人工填土层地段隧道施工的数值模拟分析

王春景

(中铁十二局集团第七工程有限公司， 湖南长沙 410004)

人工填土层地段隧道施工的数值模拟分析

王春景

(中铁十二局集团第七工程有限公司， 湖南长沙 410004)

针对某隧道进口明挖段地层结构松散、力学性能差，采用常规的支护措施难以达到预期效果的问题，提出采用地表减载、利用钻孔桩加横支撑、盖挖法等多种措施，并应用数值模拟方法研究其安全性。结果表明，通过这些措施的综合利用，可以保证隧道施工安全，降低隧道施工风险。

隧道工程;基坑开挖;盖挖法;数值模拟

0 引言

隧道明挖段多采用放坡开挖或基坑围护开挖［1～4］。某隧道进口明挖段为填土层，主要为素填土、杂填土，厚度为10～20 m，结构松散，工程性质极差，围岩级别为Ⅵ级。为保证施工安全，采取地表减载、钻孔桩加横支撑、盖挖法等。本文主要对该施工方案进行数值模拟，分析其施工力学特性及施工安全性。

1 施工方案介绍

根据隧道进口现场施工情况调查，为确保隧道施工安全，经过多方共同分析研究，提出了地表减载，利用钻孔桩加横支撑，然后进行盖挖的方法，具体方案如下。

(1)地表减载处理。对钻孔桩范围间的人工填土地层采取垂直明挖减载处理。

(2)钢支撑设置。在基坑顶面以下设置两道横向钢支撑。

(3)套拱加固。完成地表减载及钢支撑施工后，设置1.0 m厚的C30套拱加固。

(4)锚杆加固。在隧道最大跨度处设置2根Φ32锚杆，锚杆钻孔直径为Φ110 mm并结合隧道初期支护中的I20a钢架设槽钢纵向连接，共同受力。

(5)套拱与钻孔桩连接。在拱座处，套拱与钻孔桩采用植筋后锚固方式。

(6)隧道主体初支钢架与套拱采用预埋钢板方式连接，四周全面焊接预埋钢板与钢架连接钢板。

(7)隧道内施工改用3台阶法。

具体的工序如图1所示。

图1 穿越人工填土层施工方案(单位:cm)

2 数值仿真模型的建立

由于基坑开挖可以看成平面应变问题，所以建立二维平面模型进行分析。其中围岩和套拱采用平面应变单元，钻孔灌注桩、横撑和锚杆、初期支护和二次衬砌采用梁单元模拟。围岩采用莫尔库仑屈服准则，材料参数根据地质资料和相关规范选取，具体见表1。单元共计划分了1298个单元，1167个节点，左右边界和底边界约束法向位移，而顶面为自由表面。网格划分如图2所示［5］。

表1 计算力学参数

图2 模型网格划分

3 数值模拟结果分析

3.1 地表和围岩水平位移分析

基坑开挖和隧道开挖过程中围岩部分水平位移分布情况见图3，不同开挖工序下的地表水平位移情况见图4。从图3、图4中分析可得出下述结论。

图3 不同开挖工序下围岩的水平位移分布情况

图4 不同开挖工序下地表水平位移

(1)围岩整体水平位移呈现左右对称分布，这是因为结构和受力是对称的;较大的水平位移在第一次基坑开挖过程中，集中在开挖底板的坑角处和坑壁周围，第二次基坑开挖过程中集中在开挖底板至第二道横撑的位置，而在隧道开挖时集中在两侧拱腰上方;最大水平位移在第一次基坑开挖到隧道中台阶开挖过程中，不断增大，而在隧道下台阶开挖后，最大水平位移降低，这是由于此时隧道初期支护结构闭合的缘故。

(2)地表水平最大值发生在第一次开挖工序，即基坑向下开挖3 m，还未设置横撑，最大值达到24 mm，满足地表水平位移变形安全性的要求;第一次开挖时，地表水平位移表现为距离基坑周边越近，水平位移越大，而距离基坑越远，则水平位移越小;从

曲线的梯度可以看出，第一开挖主要影响范围为距 离基坑周边16 m，约1倍的基坑开挖宽度。

(3)在随后的开挖工序中，地表水平位移的分布形态发生变化，呈现一个横卧的“S”形状，即在距离周边12.5 m的位置，也是约1.5倍基坑开挖深度，出现了最大的水平位移，而在距离基坑周边2.5 m位置出现了水平位移极小值;在地表距离基坑周边2.5 m 以内，地表水平位移减小，而在2.5～1.5 m内，水平位移增大，12.5 m以后，水平位移又降低，这一方面由于横撑的作用，另一方是由于距离远，则基坑对地表或围岩的扰动越小。

(4)第二次基坑开挖后，在距离基坑8 m的范围(约此时基坑开挖深度的1倍)，地表水平位移降低，而超过8 m范围外，地表水平位移增大;在随后的开挖工序中，地表水平位移略微降低，在下台阶开挖使得结构闭合后，水平位移降低的最多。

3.2 地表和围岩沉降分析

图5给出了基坑开挖和隧道开挖过程中的围岩沉降分布情况，图6给出了地表在不同开挖工序下的地表沉降情况。分析可知:基坑开挖底部和隧道各台阶开挖底板发生隆起，基坑周边也发生隆起，这是由于开挖卸荷的作用，而在距离基坑周边一定距离发生沉降;从地表沉降曲线可以看出，地表最大沉降发生在距离基坑周边约7.5 m的距离，最大沉降值为10 mm，小于常规的地表沉降控制要求;值得注意的是，随基坑开挖和隧道的开挖，地表沉降不断减小，这一方面由于水平位移较小，另一方面由于开挖深度越大，则向上的卸载越大。

图5 不同开挖工序下围岩的沉降分布情况

图6 不同开挖工序下地表沉降分布情况

3.3 围护结构受力分析

图7给出了基坑开挖和隧道开挖过程中的钻孔桩弯矩。分析可知:对于钻孔桩，其最大正负弯矩均随着基坑开挖和隧道开挖而增大，弯矩绝对值最大达到1163 kN.m，换算成应力达到23 MPa，量值较大。对于横撑，第一道横撑随着开挖的进行，轴力不断减小;而第二道横撑是先减小后增大;对比第一道横撑和第二道横撑，可知第一道横撑轴力小于第二道横撑轴力;最大横撑轴力为855 kN，换算成应力为33 MPa，小于横撑允许应力。

图7 不同开挖工序下围护桩弯矩分布情况

4 结论

人工填土结构松散，力学性能差，遇水极易失稳，采用常规的支护措施，难以达到预期的效果。数值模拟结果表明，通过采取地表减载、利用钻孔桩加横支撑、盖挖法等多种措施，可以保证隧道施工安全，降低隧道施工风险。

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2011－03－01)

王春景(1966－)，男，湖南汉寿人，硕士，工程师，主要从事土木工程施工与管理方面的工作。