杨家山黄土连拱隧道数值模拟分析及施工建议

赵 栋

(陕西省交通规划设计研究院有限公司 西安市 710064)

黄土地层受地形、工程地质及水文地质条件影响,洞室成洞能力及围岩压力变化较显著,隧道施工易发生侵限、下沉、冒顶、洞口地表溜塌等问题[1],隧道建成后易发生衬砌开裂、二衬错台、路面隆起等病害,后期处治难度较高,对施工造价、工期影响较大,因此前期设计的隧道选型和结构分析工作较为重要。文章以杨家山隧道地形地质条件下黄土连拱隧道施工阶段模拟为例,对施工过程中关键节点变形进行数值模拟分析。

1 工程概况

如图1所示,杨家山隧道位于陕西省宝鸡市渭滨区石鼓镇境内,东南起于石鼓镇刘家村,经过赵家庄村、石坝河村,终点进入石鼓镇王家河村。隧道所在区地貌主要为黄土梁峁地貌,地形起伏大,整体呈东西向带状展布,西宽东窄,台面受侵蚀切割较为破碎。地表出露地层主要为上更新统及中更新统夹有数层古土壤的黄土,其中上更新统黄土孔隙发育,中更新统黄土密实,承载力较高。下伏中更新统冲洪积层,以卵石土及粉质粘土为主,卵石土承载力高,呈密实状,充填砾砂及粉质粘土;粉质粘土呈硬塑～坚硬状,承载力较高。地下水埋深较深。

图1 洞口段平面图

隧道所在公路等级为双向四车道一级公路,如图2所示,隧道净宽2x10.25m+1m(中隔墙)=[0.75m(左侧检修道)+0.5m(左侧侧向宽度)+3.75m×2(行车道)+0.75m(右侧侧向宽度) +0.75m(右侧检修道)]x2+1m(中隔墙)。隧道右幅位于直线、R=1500m的圆曲线及缓和曲线上,隧道左幅位于直线、R=1600m的圆曲线及缓和曲线上。左右洞测设线间距仅为3.2m,属于典型黄土连拱隧道。

图2 黄土连拱隧道横断面

隧道洞口存在明显偏压情况,采用连拱隧道方案显著增加挖方量及规模,洞口浅埋段坡脚掏底效应更加明显,作用于支护结构的推力较分离式单洞更大。

隧道浅埋段结构采用55cm厚C35钢筋混凝土二衬,考虑到中隔墙受荷载较大,不同于传统连拱隧道,即初支落脚于中墙之上的结构。将初支拱架在中墙侧落底,与仰拱的拱架连接,初支封闭成环,形成类似于单洞的初支结构,提高了结构的受力性能和施工安全系数。此外,中导洞拱顶范围采用φ50×4注浆小导管加固,增大中隔墙支撑围岩范围,增强中隔墙减跨效应。

相较于分离式隧道,连拱隧道施工期主要风险在于后行洞开挖时,中导洞及后行洞附近的土体已受到初次扰动、中间土柱支撑的减弱导致中导洞区域支护结构承受的围岩压力较大[2]。采用连拱方案应加强连拱隧道中隔墙区域支护强度。相较于石质连拱隧道,黄土地区围岩受扰动后变形范围大,作用于支护结构的围岩压力相对较大。黄土隧道后行洞施工的沉降变形对先行洞的影响更为严重[3]。土质地基承载力相对较弱,设计过程中加强对基础进行加固处理。在允许范围内尽可能扩大中隔墙断面,隧道浅埋段中隔墙最薄处调整为104cm,深埋段中隔墙最薄处为118cm,中墙底宽104～118cm,并与钢管状连接,提高了中墙自身的稳定性。中隔墙底部采用扩大基础+φ134钢管桩的形式,要求钢管桩与中隔墙底部钢筋焊接。主洞基础底也采用φ134钢管桩的加固方案。经数值分析计算,中隔墙区域对地基承载力的要求显著大于主洞仰拱结构。洞口结构如管棚套拱基础底,端墙式洞门基底及偏压挡墙基底也同样根据地基承载力情况进行适当加固处理。

通过结合现行抗震规范,采取了多项抗震措施,减少地震对隧道结构的影响。主要采取以下措施:

(1)按照隧道抗震设防级别、抗震设防措施等级选择洞门墙、洞口偏压挡墙、隧道衬砌的材料及强度等级,参考现行抗震规范优化衬砌结构钢筋设计。

(2)为减少地震影响,充分减少隧道浅埋偏压段长度,对洞口偏压土体进行了挖除。

(3)浅埋段设防长度考虑地震因素,综合连拱隧道形式确定浅埋段判定标准;结构形式变化段延伸段参考现行抗震规范执行。

(4)参照现行抗震规范控制明洞回填土坡率及两侧回填高度, 明洞边墙背后采用M10浆砌片石回填,可以有效提高隧道明洞结构抗震能力,合理选用明洞洞顶上方回填材料。对端墙式洞门,洞门墙墙身最薄处不小于0.8m,墙顶高出墙背回填面不小于1m。洞门墙与衬砌设置连接钢筋,连接钢筋直径与衬砌钢筋相同。根据抗震设防等级选择合适的环向间距。洞门墙地基承载力不应小于300kPa。洞门墙基础嵌固深度不小于1.2m。

(5)隧道中隔墙基础采用了扩大断面条形基础,增大了基础嵌固深度,提高了中隔墙的抗震稳定性。

2 杨家山隧道施工变形数值模拟分析

2.1 有限元模型

本项目采用有限元分析软件Midas NX对杨家山隧道进行地层-结构模型计算。根据以往既有类似项目工程实例,隧道浅埋段施工开挖的主要影响范围为隧道跨度的5倍直径左右。隧道跨度约为4.0m,本次模型采用20m长段落进行模拟,中隔墙采用实体单元,如图3和图4所示。

图3 分析模型

图4 中隔墙实体模型

2.2 本构模型及荷载边界条件

模拟采用莫尔-库伦本构模型,采用Midas NX内置的混合网格生成器进行单元生成;衬砌采用板单元进行模拟,初期支护采用析取单元模拟,采用提高强度等效土层参数来模拟注浆小导管加固圈。几何边界条件为模型四周施加横向的水平位移约束。模型底部施加固定约束,地表为自由。

2.3 隧道施工模拟

本次计算模型模拟连拱隧道开挖的施工过程,其施工流程重点考虑内容如下:

(1)隧道施工过程中,考虑先行洞与后行洞的互相影响。

(2)模拟时主洞均采用单侧壁导洞开挖方法,主洞开挖前应对中导洞一侧区域回填反压处理。

(3)为模拟中隔墙顶部注浆加固施工,采用改变单元参数的方式模拟加固区域效果。

(4)为模拟初期支护落底效果,将中导洞初期支护在主洞初支落底前断开处理。

2.4 参数取值

结合上述内容及既有规范和工程经验,结构材料参数取值见表1。

表1 结构材料参数

根据既有工程地质勘探报告,土层参数取值如表2所示。

表2 地层物理力学参数

2.5 具体施工阶段模拟步骤

黄土公路连拱隧道工程数值模拟步骤如图5～图8所示。

图5 初始地应力模拟分析(位移清零)

图6 中导洞开挖施作中隔墙

图7 先行洞开挖施工

图8 后行洞开挖施工

2.6 计算结果

为了得出中导洞拱腰及拱顶附近的初期支护沉降,在模型中设置了监测点,便于提取或示意各点处的沉降。

根据图9的计算结果,隧道中导洞拱腰最大沉降值约为26cm,后行洞处最大沉降值约为61.5cm,均不满足安全施工要求。从分布位置可以看出,先行洞和后行洞拱顶沉降均较大。如不及时施工先行洞二次衬砌,先行洞拱顶沉降也会受影响增大,后行隧道开挖后,拱顶位移显著增大,后行洞的拱顶沉降显然超出了安全施工要求。

图9 连拱隧道各监测点处沉降值—Uz

3 结论及建议

3.1 结论

本项目鉴于特殊的地形地质条件,从数值模拟结果可以看出,最大沉降超过50cm,远超过既往案例沉降允许变形值,可以说明本项目采取连拱隧道形式,后期的投资规模和施工难度均较大。

(1)文中给出了黄土公路连拱隧道工程数值模拟步骤,列出了初期支护落底条件下施工阶段的模拟思路。

(2)模拟结果显示,中隔墙区域受到的围岩压力较大,中隔墙基底易沉降。中隔墙基底由于有效的加固与主洞地基存在刚度差,易发生不均匀沉降。

(3)综合既有黄土隧道案例,推荐本项目采用小净距或分离式隧道方案。

3.2 建议

由于数值模拟计算,无法考虑众多的环境条件,只能作为参考,针对黄土区隧道,提出以下建议:

(1)位于地下水位线以下的黄土隧道,应尽量避免采用连拱结构。

(2)黄土连拱隧道需考虑地震影响,参照现行隧道抗震规范进行验算。

(3)施工过程中应根据监控量测结果与现场开挖实际情况对施工方案和设计参数进行优化调整,确保施工过程及运营安全。