况下的开挖影响区响应结果，结果显示，溶洞大小（d）与距基坑最小距离（D）均对溶洞影响区内塑性应变累积水平产生影响，溶洞自身尺寸越大，越接近基坑，其周围塑性应变的累积程度越显著。

将溶洞尺寸与其距基坑最小距离统一化，得到溶洞尺寸与空间状态表征参数，如式（1）所示。

式（1）中：K为溶洞状态参数；d为溶洞尺寸；D为溶洞与基坑最小间距。

溶洞塑性区贯穿地连墙程度可利用塑性区沿地连墙纵向长度表示，通过测量可得到不同工况下塑性区延伸地连墙区域的纵向长度（L），其随溶洞状态参数K的变化关系见图3。

图3 溶洞状态参数K与塑性区沿地连墙纵向长度L的关系

由图3 可知，当溶洞状态参数K（=d/D）小于0.3时，溶洞作用下的土体塑性应变区无法贯通接触地连墙，即溶洞此时对基坑开挖无任何影响。当溶洞状态参数K大于0.3，溶洞存在对基坑安全施工产生一定影响。

4 邻近溶洞群基坑开挖的稳定性

为明确溶洞周围塑性区贯通至基坑范围时，其存在对基坑施工的实际影响程度，可采用基坑安全系数进行分析。根据各工况基坑施工的有限元分析结果，得到各类溶洞状态参数下的基坑稳定系数。溶洞状态参数与基坑整体安全系数关系见图4。

图4 溶洞状态参数与基坑整体安全系数关系

由图4 可见，当溶洞状态参数K大于0.58 时，基坑整体安全系数Ks将小于1.3，此时基坑邻近溶洞对基坑的施工安全构成严重威胁，该溶洞状态参数下，溶洞周围塑性区延伸地连墙区域的纵向长度已达1.5m 左右，虽然塑性变形已显著贯通至基坑区域，但其对基坑施工安全的影响刚刚达到临界状态。因此，利用溶洞状态参数可准确实现对基坑整体安全的有效评估。

5 结论

针对岩溶地层地铁深基坑整体安全影响因素多，评估难等问题，本文以溶洞尺寸与距基坑距离为主要参数，利用有限元方法，分析不同溶洞状态对基坑塑性区贯穿程度、贯穿长度以及基坑整体安全系数的影响，揭示岩溶地层溶洞状态参数对基坑稳定性影响的变化规律。主要结论如下：

（1）溶洞大小（d）与距基坑最小距离（D）均对溶洞影响区内塑性应变累积水平产生影响，溶洞自身尺寸越大，越邻近基坑，其周围塑性应变的累积程度越显著。

（2）当溶洞状态参数K（=d/D）小于0.3 时，溶洞作用下的土体塑性应变区无法贯通接触地连墙，即溶洞此时对基坑开挖无任何影响。当溶洞状态参数K大于0.3，溶洞存在对基坑安全施工产生一定影响。

（3）当溶洞状态参数K大于0.58时，基坑整体安全系数Ks将小于1.3，此时基坑邻近溶洞对基坑的施工安全构成严重威胁。