（岩土工程专业论文）溶洞对地铁隧道结构力学特性及围岩压力影响的研究.pdf

摘要 近年来，随着诚市地铁建设规模不断加大，在岩溶区修建地铁 隧道己不鲜见。因此，研究岩溶区溶洞和土洞对地铁隧道稳定性的 影响就显得尤为重要。广州市正在建设的轨道交通二号线北延段、 三号线机场段、五号线、六号线和广佛线等均穿过石灰岩分布区域。 沿线岩溶十分发育。论文以广州市轨道交通沿线岩溶地质处理为研 究背景，结合地质调查资料，采用大型室内相似模拟试验以及三维 有限元数值模拟分析为研究手段，对地铁隧道周边溶洞和土洞对地 铁隧道的影响进行了专门的研究。 ( 1 ) 根据相似材料选取的原则，结合工程实际情况，通过一系列 的配比试验，以最大限度满足相似判据为准则，最终确定此次室内 模拟试验的相似模拟材料。 ( 2 ) 进行大比尺室内模型试验，研究隧道周边不同位置、不同大 小的溶洞和土洞对隧道衬砌结构应变、稳定性、隧道上覆土层沉降 及隧道周围土压力的影响。 ( 3 ) 采用m i d a s g t s 有限元分析软件，建立三维有限元模型， 对隧道周边不同位置、不同大小的溶洞和土洞进行数值模拟。得到 不同溶、土洞存在条件下的衬砌应力变化情况和隧道上覆土层的沉 降变化情况，并与模型试验结果进行对比。 ( 4 ) 通过数值模拟，对隧道周边溶洞和土洞的处理范围提出建 议。 关键词：岩溶，相似材料，模型试验，数值模拟，盾构隧道 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u b w a yc o n s t r u c t i o n ， i ti si n e v i t a b l et oc o n s t r u c ts u b w a yi nk a r s tr e g i o n s s oi ti s e x i g e n tt o r e s e a r c ht h ei n f l u e n c e so fk a r s tc a v e sa n ds o i lc a v e so nt h es t a b i l i t yo f s u b w a yt u n n e li nk a r s tr e g i o n s g u a n g z h o ui sc o n s t r u c t i n gr a i lt r a n s i t c o s m i c a l l y t h en o r t ho fs u b w a yl i n en o 2 、a e r o d r o m el i n eo fs u b w a y l i n en o 3 、s u b w a yl i n en o 5 、s u b w a yl i n en o 6a n dt h es u b w a yl i n e b e t w e e ng u a n g z h o ua n d f o s h a na l lt h r i l l t h r o u g ht h er e g i o n o f l i m e s t o n e t h e r ea r em a n yk a r s tc a v e sa n ds o i lc a v e s b a s e do nt h e d i s p o s a lo fk a r s ta l o n gg u a n g z h o ur a i lt r a n s i t ，t h i sp a p e ru s e sf e ma n d s i m i l a rm o d e lt e s ta st h er e s e a r c hm e a n st os t u d yt h ei n f l u e n c e so fk a r s t c a v e sa n ds o ilc a v e so nt h es u b w a yt u n n e l ( 1 ) b a s eo nt h er u l eo fs i m i l a rm a t e r i a la n dt h ef a c t o ft h et e s t 。i s e l e c tt h es i m i l a rm a t e r i a lo ft h er o c ka n ds o i lp r e l i m i n a r y a n dc h o o s e t h es i m i l a rm a t e r i a lo ft h et e s t u l t i m a t e l yw h i c hm e e t i n gt h es i m i l a r c r i t e r i o nm a x i m u m ( 2 ) p r o g r e s s i n gi n d o o rm o d e lt e s tw i t hl a r g ep r o p o r t i o n s t u d y i n g t h ei n f l u e n c e so fk a r s tc a v e sa n ds o i lc a v e si nd i f f e r e n tl o c a t i o na n d d i f f e r e n ts i z e ，o nt h es t r a i no fs e g m e n tl i n i n g 、t h es t a b i l i t yo fs e g m e n t l i n i n g 、t h es e t t l e m e n to fs o i la b o v et h es u b w a yt u n n e la n dt h es o i lp r e s s a r o u n dt h es u b w a yt u n n e l ( 3 ) a d o p t i n g d a s - g t ss o f t w a r e t oe s t a b l i s h3 dm o d e l s i m u l a t i n gt h ek a r s tc a v e sa n ds o i lc a v e sw h i c hi nd i f f e r e n tl o c a t i o na n d d i f f e r e n ts i z e s t u d y i n gt h ec h a n g eo ft h es t r a i no fs e g m e n tl i n i n g 、t h e s e t t l e m e n to fs o i la b o v et h es u b w a yt u n n e l t h e nc o m p a r i n gt l l et e s t r e s u l t sw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ( 4 ) a c c o r d i n g t ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，g i v i n gap r o p o s a l f o rt h es c o p eo ft h ek a r s tc a v e sa n ds o i lc a v e st h a tn e e db ed i s p o s e d k e y w o r d s ：k a r s t ，s i m i l a rm a t e r i a l ，m o d e lt e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， s h i e l dt u n n e l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：毕年上月鱼日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名： 年 ， 导师签名凇垒豳日期：益豳l 年上月鱼日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的意义与选题依据 地下空间作为一种新资源的开发和利用，已经成为当今世界许多国家工程 建设发展的新趋势。广州市轨道交通是解决广州市交通问题的重要手段，对引 导城市布局的合理发展，创造新的经济增长点和就业机会，进一步巩固和发展 广州作为华南地区中心城市的地位和作用，具有重要意义。然而，广州是地下 岩溶发育区，特别是广州市西北部，各种地下岩溶深浅不一、大小不同、形态 各异，给工程建设带来了威胁和危害，不仅增加了建筑的投资，还严重影响着 工程建设的正常运行和建筑物的安全使用。此外，地下岩溶不但给工程活动造 成了困难，反过来，工程活动( 如抽取地下水、爆破等) 又会产生新的岩溶问题。 广州市轨道交通二号线北延段、三号线机场线、五号线、六号线和广佛线 均穿过石灰岩分布区域，沿线地下水丰富，岩溶洞穴十分发育。岩溶规模之大 在我国城市轨道交通建设史上尚属首次，在国外也极为罕见。在长沙、南宁、 武汉等城市轨道交通建设中也存在着同样的岩溶问题。 当轨道交通穿过岩溶地区时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌；有的溶 洞位于地铁底部，充填物松软且深，如果处理不当，就会引发盾构机塌落、影 响掘进；有时会遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥砂夹水大量涌入作业面，引 发围岩坍塌，导致地表开裂下沉。目前针对隧道穿过岩溶区时的处理方法有很 多，包括设计方面和施工方面。但是地铁隧道中，针对不同大小、不同尺寸的 溶洞对隧道结构面及隧道周边土压力的影响的研究，还比较少。因此，本选题 结合湖南省自然科学基金资助项目( 0 7 j j 31 0 4 ) 一城市地铁岩溶地基稳定性分析 及岩溶处治新技术研究，结合广州市轨道交通的具体地质条件，研究溶洞的存 在对隧道结构稳定、盾构管片、地表沉降的影响，为地铁设计与施工提供参考 数据，对于保证广州市轨道交通建设的顺利进行与圆满完成，具有十分重要的 意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩溶处理研究现状及水平 大量通过岩溶区公路、铁路、地铁隧道的修建使得岩溶处理越来越重要。 近年来，国内外学者对岩溶的处治也进行了大量的研究。 1 2 1 1 勘察设计时对岩溶的考虑 硕十学位论文第一章绪论 2 0 0 5 年方燎原n 1 对岩溶区地铁的勘察设计提出，在岩溶地区的地铁勘察中， 一般采用综合勘察手段，即物探、钻探、原位测试、室内试验等多种勘察手段， 不同方法取得的成果相互印证。一般的说物探可以指导钻探工作，但受地面条 件、城市条件的限制，同时物探具有多解性。 在岩溶地区地铁设计中，由于岩溶对地下线的影响极大，在规划条件和地 面条件许可的情况下，尽可能采用地面线和高架线。如果确实需要采用地下线， 采用周详的工程措旌，隔离岩溶水，如采用冷冻法，高压注浆等。隧道底板下 有溶洞分布时，采取灌浆和结构措施处理，穿过溶洞地段先进行灌浆止水再开 挖；在工程施工时防止对周边建筑物及附近道路设施带来不利影响。 对于地面线，在土洞发育地段施工前应对土洞进行振塌或填灌处理，避免 施工过程中因加载和振动作用产生地面塌陷。 对于高架线路，根据溶洞具体位置对桩位和桥跨进行合理调整，桩位布置 尽量避开溶洞布置。 1 2 1 2 施工中岩溶的处理 2 0 0 2 年李治国心1 根据国内大量岩溶隧道施工经验和运营过程中出现的问 题，并参照国内、外有关岩溶水处理的文献资料，提出岩溶水处理应遵循以疏 为主、堵排结合、因地制宜、综合治理的原则。 以疏为主，就是尽量不改变岩溶水的径流和渗流路径，保持地下水的原 始循环和贮存状态，从而减少地下水的流失，保证施工、结构和环境安全，达 到建设绿色环保工程的目标。 堵排结合，就是根据隧道内涌水量大小、所含泥砂程度，并考虑对隧道 运营安全和环境的影响，将堵水和排水结合起来，决定治理方案。 因地制宜，综合治理，就是根据隧道所处的工程地质和水文地质条件及 周围环境条件，采取多种方法进行综合治理。 放水减压方法。如岩溶水是从坚硬、完整的基岩中流出，几乎不含泥砂， 且水量、水压均不大，并能够确定溶洞水排放对周围环境和隧道结构安全不会 造成太大的影响，可采用掌子面直接排放或平行导坑、排水洞、横洞、迂回导 坑排水等方法进行放水减压。 对于溶洞的处理，常用的有以下方法嗍。 全断面注浆封堵方法。如果溶洞规模较大，内部填充了大量的泥砂，且 含有丰富的地下水，一旦揭穿，可能发生大规律的突水、突泥，则应采用全断 面预注浆加固的方法。 置换注浆方法。如掌子面为含水的粉细砂或致密的粘土，砂粘土，采用 渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆都十分困难时，可采用置换注浆法。 2 硕十学托论文 第一章绪论 填充封闭。如隧道拱部、边墙或底部存在小型千溶洞或空腔，内部几乎 无充填物、无水，可采用砂石料、浆砌片石、干砌片石、水泥砂浆、混凝土等 轭细骨料全部充填，必要时可进行注浆加固。 基底处理。如隧道底部为松散或软塑状的粘土或砂粘土沉积物，为了防 止列车运行过程中结构产生固结沉降，应加强对基底的处理，隧道底部的处理 可采用注浆加固、换填、桩基等方法。 地面注浆方 去。如隧道埋深不太大，一般应小于1 0 0 m ，并且通过地表钻 孔、水化学分析、连通试验、地面沉降和地下水位变化观测等手段，确定了溶 管或溶洞的位置和方向，如岩溶发育情况比较简单，可通过地面局部注浆、帷 幕注浆等方法阻断岩溶水下渗的通道并对地层进行加固保证隧道丌挖不受岩 溶的影响。 l e im ，j i a n gx ，y ul ( 2 0 0 2 ) 1 和w a l t h a mac ，f o o k c sp g 2 0 0 3 ) 懵1 提到了 隧道施工过程中可能遇到的岩溶水的侵袭：岩溶洞穴对工程稳定性的影响：松 软堆积物的坍塌；岩溶区覆盖层大i l j j 积的塌陷等问题。并提出了岩溶的处理原 则。 1 2 2 地下工程室内模型实验研究现状及水平 相似模拟实验研究是一种重要的科学研究手段，是在实验室按相似原理制 作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力学参数及其分布规律利用 在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩土压力分布 的规律，从而解决岩土工程生产中的实际问题。这种研究方法具有直观、简便、 经济、快速以及实验周期短等优点。而且能够根据需要，通过固定某些参数， 改变另一些参数来研究隧道圈岩应力和衬砌受力在空间与时问上的分布规律和 变化情况以及某些参数对岩土体压力的影响。这在现场条件下是难以实现的。 各种科研问题的研究方法，通常有理论分析、实际观测与模拟实验兰种。 模拟实验与前两种研究方法相比，其优点是可人为控制和改变实验条件，从而 可确定单因素或多因素对比研究问题影响的规律，实验效应直观清楚、实验周 期短、见效快、费用低。2 0 世纪6 0 年代以来，模拟实验被我国广泛应用于水 利、采矿、地质、铁道以及岩土工程等部门。并取得了显著的技术成就和经济 效益。相似材料模拟已成为国内外进行重大岩土工程可行性研究最主要的方法 之一。 相似模拟实验是以相似理论、因次分析为依据的实验研究方法。是2 0 世纪 3 0 年代由苏联库兹涅佐夫提出的，并在苏联矿山测量和煤炭研究院等应用。随 后在德国、波兰、日本、澳大利亚已经美国等国家也得到广泛应用。发展至今 已成为国外工程界的一种重要研究手段。 3 硕士学位论文第一章绪论 我国1 9 5 8 年率先在北京矿业学院( 现中国矿业大学) 的矿压实验室建立了 相似模型实验架，并逐步扩大到煤炭科学研究院、备煤炭高校及土木工程界。 在矿业系统，当时主要利用平面应力相似模拟实验为主，通过平面应力模拟实 验架重点从宏观及定性的角度来研究矿山开采过程中上覆岩层的移动规律，开 采过程同岩层移动的相互关系等。在水利水电建设上，水利部门为葛洲坝水库 的建设进行了相似模拟研究，建筑系统也采用模拟实验方法研究了上海黄浦江 边的高层建筑受台风的影响。对于实际处于三向应力状态的研究对象一岩体， 通过适当的简化常把有关问题简化成平面问题来处理往往无法达到“仿真的 目的。因此，应采用立体模拟实验较为可靠，研究结果较接近真实，于是进入 2 0 世纪7 0 年代后期及8 0 年代以后，国内相继出现了平面应变相似实验架、立 体模拟试验装置。如重庆大学矿压室的1 5 m 1 3 m 1 2 的立体模型和 e t v e 一8 5 型l m l m x0 6 m 的卧式立体模型，洛阳工程兵部队的0 + 5 m o 5 r e x 0 2 m 卧式市置的平而应变实验台，以及中国矿业大学的立式平面应变相似模拟 实验台和平板式模拟实验台。这些设各对当时有关模拟实验发挥了重要作用。 通过相似模拟实验取得了不少研究成果，如著名的“砌体梁”理论、地下开采 引起上覆岩层“三带忡形成的规律以及地压显现与岩层断裂的规律等。在很大 程度上都是借助相似模拟实验方法而取得的。 国内有很多的学者对相似模型试验方法做了专门的研究： 1 9 9 6 年赵型阳提出了用于确定相似材料合理配方的正交设计试验灰色关联 分析法。给出了改方法的原理、模型和计算步骤。实际应用表明该法不仅正确 可行而且具有其它多指标正交设计试验分析方法不具备的优越性。第一，对 实验数据多少，分布规律如何均无严格要求：第二算法程序通用性强；第三， 不会出现计算结果的极性差错i 第四综合评分法和综合平衡法均必须根据时 自j 情况拟定技术公式，计算公式不同，结论往往也不一致。而该法则无此弊病。 19 9 6 年白占平等口基于正交试验的基本原理，结合煤矿边坡相似材料模拟试 验研究的实际，介绍了相似材料配比试验优化方法。 1 9 9 7 年万虹叫运用概率统计原理，用正交法对某地下岩层相似模拟材料进 行了研究，找到了若干种满足原型要求的材料配比，并具有可应用于地下工程 实际的性能可靠性。 1 9 9 7 年韩伯鲤等叫提出了一种以舫锈铁粉为骨科松香为胶结物的新型岩体 相似材料。经过试验研究认为，该相似材料基本达到了系列化规范化的目的。 材料本身的各项物理力学指标覆盖面较广，可以使用相同的原材料，通过改变各 组成部分的配比来适应不同种类岩体的相似模拟要求，从而大大简化了地质力 学模型试验研究工作的难度。所研制的该项材料曾先后在9 座大型水电工程的 4 硕士学位论文第一章绪论 结构模型试验中町使用，都证明性能优越，并取得令人满意的成果。 2 0 0 2 年彭海明等1 ，通过大量的室内实验研究不同配比对水泥石膏抗压强 度、抗弯强度及弹性模量的影响，验证了相似材料尺寸效应的存在并提出相应 的经验公式，证明了水泥石膏是一种较好的用于模型制作的相似材料。采用水 泥石膏相似材料制作模型，工艺简单，材料来源广且经济，其材料与岩石的结 构及破坏方式均类似，是一种较好的相似材料。选用水泥石膏配方时，应先根 据配比资料确定合理的砂胶比，再改变水泥与石膏的比例进行小范围调节试验。 相似材料确实存在强度尺寸效应，在确定较大模型的强度时不应忽略尺寸对强 度的影响。尺寸效应经验公式为： ，d 一矿 眨= 纠倒_ ) ( 1 1 、 式中：口、几7 、9 取决于模拟材料的性质；d 为立方体试件的边长( c m ) 。 经计算，水泥石膏的各参数分别为：口= 1 8 5 l 、p ：2 2 0 2 、y ：7 0 7 、妒：7 3 4 2 。 进行室内小样试验时，试样应在自然干燥的条件下养护7 天后测量其强度 值，制作成的模型应在自然干燥条件下养护1 8 天后再进行模型试验。 2 0 0 2 年蒋树屏等u 6 1 通过对某工程二车道公路隧道在三种不同围岩条件下的 大型相似模型实验，研究了二车道公路隧道围岩在隧道施工中的位移发展过程、 隧道围岩最终位移及围岩的稳定性。利用公路隧道结构与围岩综合实验系统成 功地模拟了公路隧道开挖前的先期位移、开挖瞬间位移及开挖后围岩体的空间 效应及流变效应。隧道围岩位移随开挖阶段总体上呈现台阶式增长，原则上可 划为4 个阶段，即开挖前、开挖时、开挖后第l 天、开挖后，以开挖时台阶增 长幅度最大。在外边界条件相同的情况下，采用分布开挖时的最终位移量小于 全断面开挖的位移量。 2 0 0 3 年赵明阶等n 刀对岩溶区全断面开挖隧道围岩变形进行了室内模拟试验， 运用相似模型试验和数值分析手段对石灰岩地区公路隧道全断面开挖过程中， 隧道周边不同溶洞分布对隧道围岩变形特性的影响进行了系统的研究，模型实 验结果与三维动态开挖过程的数值模拟结果较为吻合。研究结果表明：岩溶的 分布方位不同，对隧道围岩变形特性影响亦不同。位于隧道顶部的溶洞主要引 起隧道围岩径向位移的增大，位于隧道侧面的溶洞主要引起隧道的整体侧向位 移，隧道底部的溶洞对隧道的顶部和侧壁径向位移的影响较小。溶洞的存在使 得围岩的径向位移在开挖前和开挖瞬间都有明显的增大，位移释放率也比无溶 洞时高；在开挖临近溶洞的开挖断面时，释放位移随溶洞尺寸的加大而增加， 但当开挖断面到达溶洞时，围岩瞬时释放位移随溶洞的增大而减小。溶洞对总释 5 硕十学位论文第一章绪论 放位移影响随溶洞的距离呈现减函数变化，有溶洞的断面在丌挖前和丌挖瞬间 释放的位移随溶洞离隧道的距离增大而减小；开挖后的释放位移随溶洞距离的 增大而增大。 2 0 0 4 年左保成等n 幻结合反倾岩层边坡失稳破坏机理的相似模型研究，对灰 岩的相似材料进行了试验，研究了相似材料中骨料与胶结物配比、胶结物中胶 结材料的配比及不同的养护方式对试块强度的影响规律。试验结果表明，用石 英砂、石膏和水泥来模拟岩体介质是可行的。无论采取何种养护方式，石膏样 的强度与砂胶比呈双曲线关系。而石英砂、石膏和水泥混合样的强度变化则与 砂胶比呈抛物线关系。石膏样或混合样烘干后的强度比烘干后放置一段时期的 强度要高。对于石膏样，其风干的强度随时问的增加而逐渐增大，而对于混合 样，其风干强度随时间的增加呈无规律变化。 2 0 0 4 年朱卫平n 讨论了盾构法施工模型试验和实物之间的转换问题。根据 g o o d i e r 理论建立相似关系，考虑了土体的粘弹塑性性质和大变形问题。给出的 公式可用于盾构法隧道的实验设计和数据分析。根据g o o d i e r 理论n 引，结构在静 态或准静态( 不计加速度) 情况下，7 = 厂( 巧，乃，死) 具体可表为： 应力： 睇嚣t 筹，等；瓦y a ，羞等鹎叫 应变： 其中f ，k = 1 ，2 ，3 ，分别为尺寸、荷载、位移的数目：= a 为尺寸比例； 占，= p ；卸为荷载大d , e 例；六= q a a ) i 为位移大小比例；不必知道和厶 的具体形式。 2 0 0 5 年杜青等n 5 1 对石膏作为岩体相似材料进行了研究。认为采用石膏相似 材料制作模型，工艺简单、材料来源广、价格便宜，其材料与深部岩体的结构及 破坏方式均类似，是一种很好的相似材料。相似材料的抗压强度和抗拉强度在小 范围内随石膏用量的增大呈明显增大，随用水量的增大呈明显减少的规律，加缓 凝剂使强度有所降低。采用配比为水：石膏= 1 o 的相似材料的试验结果与深 部岩体的力学性能非常相似，是符合模拟深部脆性岩体性能的优良配方。 2 0 0 5 年韩立忠1 对黄浦江地铁越江隧道的地基沉降进行了离心模拟试验。 他提n - 地铁隧道发生的过量不均匀纵向沉降对隧道结构内力、变形、接头防 水、以及隧道正常运营的影响不容忽视。离心模型试验是种被广泛采用的土 6 依磊蟛吩辫 盟矿 旦珥 丝乞 坐口 竺易 f 一7三，口z ，口 k e 、 石 = 万一口 硕士学位论文 第一章绪论 工试验方法，通过离心试验对某地铁越江隧道的地基沉降进行模拟，并对结果 进行分析，得出几点结论和建议：工后两年内隧道沉降速率较大，两个断面沉 降值均达到总沉降值的9 0 ，然后沉降速率迅速减小，三年后趋于稳定。其结 论与工后的现场实测值比较接近，说明试验结果可信。 2 0 0 5 - - - , 2 0 0 7 年何川等u 9 圳采用室内相似模型试验方法对南京长江盾构隧道 由1 4 5 m 超大断面单层装配式管片衬砌在高水压条件下的力学行为特征、结构与 周围土体的相互作用关系进行研究。研制了水压装置，实现了真实水压对于大 断面水下盾构隧道结构力学特性影响的模拟。重点讨论了变水压与恒定水压作 用下管片衬砌结构内力的差异、管片衬砌拼装方式对内力分布的影响，并与有 限元计算结果进行了相互验证。 采用三维相似模型试验，研究了在南京玄武湖公路隧道下新建地铁盾构隧 道时，两重叠隧道间的相互影响。试验结果表明：盾构隧道施工对玄武湖隧道 周围土体的扰动十分有限，不会产生因下方土体变形过大导致玄武湖隧道出现 “漂移”现象；对玄武湖隧道下方土体进行加固和加设抗拔桩后，结构附加内 力和变形值明显减小；地表下沉很小，不会造成路面结构破坏最后，用有限 元计算进行了对比分析，表明盾构隧道施工中，玄武湖隧道和盾构隧道是安全 的，不需进行特殊处理。 对地铁盾构隧道管片结构的力学行为进行了模型试验研究。采用几何比 1 1 2 、同时考虑盾构隧道管片接头效应和管片与土体相互作用效应，用三维土 一盾构隧道相似模型试验对盾构隧道管片结构在不同拼装方式下的力学行为进 行了模拟，并将研究结果与梁一弹簧模型的理论分析结果进行了比较。认为作 用在梁弹簧模型隧道上的荷载与作用在土体盾构隧道模型隧道上的荷载具 有基本相同的分布规律，但采用土体一盾构隧道模型的最不利荷载结果较梁一 弹簧模型的结果小。 2 0 0 6 年来弘鹏等n 踟通过室内模型试验，研究了在满足建筑限界、通风等约 束条件下3 种公路隧道衬砌断面型式( 单心圆、尖三心圆、坦三心圆) 在不同初始 应力场作用下的受力性状。分析了初始应力场及断面型式对衬砌结构受力的影 响。经综合比较，给出了较为合理的公路隧道衬砌断面型式。研究结论为今后 合理地设计隧道衬砌结构提供了可靠的试验依据。就整体衬砌结构的力学性能 来讲尖三心圆断面型式最佳，单心圆断面型式次之，但优势并不明显，而坦三 心圆断面型式与其他两种断面型式相比劣势比较明显。即随着隧道断面跨度的 增大，隧道衬砌结构受力越来越不利。在满足建筑限界、通风等相同条件下， 坦三心圆断面型式的开挖面积最小，减小了施工量，提高了隧道净空的有效利 用率。单心圆断面型式次之，尖三心圆开挖面积最大。单心圆断面型式几何尺 7 硕十学位论文 第一章绪论 寸简单、内轮廓净面积较小，且受力较好，施工方便，因此，在公路隧道设计 中首选单心圆断面型式。 欧美及同本的地铁建设开始最早，水平也最高。有很多的学者对隧道室内模 型试验进行了研究啪 3 。 1 2 3 地下结构工程数值分析研究现状及水平 1 2 3 1 数值方法简介 随着电子计算机的普及与发展，数值计算已成为科学研究与工程设计中必 不可少的主要手段。数值计算方法( 也称计算方法、数值方法) 是研究科学与 工程技术中数学问题的数值解及其理论的一个数学分支，它的涉及面很广，如 代数、微积分、微分方程的数值解等问题。自电子计算机成为数值计算的主要 工具以来，数值计算方法的主要任务就是研究适合于在计算机上使用的数值计 算方法及于此相关的理论，如方法的收敛性、稳定性以及误差分析等。此外， 还要根据计算机的特点研究计算时问最短、需要计算机内存最少的计算方法。 计算机解决科学计算问题时经历的几个过程为：实际问题一数学模型一提 出数学问题一设计数值计算方法一程序设计一上机计算求出结果。可以看出， 由实际问题的提出到上机求得问题的解答，整个过程的关键是如何根据数学模 型提出求解的数值计算方法。这一过程既是计算数学的任务，也是数值计算方 法的研究对象。可见，数值计算方法不同于纯数学的是，它既有数学的抽象性 和严格性，又具有应用的广泛性与实际试验的技术性，它是- i q 与计算机紧密 结合的实用性很强的计算数学课程。数值计算方法能提供可以被计算机直接处 理的切实可行的算法与程序，它可用框图、算法语言、数学语言或自然语言来 描述，并有可靠的理论分析，能任意逼近且达到精度要求，对近似算法能保证 收敛性和数值稳定性、进行必要的误差分析。 自1 9 6 2 年以来，随着计算机的引入，岩土力学的发展取得了长足的进步， 特别是在岩土力学的数值计算和模拟方面尤其突出。各种数值模拟方法如：有 限差分法、有限元法( f i n i te l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 、边界元法( b o u n d a r y e l e m e n tm e t h o d ，简称b e m ) 、离散元法( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，简称d e m ) 等相继出现。并且在科学研究和工程应用方面发挥着重要的作用。 1 2 3 2 常用的数值分析软件介绍 ( 1 ) a b a q u s 简介 a b a q u s 是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学 系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。a b a q u s 不但可以做 单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分析研究。由于 a b a q u s 强大的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，它在各国的工业研究中得 3 硕士学位论文 第一章绪论 到广泛的应用。 a b a q u s 使用起来十分简便，可以很容易地为复杂问题建立模型。例如， 对于多部件问题，可以首先为每个部件定义材料参数，划分网格，然后将它们 组装成完整模型。对于大多数模拟( 包括高度非线性问题) ，用户仅需提供结 构的几何形状、材料特性、边界条件和荷载工况等工程数据。在非线性分析中， a b a q u s 能自动选择合适的荷载增量和收敛准则，并在分析过程中不断地调整 这些参数值，确保获得精确的解答，用户几乎不必去定义任何参数就能控制问 题的数值求解过程。 a b a q u s 还具备十分丰富的单元库，可以模拟任意几何形状，其丰富的材 料模型库可以模拟大多数典型工程材料性能，包括金属、橡胶、聚合物、复合 材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫以及地质材料( 例如土壤、岩石) 等。 作为一种通用的模拟工具，a b a q u s 不仅能够解决结构分析( 应力、位移) 问 题，而且能够分析热传导、质量扩散、电子元器件的热控制( 热、点耦合分析) 、 声学、土壤力学( 渗流、应力耦合分析) 和压电分析等广泛领域中的问题。 近年来，a b a q u s 在岩土工程中的应用也越来越广泛。a b a q u s 具有非常 丰富的岩土材料本构模型，包括线弹性模型、多孔弹性模型、m o m - c o u l o m b 塑 性模型、扩展d r u k e r p r a g e r 模型、d r u k e r - p r a g e r 蠕变模型、修正剑桥模型、节理 材料模型等。可以广泛模拟岩土工程中遇到的各种问题。 ( 2 ) f l a c 简介 f l a c ( f a s tl a g r a n g i a l la n a l y s i so fc o n t i n u a ) ，即连续介质快速拉格朗日分 析，它是一种基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序。 f l a c 基于显式差分法来求解运动方程和动力学方程。在确定研究区域的几 何形状后，首先将该区域进行离散化处理，将之划分为若干个网格单元，各网格 单元之间通过节点连接，当某个节点受到荷载作用后，由节点的应力和外力变化 以及时间步长出利用虚功原理求得节点的不平衡力，然后将不平衡力重新作用 在节点上，进行下一步迭代过程，直到失衡力足够小或节点位移趋于平衡为止。 f l a c 软件是美国的i t a s c a 咨询集团公司在1 9 8 6 年开发研制的，它从一个 国际性的地质力学工程顾问，已经发展为一个著名的实际地质力学相关问题的 创新解决方案，多用于采矿业、土木业、石油、国防、废物回收业等。 有限差分法问世以来在工程地质界得到了广泛的应用。上世纪九十年代， 我国岩土界的学者引进了f l a c 程序，并将该程序广泛应用于上至三峡大坝等大 中型水利枢纽，下至一般地基加固等等在内的诸多相关工程建设项目之中，研 究范围几乎涵盖了岩土工程的所有领域，包括基坑开挖变形与支护分析和地基 基础加固处理，边坡稳定与加固分析和滑坡变形与稳定分析，隧道及地下洞室 9 硕十学位论文第一章绪论 ( 群) 围岩稳定性分析及施工开挖及衬砌、锚固支护分析，隧道开挖或基坑丌挖 引起的地表沉降变形及其影响分析，隧道及矿山工程中爆破等动力作用与震动 分析，基础与大坝等振动液化分析，渗流场与应力场流固耦合相互作用分析， 流变分析以及由于热作用产生的变形与稳定问题分析等等。 ( 3 ) m i d a s g t s 简介 m i d a s g t s 软件是北京迈达斯技术有限公司2 0 0 5 年开发的运用于岩土隧 道有限元分析的最新软件。它是包含了施工阶段的应力分析和渗透分析等岩土 和隧道所需的几乎所有分析功能的最新通用分析软件，适用于隧道( 公路隧道、 铁路隧道、城市隧道、地铁等) 、大坝、挡土墙、地下结构、回填、桩基、桥 台、桥墩的基础等结构，可精确模拟隧道的开挖，支护等过程。具有友好的中 文界面、便利的建模功能以及强大的分析功能等特点。可大容量，高速度地进 行数万节点的大型分析；具有良好的前后处理能力和图形操作能力。 1 2 3 3 目前国内数值分析方法的应用 国内很多学者利用数值分析方法对实际工程进行了模拟，并得到了很多有 价值的结论： 2 0 0 3 年赵明阶等n 钉对附近有溶洞存在的全断面开挖隧道进行了三维数值模 拟，认为含有溶洞的断面在开挖过程中，位移释放主要发生在开挖前和开挖瞬 间；开挖前的位移释放量与溶洞尺寸成正比，开挖瞬间位移释放量在含溶洞的前 半断面仍然与溶洞尺寸成正比，而在含溶洞的后半断面却与溶洞尺寸成反比；开 挖后的位移释放量与溶洞尺寸成反比。 2 0 0 5 年俞涛汹3 通过对平行、交叠和正交三种类型的近接盾构隧道施工进行 的三维有限元分析，得到如下结论：平行隧道近接盾构隧道施工过程中，既有 隧道主要产生整体远离新建隧道的横向附加位移以及整体被抬升的竖向附加位 移，且隧道沿横向被压缩；交叠近接盾构隧道施工过程中，主要在掌子面后方 产生较明显的整体下沉竖向附加位移，且最大沉降值出现在拱底部位；正交近 接盾构隧道施工过程中，底部开挖卸载将导致其产生不均匀下沉。 2 0 0 5 年李围对，采用大型通用有限元软件a n s y s 进行模拟计算。研究了 在南京玄武湖公路隧道下新建地铁盾构隧道时，两重叠隧道间的相互影响。混 凝土管片结构用等参8 结点空间板壳单元s h e l l9 3 ，结构周边围岩体、玄武湖隧道 结构和抗拔桩结构用等参2 0 结点三维实体单元s o l i d9 5 模拟。对玄武湖隧道顶底 板、两隧道交叉的地铁管片部分以及桩结构周边围岩体单元进行了加密处理。 地铁区间盾构隧道施工引起玄武湖隧道周围土体的扰动十分有限，不会出现玄 武湖隧道发生“漂移一的现象；在实际施工中进行同步注浆后，地表沉降可控 制在3 0 啪以内，不会造成路面结构破坏。 1 0 硕+ 学位论文 第一章绪论 2 0 0 7 杨雄n 7 1 对南京长江隧道超大断面管片衬砌结构进行了数值分析，建议 在该盾构隧道管片结构的施工图设计中，应对接头进行详细研究，包括数值模 拟计算和实际整环原型试验，从而得出较为合理的接头刚度值，并输入梁一弹簧 模型进行精确计算，从而指导管片结构的优化设计。 综上所述，数值分析方法在隧道工程建设中已经有了广泛的应用，取得了 很多的研究成果，并对实际工程的设计和施工起到一定的参考作用。 1 3 本文的研究内容和方法 1 3 1 本文的主要研究内容 岩溶区大小、位置不一的溶洞将会给地下铁道的建设带来很多麻烦。因此， 本论文针对地铁隧道周边不同位置、不同尺寸的溶洞对隧道衬砌结构面特定点 的应力、应变及隧道周围土压力的影响，主要做了以下几方面的研究： ( 1 ) 根据现场地质勘察资料，统计并总结现场岩土体材料各力学参数及隧道 周边溶洞分布情况： ( 2 ) 找出最合适的岩土体模拟材料，确定模拟材料中各组成成分的配比： ( 3 ) 研究地铁隧道周边不同位置、不同尺寸的溶、土洞对隧道衬砌结构面特 定点的应力和隧道周围土压力以及地层沉降的影响。 1 3 2 本文的主要研究方法 研究方法采用现场调研、理论研究与室内模拟试验相结合，数值分析与试 验结果相比较的研究思路。借助大型有限元软件，以工程现场为背景，分析各 溶洞对地铁隧道的影响。 通过室内模拟试验，研究隧道周边不同位置、不同尺寸的溶、土洞对隧道 衬砌结构面特定点的应力和隧道周围土压力及地层沉降的影响。 运用有限元分析软件m i d a s g t s 对不同溶洞对隧道产生的不同影响进行 数值模拟。并把数值模拟的结果与室内模型试验的结果进行对比。 硕士学位论文 第二章岩溶区溶、- 十洞对地铁隧道的影响 第二章岩溶区溶、土洞对地铁隧道的影响 2 1 岩溶区溶洞、土洞的发育机制分析 2 1 1 岩溶区溶洞的发育机制分析 岩溶包括溶洞的发育，一般应具备四个条件：可溶性的岩石、岩石具有结 构裂隙通道、流动的地下水、水具有侵蚀性。 岩溶区溶洞的发育过程，本质上是水对碳酸盐岩的溶解作用。而碳酸盐岩 被水溶解的过程，就是组成这类岩石的碳酸盐矿物如方解石、白云石等和水之 间发生的化学反应。 2 1 1 1 碳酸盐岩的溶解作用 碳酸盐岩可分为纯碳酸盐岩和不纯碳酸盐岩类。纯碳酸盐岩主要由方解石 ( c a c 0 3 ) 和白云石 c a m g ( c 0 3 ) 2 两种矿物组成，而不纯碳酸盐岩类是碳酸盐岩 ( 方解石、白云石组成者) 与碎屑岩( 砂质和粘土质) 之间的过渡类型。 从岩石成因来看，我国的碳酸盐岩主要分为三大类：石灰岩，主要是浅 海相碳酸盐岩台地沉积而成，并往往拌有生物成因；各种成分的大理岩和结 晶灰岩，主要由变质作用形成的，常呈粒状变晶结构；白云岩，由成岩后白 云石化作用而成，常呈晶粒结构。 天然状态下，碳酸盐岩的溶解是一个复杂的物理化学过程，它既有物质之 间的化学反应，也有微粒物质的扩散运动。 碳酸盐是碳酸盐岩类的重要成分，分析碳酸盐钙的溶解过程，可以代表碳 酸盐岩类溶解的基本情况。 国内有学者研究表明呻1 ，碳酸盐岩的溶解作用具有以下特点：溶蚀作用 包括了化学溶蚀和机械破坏两方面，溶解作用要占9 0 以上，岩溶的发育主要 受富含c 0 2 的侵蚀性水流溶解所致，浅部的岩溶发育强度强于深部，具有更大 的开放性，易受大气、土壤、生物作用的影响使得地下富含c 0 2 ，具有更大的 侵蚀性；溶蚀度随深度的增加而减少；机械破坏作用占2 - - - 1 4 。应力破 坏有利于岩溶作用的发展，在水动力条件较好的区段，岩溶相对发育；溶蚀 作用指标与岩石化学成分分析结果比较，c a o 含量越低，其溶解度就越低。 碳酸盐类岩石的溶解，以石灰岩为例，其溶解过程可理解为：首先石灰岩 直接溶解于没有碳酸的纯水中，它的反应为： c a c 0 3 口 c a2 + + c d ；一 ( 2 1 ) 1 2 硕士学位论文第二二蠢岩溶l 又：溶、十洞对地铁隧道的影响 c a 2 + 】【c d 3 2 一】- k ，k 为平衡常数即浓度积。这时溶解作用是很快进行 的，实际上立刻就达到平衡，其溶解度见表2 1 。 水温”c8 71 62 0 2 57 51 0 0 c a c q 溶解度( m g l1 ) 1 01 3 11 4 1 4 31 81 8 2 自然界中纯水是极少的。水中含有的c 0 2 ，其中一部分呈物理不溶解状态 存在于水中，一部分与水化合成碳酸。在温度4 。c 时，水中只要0 7 的c 0 2 是与水化合的，其余9 9 3 均呈物理状态，称游离c 0 2 ，化合状态的c 0 2 称为 侵蚀性c 0 2 。物理状态的c 0 2 不能直接与石灰岩起化学作用，而是起平衡作用。 与石灰岩起化学反应的只要与水化合形成的碳酸，碳酸电离后产生h + 离子。 溶解于水中的0 7 的c 0 2 ，因溶解c a c 0 3 而逐渐减少，以致于物理状态的 c o z 之间失去平衡关系。因此，如果要不断地溶解石灰岩，就必须从存在于水 中的物理状态的c 0 2 中变柬，这样就丌始了连锁反应，一旦其中的一环节发生 变化，就相应地引起其他过程的变更。 ： 还有一点需要说明，一般人们常常认为岩溶系统是由多种成因的碳酸对碳 酸盐岩的溶蚀结果，但在自然界中，碳酸盐岩地层，特别是白云岩地层中多有 石膏夹层：在有些自然环境中，硫酸盐岩( 特别是石膏) 和碳酸盐岩成互层沉 积。在富含c 0 2 的溶液( 大气降水和地壳深部热水) 沿可溶性岩中的构造裂隙 运移过程中，发生的复合岩溶导致岩溶溶洞发育。另外，硫酸盐岩的碳酸盐岩 的岩溶作用在水溶蚀作用机理上，最主要的区别在于水对碳酸盐岩的岩溶作用， 需要借助于溶剂c 0 2 的作用，而水可直接对硫酸盐岩产生溶蚀作用。 此外，热液活动则产生另一种岩溶作用。热液岩溶在美国、匈牙利、意大 利、吉尔吉斯斯坦、阿尔及利亚等地已有发现，这种成因的洞穴形态和洞穴沉 积物类型不同于大气降水成因的洞穴系统，大多没有渗透带，与地表没有联系 啪 4 副。国外学者对匈牙利的研究认为，含c 0 2 的热液在上升过程中对碳酸盐岩 溶解形成地下溶洞。受构造升降影响，溶蚀形成的溶洞可转变为沉积带。在该 系统中，碳酸盐岩溶解度受c 0 2 分压、温度和溶液离子强度的影响。而在对 意大利一些深部溶洞成因研究时发现，热液系统中富集的h 2 s 气体随热液向上 运移时，在地下水位附近发生氧化后形成硫酸，从而对周围的碳酸盐岩产生侵 蚀后形成溶洞h 7 1 。 2 1 1 2 地质构造与溶洞的发育 不同类型及不同性质的断裂、褶皱、节理等构造