郭 健，王起才，唐述林，趙 侃

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070;2.中鐵二十一局集團(tuán)公司，蘭州 730000)

在隧道施工中，由于隧道的開(kāi)挖將造成土體應(yīng)力重分布，因此在一定的巖土環(huán)境中，隧道的開(kāi)挖方式對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性及地表沉降影響很大［1］。同時(shí)，由于隧道施工方法不當(dāng)而造成的隧道坍方、地表坍陷等事故也是時(shí)見(jiàn)報(bào)道，這不但影響工期，還會(huì)增加成本，造成不良的社會(huì)影響。對(duì)隧道的施工而言，不同的開(kāi)挖順序，在時(shí)空上相當(dāng)于荷載以不同的方式施加在圍巖上［2］。尤其對(duì)于淺埋隧道，上覆土層厚度較小，若圍巖比較松散且自承能力差時(shí)，隧道開(kāi)挖將會(huì)引起很大的地表沉降，往往造成周邊建筑物基礎(chǔ)下沉、傾斜甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。因此在隧道施工前用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)隧道施工過(guò)程中圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化，地表沉降范圍和沉降量的大小，根據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)開(kāi)挖方法、支護(hù)方式及支護(hù)時(shí)機(jī)的確定［3］。本文對(duì)新寶塔山隧道淺埋段的施工過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)數(shù)值模擬與分析，分析結(jié)果對(duì)指導(dǎo)施工起到很大的幫助作用。

1 工程概況

新寶塔山隧道位于陜西省延安市境內(nèi)，地處陜北黃土高原梁峁溝壑區(qū)。地表植被一般，第四系覆蓋層較厚，地勢(shì)陡峻，地形起伏較大。高程范圍1 002～1 152 m，隧道最大埋深約146 m，最小埋深2 m。隧道全長(zhǎng)2 161 m。隧道經(jīng)過(guò)地區(qū)出露主要地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土和下伏的侏羅系砂巖夾頁(yè)巖，工點(diǎn)范圍內(nèi)分布著黏(砂)質(zhì)黃土，其濕陷類型主要為非自重，濕陷等級(jí)Ⅰ～Ⅱ級(jí)，濕陷土層厚度約為10 m。隧道由Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)三種圍巖組成，Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)段埋深較小，屬于淺埋隧道。圍巖除少量紅黏土外，大部分為頁(yè)巖夾砂巖層，整個(gè)隧道淺埋段Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)500 m。設(shè)計(jì)中Ⅴ級(jí)圍巖擬采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工。隧道開(kāi)挖洞徑寬B=8.48 m，洞高H=10.52 m。其設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為:φ22系統(tǒng)砂漿錨桿，長(zhǎng)度2.5 m，間距1.2 m×1.2 m;φ8鋼筋網(wǎng)，間距 25 cm×25 cm;I20格柵鋼拱架，縱向間距1.2 m;噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，厚度10 cm;二次襯砌為鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，厚度40 cm。

2 數(shù)值模型與計(jì)算方案

根據(jù)新寶塔山隧道V級(jí)圍巖洞身段的地質(zhì)條件，選取三個(gè)埋深較淺的斷面進(jìn)行分析計(jì)算(由于篇幅所限，此處只列出一個(gè)斷面的計(jì)算結(jié)果)。將實(shí)際斷面經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，建立如圖1所示的有限元計(jì)算模型。模型水平方向從隧道邊墻起取4B(B為隧道開(kāi)挖寬度)作為計(jì)算范圍，豎直方向上邊界取至地表，向下從仰拱底部取3B［4］。確定的分析范圍為:寬度為93 m，高度為37 m。模型邊界條件:左右邊界水平位移約束，頂部為自由面，底部豎向位移約束。根據(jù)隧道圍巖特征，計(jì)算時(shí)假定巖體遵循理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用彈塑性平面應(yīng)變模型，巖體初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮其自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力。圍巖采用平面應(yīng)變單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬，格柵鋼拱架和初次襯砌混凝土都采用梁?jiǎn)卧M。計(jì)算中材料的參數(shù)取值參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003 －2001)［5］，具體數(shù)值見(jiàn)表1。計(jì)算中為了反映圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)以及施工的先后順序，將地應(yīng)力按照施工過(guò)程分成幾部分逐步釋放，計(jì)算中采用的應(yīng)力釋放系數(shù)為毛洞開(kāi)挖釋放應(yīng)力∶施加錨桿釋放應(yīng)力∶噴混凝土釋放應(yīng)力 =0.50∶0.25∶0.25［6-9］。計(jì)算中只考慮自重應(yīng)力，自重應(yīng)力由程序計(jì)算。為了使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際值，數(shù)值分析計(jì)算中，把整個(gè)施工過(guò)程分成以下步序來(lái)加以模擬分析:第1步，環(huán)形土開(kāi)挖;第2步，拱頂周邊噴錨支護(hù);第3步，核心土開(kāi)挖;第4步，下臺(tái)階開(kāi)挖;第5步，邊墻周邊噴錨支護(hù);第6步，仰拱施工。開(kāi)挖步驟如圖2所示。

為了便于說(shuō)明和分析計(jì)算結(jié)果，選取計(jì)算模型開(kāi)挖邊界上的14個(gè)特征點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果來(lái)分析施工過(guò)程圍巖的位移和應(yīng)力變化，特征點(diǎn)編號(hào)如圖2所示。

圖1 有限元計(jì)算網(wǎng)格

圖2 特征點(diǎn)和開(kāi)挖步驟

表1 隧道圍巖及初期支護(hù)計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降變形分析

為了分析隧道施工過(guò)程中地表沉降的變化情況，以隧道中線和地面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將地表的12個(gè)特征點(diǎn)的豎向位移隨開(kāi)挖過(guò)程的變化情況繪出，如圖3所示。由圖可知，在隧道施工過(guò)程中，隧道拱頂附近地表沉降值最大，累積下沉變形量為9.5 mm，隧道中心線兩側(cè)40 m以外的地表沉降值很小，且沉降主要發(fā)生在環(huán)形土開(kāi)挖的過(guò)程中，即第1、2步，后續(xù)施工步地表沉降變化很小。

圖3 地表沉降隨施工過(guò)程變化

3.2 塑性區(qū)變化規(guī)律

圍巖的塑性區(qū)隨施工過(guò)程的變化如圖4所示，由圖可見(jiàn)在施工過(guò)程中圍巖的塑性變形主要在環(huán)形土開(kāi)挖過(guò)程出現(xiàn)，塑性區(qū)主要分布在拱腳附近區(qū)域。由于隧道有一定的偏壓，右側(cè)拱腳塑性區(qū)較左側(cè)大，核心土開(kāi)挖之后隨著施工的進(jìn)行塑性區(qū)變化不大。由于淺埋段隧道拱腳以上土層為老黃土，黃土的抗壓強(qiáng)度較低，由塑性區(qū)的分布情況可見(jiàn)，開(kāi)挖過(guò)程中拱腳處可能會(huì)出現(xiàn)圍巖壓潰現(xiàn)象，造成隧道在施工過(guò)程發(fā)生拱頂坍塌。故在隧道施工中應(yīng)加強(qiáng)量測(cè)，并在開(kāi)挖后及時(shí)施工錨噴支護(hù)。

圖4 圍巖塑性區(qū)隨施工過(guò)程變化

3.3 洞周位移變化

1)洞周水平位移變化

由于隧道有一定偏壓，邊墻水平位移變化呈現(xiàn)一側(cè)大一側(cè)小的現(xiàn)象。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出特征點(diǎn)2，3，4，12，13，14的水平位移隨開(kāi)挖過(guò)程的變化曲線如圖5(a)所示。由圖可見(jiàn)環(huán)形土開(kāi)挖后水平位移變化最大，隨后水平位移的增幅減小，最大水平位移出現(xiàn)在拱腳附近。兩側(cè)邊墻圍巖向洞內(nèi)的累積水平收斂位移量最大為12.9 mm。

2)洞周豎向位移變化

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出拱頂特征點(diǎn)1，2，3，13，14的豎向位移隨開(kāi)挖過(guò)程的變化曲線，如圖5(b)所示?？梢?jiàn)環(huán)形土開(kāi)挖后拱頂豎向位移急劇增大，隨后豎向位移的增幅逐漸減小，施工結(jié)束后拱頂?shù)淖畲蟪两盗繛?5 mm，與地面的最大沉降位置基本一致。因此施工中為防止拱頂大面積坍塌，拱頂部位除設(shè)置系統(tǒng)錨桿外，應(yīng)采取超前支護(hù)措施。

圖5 洞周位移隨施工過(guò)程變化

3.4 初期支護(hù)內(nèi)力變化

初期支護(hù)的內(nèi)力隨開(kāi)挖過(guò)程的變化如圖6所示。限于篇幅，此處只給出開(kāi)挖完成之后的內(nèi)力圖。由圖6可見(jiàn)，初期支護(hù)的內(nèi)力隨著隧道的開(kāi)挖不斷變化。但由于隧道埋深小，初期支護(hù)的內(nèi)力總體偏小。當(dāng)隧道開(kāi)挖完成時(shí)，初期支護(hù)的最大彎矩為 5.81 kN·m，最大軸向壓力為－321.00 kN，最大剪力為19.30 kN。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，初期支護(hù)的抗彎、抗剪強(qiáng)度均滿足施工要求。

圖6 初次襯砌內(nèi)力隨施工過(guò)程變化

3.5 圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化

圍巖的主應(yīng)力隨施工過(guò)程變化如圖7所示，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)形土開(kāi)挖之后，主要分布在墻腳與拱腳部位，且數(shù)值較大，故容易在這些地方發(fā)生圍巖壓潰破壞，施工時(shí)注意采取預(yù)加固措施。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合以上分析結(jié)果，在淺埋段采取暗挖施工時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

圖7 洞周圍巖主應(yīng)力

1)由于開(kāi)挖引起的地表沉降槽的寬度較寬，沉降量較大，影響范圍較寬，為防止地表沉降引起隧道施工過(guò)程中地表坍塌，應(yīng)對(duì)地表進(jìn)行預(yù)加固處理，提高圍巖強(qiáng)度;施工過(guò)程中隧道頂部應(yīng)采取強(qiáng)支護(hù)弱爆破的施工方法;由于拱腳以上部分巖層主要是老黃土，為防止施工過(guò)程中拱腳壓潰，核心土開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)施工初期支護(hù)。

2)圍巖塑性區(qū)主要出現(xiàn)在環(huán)形土開(kāi)挖后，且主要集中在拱腳附近區(qū)域，拱腳附近的主應(yīng)力也較大，可能會(huì)出現(xiàn)圍巖壓潰現(xiàn)象，施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3)初期支護(hù)的拱頂、墻腳、仰拱部位的彎矩均較小，軸向壓力較大，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的。

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