邻近上覆空洞浅埋隧道施工引起的地层变形和破坏特征

地层空洞的存在会严重降低围岩的整体性,在浅埋地铁隧道的施工扰动下,极易发生失稳破坏,诱发地面塌陷事故。针对城市浅埋地铁隧道上方存在空洞地层的问题,通过三维数值模拟和模型试验对空洞大小及空洞与隧道间净距对地层变形的影响进行了研究。数值模拟研究结果表明:地层空洞导致地表沉降呈现出不同程度的增大,并且空洞越大、净距越小对地层变形影响越显著;对于较大直径的空洞,空洞与隧道间存在一临界净距,当净距小于临界值时,地表沉降随着净距增大而减小,当净距大于临界值时,地表沉降随着净距增大而增大,并且空洞越大临界净距越小;对于小直径空洞,随着净距增大,地表沉降只呈现出逐渐减小的规律;空洞与隧道周围塑性区扩展贯通导致地层发生整体失稳,以及空洞周围塑性区发展至地表导致局部塌方是隧道上方含空洞地层两种典型破坏模式。模型试验得到的净距对地表沉降的影响规律与数值模拟结果基本一致,说明模型试验结果的合理性。研究成果可为含空洞地层中隧道施工地层变形控制研究提供参考和借鉴。     

考虑重力影响的含空洞地层浅埋隧道围岩应力及位移解析解

为了明确地层空洞对浅埋隧道施工引起的地层应力和位移的影响，建立了含空洞地层浅埋圆形隧道围岩应力和位移解析模型，该模型既能考虑隧道开挖边界上的重力释放过程，又能考虑隧道与空洞的相互作用。采用复变函数法和Schwarz交替法对模型进行了理论求解，并将该模型解析解与有限元数值解进行了对比分析，两者吻合较好。基于所建立的解析模型，分析了应力释放系数、空洞位置及尺寸对地层应力和变形的影响规律。结果表明：随着应力释放系数和空洞尺寸的增大以及空洞与隧道间距的减小，空洞影响效应逐渐增大；空洞位于隧道拱顶时影响最为显著，空洞位于隧道斜上方时影响次之；空洞导致圆心连线两侧0°~5°范围内的隧道洞周环向应力减小，两侧5°~45°范围内的环向应力增大；空洞导致靠其一侧的隧道收缩变形增大，其中圆心连线位置上的隧道收缩变形增长最为显著；而地表最大差异沉降位于空洞正上方处。研究成果对含空洞地层浅埋隧道施工引起的围岩变形和应力预测具有重要的理论意义和应用价值。