一种岩溶地层车站基坑开挖溶洞顶板最小厚度的判断方法与流程

本发明涉及深基坑开挖，尤其涉及一种岩溶地层车站基坑开挖溶洞顶板最小厚度的判断方法。

背景技术：

1、我国南方的地层中埋藏岩溶较多，发育广泛，具有裂隙水含量高、易崩塌、形态多变和分布不规则的特点。在不断增加的轨道交通建设过程中，难免会遇到岩溶所带来的施工问题。在深基坑施工中稍有不慎就可能引起岩溶塌陷、围护结构变形倒塌等灾害，影响施工进度，污染生态环境，严重时危害人民的生命财产安全，同时地铁车站的建设一般位于城市繁华地段，施工时会占据大量场地，制造噪音，扰动周边土体等，为减小对周边环境的影响，常采用地下连续墙作为基坑的围护结构。当连续墙位于溶洞顶板上时，岩溶的存在将对围护结构稳定性产生显著影响，容易导致墙-溶洞体系的失稳破坏。当溶洞顶板岩体完好、强度高并有一定厚度时，可将岩溶顶板作为持力层，但是必须对岩溶顶板的最小安全厚度进行判断，以保证墙-溶洞体系的安全性。

2、目前，现有研究及已有的专利技术表明，针对岩溶地区车站基坑开挖提出的溶洞处理方法对溶洞顶板的最小厚度研究不足，溶洞处理范围判断缺少依据，更多是依赖于工程经验。现有通过数值模拟手段判断围护结果的稳定性研究多数是考虑溶洞的二维条件，对基坑开挖模拟也较为粗糙，由此导致部分数值模拟结果与实际工程差异较大。在实际施工中缺少溶洞顶板最小安全厚度的判断方法，容易造成溶洞处理范围不准确，导致部分数值模拟结果与实际工程差异较大，不仅降低了施工效率，还给开挖施工埋下安全隐患。

3、目前，关于溶洞失稳机理研究主要是针对桩基础开展的，没有考虑基坑施工过程中降水以及开挖卸载扰动效应。因此，岩溶地区深大基坑开挖扰动引起地下连续墙邻近溶洞失稳机理仍需进一步探索。开发一种岩溶地区车站基坑开挖溶洞顶板最小厚度判断方法，采用孔隙流体扩散与应力耦合分析对基坑开挖进行模拟。同时，揭示基坑开挖扰动引起墙-溶洞体系失稳机理，对岩溶地区车站基坑开挖稳定性问题具有重要指导价值和工程实践意义。

4、岩溶地层车站基坑开挖过程中，当岩土体塑性应变的累计，即有效塑性应变达到或超过临界值时，将行成连续贯通的塑性变形区，将产生剪切破坏，引起较大位移从而导致失稳。

5、因此，可以通过观察基坑周边的岩土体在开挖过程中产生的塑性变形区与溶洞自身塑性变形区是否贯通、地连墙墙脚两侧的孔隙水压差增速变化、地连墙法相方向的弯矩值随开挖深度增加而减小来判断溶洞顶板的最小厚度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种岩溶地层车站基坑开挖溶洞顶板最小厚度的判断方法，给出不同工况下的墙-溶洞体系破坏类型模式，判断溶洞顶板的最小厚度，具有重要实际工程应用价值。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种岩溶地层车站基坑开挖溶洞顶板最小厚度的判断方法，包括以下步骤：

4、s1：根据地质勘查报告获得基坑所在位置的地层剖面参数；根据基坑施工影响范围内溶洞的基本特征及分布情况，获取代表性溶洞参数；根据施工设计资料获取基坑围护结构施工参数；

5、s2：根据地层剖面参数建立三维有限元计算模型；

6、s3：根据代表性溶洞参数建立土层-溶洞有限元模型；

7、s4：根据基坑围护结构施工参数建立土层-溶洞-地连墙有限元模型，模拟基坑开挖过程；

8、s5：利用s4中土层-溶洞-地连墙有限元模型结果、地连墙法相方向的弯矩值my、溶洞顶板的塑性变形和地连墙墙脚两侧的孔隙水压差增速r，获得基坑开挖溶洞顶板最小安全厚度。

9、上述的方法，可选的，

10、s1中根据地质勘查报告获得基坑所在位置的地层剖面参数包括：周边环境情况，地层的水平分层情况，各地层容重γ、弹性模量e、内摩擦角ψ、粘聚力c及渗透系数k，地下水位高度；

11、s1中根据地质勘查报告统计在基坑施工影响范围内溶洞的基本特征及分布情况包括：溶洞平均横向长度x溶洞、平均纵向宽度y溶洞、平均高度z溶洞、溶洞灌浆料容重γ灌浆及溶洞与基坑的相对位置；

12、s1中根据溶洞的基本特征及分布情况得到代表性溶洞参数包括：若代表性溶洞的形态为矩形，其几何尺寸与溶洞相同，分别为平均横向长度x溶洞、平均纵向宽度y溶洞、平均高度z溶洞；代表性溶洞的容重γ溶洞与灌浆料容重γ灌浆相同；代表性溶洞与基坑的相对位置关系为代表性溶洞位于地连墙正下方；代表性溶洞与地连墙之间的垂直距离表示为d，即溶洞顶板厚度d；

13、s1中根据施工设计资料获取基坑围护结构施工参数包括：基坑几何尺寸x基坑×y基坑×z基坑及围护结构的布置情况；地连墙厚度及深度、密度、泊松比、弹性模量；内支撑截面尺寸、密度、泊松比、弹性模量；立柱截面尺寸及深度、密度、泊松比、弹性模量；降水井截面尺寸及深度、密度、泊松比、弹性模量；底板截面尺寸、密度、泊松比、弹性模量。

14、上述的方法，可选的，s2中建立三维有限元计算模型的尺寸如下：基坑外水平方向长度x和宽度y取基坑开挖深度hm的3～5倍，模型基坑外竖直方向z取基坑开挖深度hm的2～4倍；三维有限元计算模型的尺寸大于基坑开挖的影响区，满足以下公式：

15、x模型≥x基坑+8hm，y模型≥y基坑+8hm，z模型≥z基坑+3hm。

16、上述的方法，可选的，s3中土层-溶洞有限元模型的建立包括：在三维有限元计算模型的基础上，根据基坑所在位置并通过代表性溶洞与基坑的相对位置关系及距离在对应的位置将原有土体模型替换为代表性溶洞模型，建立土层-溶洞有限元模型。

17、上述的方法，可选的，s4中建立土层-溶洞-地连墙有限元模型包括：在土层-溶洞有限元模型基础上，根据基坑围护结构施工参数建立基坑围护结构模型，基坑围护结构模型包括内支撑模型、地连墙模型、立柱模型、降水井模型以及底板模型，通过基坑围护结构布置情况将上述模型进行组合，并在模拟开挖过程中逐步将原有的土体模型进行替换。

18、上述的方法，可选的，s4中模拟开挖过程具体包括以下步骤：

19、s401：模型开挖前，先对包含溶洞的土体自重应力场进行初始地应力平衡；

20、s402：模拟施做立柱作抗拔桩，将立柱模型嵌入土体模型相应的节点位置；模拟施做地连墙，将相应位置土体模型替换为地连墙模型；

21、s403：基坑内侧在开挖前将地下水位降低至开挖面以下，模拟基坑降水时，将对应位置土体模型替换成降水井模型，在与降水井接触的土体网格上定义恒定水头边界，在开挖面以上的深度范围内定义为零水头，在开挖面以下的范围内定义为静水压力水头，静水压力水头为线性分布；

22、s404：模拟浇筑混凝土支撑，移除该位置的土体模型并替换为内支撑模型；

23、s405：模拟开挖土层，移除对应深度的土体模型；

24、s406：重复步骤s403-s404-s403-s405，直到开挖至基坑设计开挖深度hm；

25、s407：模拟底板浇筑，移除该位置的土体模型并替换为底板模型。

26、上述的方法，可选的，土体模型采用mohr-coulomb理想弹塑性模型；基坑围护结构模型采用理想弹性模型。

27、上述的方法，可选的，s5中获得基坑开挖溶洞顶板最小安全厚度包括以下步骤：

28、s501：设定溶洞顶板厚度d；

29、s502：获取土层-溶洞-地连墙有限元模型结果；

30、s503：获取地连墙法相方向的弯矩值my；

31、s504：采用等效塑性应变描述溶洞顶板的塑性变形；

32、s505：获得地连墙墙脚两侧的孔隙水压，计算地连墙墙脚两侧的孔隙水压差增速r；

33、s506：若地连墙法相方向的弯矩值my随开挖深度增加而减小、或溶洞顶板的塑性区贯通、或者r值增加，则进入s507，否则减小溶洞顶板厚度d进入s502；

34、s507：获得溶洞顶板最小安全厚度。

35、上述的方法，可选的，s505中地连墙墙脚两侧的孔隙水压差增速r具体计算方法为：

36、获得地连墙墙脚两侧的孔隙水压p墙内和p墙外，开挖深度ha和对应的孔隙水压差为δpa＝pa墙外-pa墙内，下一步开挖深度hb和对应的孔隙水压差为δpb＝pb墙外-pb墙内，满足以下公式：

37、

38、上述的方法，可选的，三维有限元计算模型、土层-溶洞有限元模型、土层-溶洞-地连墙有限元模型均采用实体模型进行模拟。

39、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种岩溶地层车站基坑开挖溶洞顶板最小厚度的判断方法：

40、1.基于数值模拟方法形成一套可以用于岩溶地区车站基坑开挖溶洞顶板最小厚度的判断方法，根据工程所在地的地质环境条件，提取出影响基坑开挖稳定性的关键性地质因素，结合工程勘测信息，构建三维非线性岩溶地区基坑地质力学和多孔介质渗流模型；最后，采用孔隙流体扩散与应力耦合分析方法对不同溶洞顶板厚度的基坑开挖过程及其破坏过程进行模拟。其计算精度高，计算高效，操作简单且原理清晰明确，给出不同工况下的墙-溶洞体系破坏类型模式，具有重要实际工程应用价值。

41、2.通过本发明获得的溶洞顶板厚度处理范围更为准确，更贴合实际情况地进行了数值模拟，提出的地连墙弯矩值或者r值均可以在实际工程中监测获得，为工程实践提供应用和指导价值，具有较强的实用性。