论文以武汉市轨道交通六号线(汉阳段)Ⅱ标段“前马区间”为主要研究对象,对下伏岩溶穿越砂土地层地铁盾构隧道管片结构受力变形情况进行研究,结合现场注浆处治试验及管片结构变形现场监测试验,提出了研究区岩溶塌陷处治对策。首先,在典型的地铁隧道穿越地层塌陷区地质情况总结分析的基础上,对岩溶地质形成机理、分布情况、发育规律及塌陷机理展开研究。而后,对特殊地质结构“灰岩岩溶与砂土直接接触”的地层条件下,溶洞的塌陷机理展开研究。在此基础上,利用FLAC3D软件对不同溶洞顶板厚度d、直径D、跨度w及充填程度ω下,隧道管片结构的轴力、剪力、弯矩及其变形情况进行了分析。根据砂土强度低、自稳能力差的特点,利用理论分析与数值模拟相结合的手段,分析了溶洞顶板的安全厚度及下伏溶洞与隧道间的水平安全距离。最后,利用现场试验和数值模拟手段,开展岩溶地质塌陷区处治关键技术研究,如岩溶水通道隔断技术、溶洞填充加固处治技术等,并对岩溶处治结果进行了分析。主要得到以下结论:(1)从地形地貌、地质构造及地层岩性等方面,介绍了武汉地区区域工程地质概况。根据岩溶裂隙水补给、径流、排泄及动态变化情况,非含水层(组)发育条件及地下水化学特征,分析了武汉地区区域水文地质条件,为后续岩溶发育分析提供了依据。通过室内物理化学试验,研究了可溶岩化学成份及矿物成份,并结合武汉地区相关地质资料,分析了构造运动对岩溶的作用。(2)通过地下水位监测试验,分析了地下水对岩溶形成的影响。通过分析得到,同一组水位观测孔中取出的岩溶水和砂层孔隙水水化学成分和酸碱度、总硬度、矿化度等主要指标均十分接近,认为孔隙水与岩溶水具有相同补给来源或水力联系密切。利用物探CT及钻探的方法确定了地铁六号线穿越区溶洞发育规模、充填特性、空间高程及溶洞与基岩面距离分布情况等特征。(3)分析了地铁穿越区岩溶分布地质条件,将其划分为五种不同的地质结构类型,并根据塌陷的土体变形特性,将可能发生的塌陷分为砂漏型、土洞型和泥流型等三种塌陷模式。根据武汉地区曾经发生的岩溶塌陷情况,从不同岩溶塌陷触发因素出发,将I类地质结构类型的塌陷机理划分为失托增荷致塌、潜蚀致塌、机械贯穿致塌、荷载致塌及复合致塌等。(4)一定范围内,盾构管片结构水平收敛值与溶洞距离基岩面距离d呈正相关的关系,下伏溶洞的存在一定程度上抑制了管片的水平收敛变形。(5)随着溶洞直径D的增大,隧道拱顶沉降逐渐增大,拱底隆起位移逐渐减小;D小于一定值时,溶洞对隧道管片结构的变形影响较小,对管片各特征点处的内力影响也较小。相比于其他各特征点,拱底处所受的轴力、剪力值变化幅度最小,受溶洞直径D影响最小。随着D的增大,管片内力最大值由拱脚范围向拱底处转移,均发生在隧道拱底1/2隧道半径范围内。(6)随着溶洞跨度w的增大,拱顶、拱底处管片水平位移大致呈逐渐增大趋势,隧道各特征点处管片竖向位移逐渐增大。同一溶洞跨度w的情况下,管片拱底处的轴力、剪力及弯矩内力大于管片拱顶及两侧拱腰位置处内力值。隧道管片各特征点处的轴力、剪力与w值大致呈负相关关系。随着w的减小,产生剪力、轴力及弯矩最大值的位置由拱脚处逐渐向拱底靠拢,均发生在隧道拱底1/3隧道半径范围内。(7)填充程度由ω=0(无充填)增大到ω=0.75时,隧道管片的水平收敛和竖向变形的增量远远小于由ω=0.75增大到ω=1.0时水平收敛值和竖向变形的增量,这说明了溶洞注浆处治时必须要填充完全。随着填充程度的增大,隧道管片结构所受轴力、剪力及弯矩大致呈增大发展趋势,内力最大值由拱腰位置向拱底发展,管片所受内力的最大值均发生在隧道拱腰以下区域。(8)分析了特殊条件(下伏岩溶穿越砂层)下,盾构隧道结构的安全性。根据结构力学计算方法、散体理论公式,对隧道结构的安全厚度进行理论计算分析,并利用正交试验得到溶洞顶板安全厚度的计算公式。(9)针对地铁六号线穿越的特殊地层,引入了“水平安全距离”概念,结合几何塌陷模型,并利用FLAC3D软件分析了岩溶渗漏通道形成后隧道与溶洞间的水平安全距离,得出了水平安全距离L0=20.0m。(10)通过现场注浆监测,结合钻孔取芯、标贯试验等对注浆加固效果进行了质量检测,确定了0.3~0.5MPa注浆压力作用下,纯水泥浆液充填固结后的结石体强度达到预期要求。通过现场监测可知,K12+536断面处溶洞因前期勘察中并未被发现,变形速率较大,经过及时注浆处治后管片的变形速率放缓,最终变形量也在规范允许范围内;而通过模拟可知,若该溶洞不经过处治,隧道管片结构将会遭到破坏,由此可见,溶洞注浆加固效果良好。(11)结合现场实际情况,对溶洞的灌浆处治效果进行了分析:对溶洞灌浆加固之后,隧道管片的沉降最大值为3.8mm,其沉降值相比灌浆加固前减少了94%,在管片衬砌竖向变形的最大允许变形值之内;由此可见,岩溶灌浆加固的处置效果较好。比较分析单、双排桩和三排桩支护效果,认为隧道外轮廓线6m处采用三排旋喷桩加固,应力最大值为256.36kPa,低于高喷墙的抗剪强度设计值,在溶洞完全塌陷时三排旋喷桩可以起到良好的支护作用而不发生破坏。