浅埋暗挖黄土隧道施工过程数值模拟分析

2010-05-04王起才唐述林

铁道建筑 2010年8期

郭健，王起才，唐述林，赵侃

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070;2.中铁二十一局集团公司，兰州 730000)

在隧道施工中，由于隧道的开挖将造成土体应力重分布，因此在一定的岩土环境中，隧道的开挖方式对隧道围岩稳定性及地表沉降影响很大［1］。同时，由于隧道施工方法不当而造成的隧道坍方、地表坍陷等事故也是时见报道，这不但影响工期，还会增加成本，造成不良的社会影响。对隧道的施工而言，不同的开挖顺序，在时空上相当于荷载以不同的方式施加在围岩上［2］。尤其对于浅埋隧道，上覆土层厚度较小，若围岩比较松散且自承能力差时，隧道开挖将会引起很大的地表沉降，往往造成周边建筑物基础下沉、倾斜甚至导致结构倒塌。因此在隧道施工前用数值模拟方法预测隧道施工过程中围岩的应力场和位移场的变化，地表沉降范围和沉降量的大小，根据计算结果结合工程经验指导开挖方法、支护方式及支护时机的确定［3］。本文对新宝塔山隧道浅埋段的施工过程进行了详细数值模拟与分析，分析结果对指导施工起到很大的帮助作用。

1 工程概况

新宝塔山隧道位于陕西省延安市境内，地处陕北黄土高原梁峁沟壑区。地表植被一般，第四系覆盖层较厚，地势陡峻，地形起伏较大。高程范围1 002～1 152 m，隧道最大埋深约146 m，最小埋深2 m。隧道全长2 161 m。隧道经过地区出露主要地层为第四系上更新统风积黏质黄土和下伏的侏罗系砂岩夹页岩，工点范围内分布着黏(砂)质黄土，其湿陷类型主要为非自重，湿陷等级Ⅰ～Ⅱ级，湿陷土层厚度约为10 m。隧道由Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级三种围岩组成，Ⅴ级围岩区段埋深较小，属于浅埋隧道。围岩除少量红黏土外，大部分为页岩夹砂岩层，整个隧道浅埋段Ⅴ级围岩长500 m。设计中Ⅴ级围岩拟采用环形开挖预留核心土法施工。隧道开挖洞径宽B=8.48 m，洞高H=10.52 m。其设计支护结构主要参数为:φ22系统砂浆锚杆，长度2.5 m，间距1.2 m×1.2 m;φ8钢筋网，间距 25 cm×25 cm;I20格栅钢拱架，纵向间距1.2 m;喷射混凝土强度等级为C25，厚度10 cm;二次衬砌为钢筋混凝土，混凝土强度等级为C25，厚度40 cm。

2 数值模型与计算方案

根据新宝塔山隧道V级围岩洞身段的地质条件，选取三个埋深较浅的断面进行分析计算(由于篇幅所限，此处只列出一个断面的计算结果)。将实际断面经过适当的简化，建立如图1所示的有限元计算模型。模型水平方向从隧道边墙起取4B(B为隧道开挖宽度)作为计算范围，竖直方向上边界取至地表，向下从仰拱底部取3B［4］。确定的分析范围为:宽度为93 m，高度为37 m。模型边界条件:左右边界水平位移约束，顶部为自由面，底部竖向位移约束。根据隧道围岩特征，计算时假定岩体遵循理想弹塑性本构关系和Mohr-Coulomb屈服准则。为简化计算，采用弹塑性平面应变模型，岩体初始应力场仅考虑其自重应力，忽略构造应力。围岩采用平面应变单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟，格栅钢拱架和初次衬砌混凝土都采用梁单元模拟。计算中材料的参数取值参考《铁路隧道设计规范》(TB 10003 －2001)［5］，具体数值见表1。计算中为了反映围岩变形的时间效应以及施工的先后顺序，将地应力按照施工过程分成几部分逐步释放，计算中采用的应力释放系数为毛洞开挖释放应力∶施加锚杆释放应力∶喷混凝土释放应力 =0.50∶0.25∶0.25［6-9］。计算中只考虑自重应力，自重应力由程序计算。为了使计算结果更接近实际值，数值分析计算中，把整个施工过程分成以下步序来加以模拟分析:第1步，环形土开挖;第2步，拱顶周边喷锚支护;第3步，核心土开挖;第4步，下台阶开挖;第5步，边墙周边喷锚支护;第6步，仰拱施工。开挖步骤如图2所示。

为了便于说明和分析计算结果，选取计算模型开挖边界上的14个特征点的计算结果来分析施工过程围岩的位移和应力变化，特征点编号如图2所示。

图1 有限元计算网格

图2 特征点和开挖步骤

表1 隧道围岩及初期支护计算参数

3 计算结果分析

3.1 地表沉降变形分析

为了分析隧道施工过程中地表沉降的变化情况，以隧道中线和地面交点为坐标原点，将地表的12个特征点的竖向位移随开挖过程的变化情况绘出，如图3所示。由图可知，在隧道施工过程中，隧道拱顶附近地表沉降值最大，累积下沉变形量为9.5 mm，隧道中心线两侧40 m以外的地表沉降值很小，且沉降主要发生在环形土开挖的过程中，即第1、2步，后续施工步地表沉降变化很小。

图3 地表沉降随施工过程变化

3.2 塑性区变化规律

围岩的塑性区随施工过程的变化如图4所示，由图可见在施工过程中围岩的塑性变形主要在环形土开挖过程出现，塑性区主要分布在拱脚附近区域。由于隧道有一定的偏压，右侧拱脚塑性区较左侧大，核心土开挖之后随着施工的进行塑性区变化不大。由于浅埋段隧道拱脚以上土层为老黄土，黄土的抗压强度较低，由塑性区的分布情况可见，开挖过程中拱脚处可能会出现围岩压溃现象，造成隧道在施工过程发生拱顶坍塌。故在隧道施工中应加强量测，并在开挖后及时施工锚喷支护。

图4 围岩塑性区随施工过程变化

3.3 洞周位移变化

1)洞周水平位移变化

由于隧道有一定偏压，边墙水平位移变化呈现一侧大一侧小的现象。根据计算结果绘出特征点2，3，4，12，13，14的水平位移随开挖过程的变化曲线如图5(a)所示。由图可见环形土开挖后水平位移变化最大，随后水平位移的增幅减小，最大水平位移出现在拱脚附近。两侧边墙围岩向洞内的累积水平收敛位移量最大为12.9 mm。

2)洞周竖向位移变化

根据计算结果绘出拱顶特征点1，2，3，13，14的竖向位移随开挖过程的变化曲线，如图5(b)所示。可见环形土开挖后拱顶竖向位移急剧增大，随后竖向位移的增幅逐渐减小，施工结束后拱顶的最大沉降量为15 mm，与地面的最大沉降位置基本一致。因此施工中为防止拱顶大面积坍塌，拱顶部位除设置系统锚杆外，应采取超前支护措施。

图5 洞周位移随施工过程变化

3.4 初期支护内力变化

初期支护的内力随开挖过程的变化如图6所示。限于篇幅，此处只给出开挖完成之后的内力图。由图6可见，初期支护的内力随着隧道的开挖不断变化。但由于隧道埋深小，初期支护的内力总体偏小。当隧道开挖完成时，初期支护的最大弯矩为 5.81 kN·m，最大轴向压力为－321.00 kN，最大剪力为19.30 kN。经过验算，初期支护的抗弯、抗剪强度均满足施工要求。