【摘 要】 文章針對(duì)某一黃土隧道的圍巖變形監(jiān)控量測(cè)，以及圍巖變形的模型計(jì)算，并通過(guò)有限元軟件模擬分析，研究出黃土隧道中仰拱布設(shè)位置與掌子面之間的合理間距。綜合分析計(jì)算結(jié)果可知：仰拱對(duì)黃土隧道圍巖的有效作用范圍在6m到25m。

【關(guān)鍵詞】仰拱；有效應(yīng)力；圍巖；合理間距

0.引言

黃土是一種在干燥氣候條件下形成的多孔性具有柱狀節(jié)理的黃色粉性土，廣泛的分布在我國(guó)西北部地區(qū)，其工程特性較差，強(qiáng)度較低，開挖后變形量較大，因此在黃土隧道中，對(duì)于支護(hù)作用要求較高。仰拱作為隧道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在增強(qiáng)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面起著重要的作用。文章從工程實(shí)際出發(fā)，分析黃土隧道中仰拱對(duì)隧道圍巖的作用機(jī)理，提出仰拱布設(shè)距離掌子面的合理間距。

1.工程概況

1.1 地質(zhì)條件

某隧道最大埋深約32m，遂址地層單一，屬第四系上更新統(tǒng)（ ）新黃土，其地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1

表1 Q3新黃土的地質(zhì)參數(shù)

土質(zhì)天然容重

（kN/m3）天然含水率

（%）液限

（%）塑限

（%）凝聚強(qiáng)度

（kPa）內(nèi)摩擦角

Q3eol15.9615.6628.520.0 45.92 28。03`

1.2 隧道概況

該隧道總體走向呈南北向曲線展布。采用小凈距隧道（測(cè)設(shè)線間距：進(jìn)口9.7m，出口13.4m），其中：左線長(zhǎng)215m；右線長(zhǎng)380m。隧道最大埋深約32m，洞軸線走向方位角約135。。根據(jù)施工的進(jìn)展，這里僅以左洞為研究對(duì)象，沒(méi)有考慮右洞及小凈距的影響。

2.計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型的建立

為了計(jì)算出仰拱布設(shè)處距掌子面的距離的有效范圍，以確保圍巖收縮變形在允許范圍內(nèi)，進(jìn)而從定量上說(shuō)明仰拱在維護(hù)圍巖穩(wěn)定性起到的作用。將隧道的受力作用簡(jiǎn)化為一個(gè)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型。

模型將仰拱、圍巖、掌子面等簡(jiǎn)化為一簡(jiǎn)支梁，其中一端鉸接，該端是仰拱布設(shè)位置；另一端固結(jié)，該端是掌子面位置；中間段為簡(jiǎn)化的圍巖，所受力為土體重力，由于隧道施工是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，其受力特性也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的，對(duì)于某一特定的時(shí)間段，該模型可以簡(jiǎn)單的模擬計(jì)算出這一特定時(shí)間段的力學(xué)結(jié)果。模型前面部分假定為三角形分布，后面部分假定為矩形分布，與實(shí)際土體地質(zhì)勘測(cè)基本相符。其模型簡(jiǎn)圖如圖1所示：

圖1 隧道計(jì)算模型 圖2 進(jìn)洞20m計(jì)算模型

通過(guò)對(duì)計(jì)算模型的力學(xué)分析可以得出所要求得的結(jié)果。

2.2 求得基本參數(shù)

為了計(jì)算梁體的最大位移值，需要先求出梁體的力學(xué)參數(shù)EI值，以及土體本身的自重。首先通過(guò)對(duì)實(shí)際工程中監(jiān)控量測(cè)所得到的數(shù)據(jù)分析，計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)。

首先取用隧道開挖20m位置的拱頂下沉數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，洞內(nèi)拱頂下沉觀測(cè)20天進(jìn)洞大約20m，這里取用這20天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)驗(yàn)算所需的基本數(shù)據(jù)。取用左洞樁號(hào)為ZK5+720處的拱頂下沉量，ZK5+720恰好是20m長(zhǎng)的隧道中點(diǎn)，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

計(jì)算得到中點(diǎn)處位移△h=23ql4/2592EI。這里取用樁號(hào)為ZK5+720處的拱頂下沉量作為位移值，其下沉量△h測(cè)=0.06281m，其取值時(shí)間為一個(gè)月監(jiān)測(cè)結(jié)果，能反映出該測(cè)點(diǎn)在無(wú)開挖情況下的最終下沉量的70%，l值取為20m。從而可以得出q/EI的值。

2.3 l允許值確定

根據(jù)上面求解參數(shù)值的過(guò)程及假設(shè)，這里將圖1的計(jì)算模型簡(jiǎn)化為兩個(gè)相互疊加的計(jì)算單元，如圖3及圖4所示：

圖3 簡(jiǎn)化計(jì)算模型一 圖4 簡(jiǎn)化計(jì)算模型二

通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化計(jì)算模型一的中點(diǎn)位移值的計(jì)算，然后減去簡(jiǎn)化計(jì)算模型二的中點(diǎn)位移值，可以得出圖1所示的計(jì)算模型的中點(diǎn)位移值。

計(jì)算簡(jiǎn)化計(jì)算模型一的△h1=23（l1+l2）5q/2592EI·l1，計(jì)算簡(jiǎn)化計(jì)算模型二的△h2=ql24（5l1+3l2）/240EI·l2-ql24（5l1+4l2）/368EI·l1。其中l(wèi)1+l2=l。由此可以得出圖1中點(diǎn)處得位移值為△H=△h1-△h2。

拱頂下沉量控制指標(biāo)的選取，按照《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ042-94）規(guī)定，以及根據(jù)施工設(shè)計(jì)中初襯施工中預(yù)留的變形量為0.15m要求，由于黃土土質(zhì)的地質(zhì)特殊性，取用拱頂下沉量0.1m，即△H控=0.1m。

根據(jù)上面計(jì)算得出△H≤△H控時(shí)計(jì)算得到的距離為最大位移量，計(jì)算得出L≤26.425m，即為了使拱頂下沉量小于0.1m，布設(shè)的仰拱距掌子面的距離要小于26.425m。這里把實(shí)際觀測(cè)的黃土隧道拱頂監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)列表顯示如表3：

表3 拱頂下沉量累積表

樁號(hào)累積下沉量（cm）

ZK5+7103.244

ZK5+7206.281

從表3中得出的數(shù)據(jù)偏小，主要是因?yàn)樗矶撮_挖后沒(méi)有及時(shí)的布點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致前期的拱頂下沉量未能及時(shí)得到，而前期的下沉量一般是比較大的。

3.仰拱的合理間距模擬分析

選用ABAQUS有限元軟件對(duì)整個(gè)隧道及山體按照原尺寸進(jìn)行有限元模擬，模擬分析出在有無(wú)仰拱的情況下，拱頂下沉位移量及其應(yīng)力大小，通過(guò)分析對(duì)比得出黃土隧道中仰拱距掌子面的合理間距。

說(shuō)明：1.隧道進(jìn)洞深度取為40m；2.仰拱布設(shè)在洞口處，長(zhǎng)度為4m；注：1、2點(diǎn)根據(jù)實(shí)際工程情況選取，即在進(jìn)洞40m時(shí)，仰拱布設(shè)了4m長(zhǎng)。3.模擬時(shí)，分為布設(shè)仰拱和未布設(shè)仰拱兩種情況模擬。4.模擬時(shí)選用的材料參數(shù)如表所示：

參數(shù)

材料密度

（g/m3）楊氏模量

（N/m2）泊松比

摩擦角膨脹角粘聚力

（N/m2）

黃土15964×1070.328. 05o17.83o45290

襯砌25512.85×10100.167---

仰拱25512.8×10100.167---

3.1 拱頂下沉量模擬

拱頂下沉量模擬同樣是在布設(shè)仰拱和未布設(shè)仰拱兩種情況下，取的進(jìn)洞長(zhǎng)度為40m，其模擬分析的拱頂下沉量對(duì)比圖，如下圖5所示：

圖5 拱頂下沉量對(duì)比圖 圖6拱頂處mise應(yīng)力對(duì)比分析圖

從圖5可以得出：1.兩種情況下，拱頂下沉量隨著進(jìn)洞深度變化其變化趨勢(shì)基本一致；2.兩種情況在洞口處拱頂下沉量的圖形很不一樣，布設(shè)仰拱處的下沉量較平穩(wěn)，而未布設(shè)仰拱的的下沉量有大的突變；3.布設(shè)仰拱的下沉量從總體上來(lái)說(shuō)比未布設(shè)仰拱的要小2-3個(gè)mm，最大的地方小了4mm，說(shuō)明仰拱布設(shè)對(duì)于黃土隧道圍巖位移變化量影響不大；4.從圖6中可以得出，布設(shè)仰拱的作用范圍到了30m左右，進(jìn)洞30m后的拱頂下沉量?jī)烧呋疽恢铝耍由涎龉?m長(zhǎng)度，得出仰拱作用有效距離為25m，這與前面計(jì)算模型得出的結(jié)論是一致的。

這里列出實(shí)測(cè)拱頂下沉量的觀測(cè)值，與模擬的值進(jìn)行對(duì)比，如表5所示：

表5 拱頂下沉量累積表

樁號(hào)累積下沉量（cm）

ZK5+7103.966

ZK5+7207.862

ZK5+7303.922

ZK5+7354.672

ZK5+7404.911

從表5中得出，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相差較大，比模擬的數(shù)據(jù)小了很多，但最大位移值所在的位置基本吻合。分析原因是由于實(shí)際觀測(cè)的時(shí)間過(guò)于滯后，洞體開挖后未能及時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，使的在觀測(cè)前，拱頂就累積了很大一部分下沉量。

3.2 拱頂處的受力模擬對(duì)比分析

拱頂處的受力在有無(wú)仰拱的情況下表現(xiàn)不一樣，這里通過(guò)模擬分析，得出數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)上加以說(shuō)明。分析的受力情況取用mises應(yīng)力來(lái)說(shuō)明，其模擬分析拱頂處mise應(yīng)力對(duì)比圖6。

從圖6可以看出：1.隨著進(jìn)洞洞深度變化，兩者的應(yīng)力變化趨勢(shì)一樣；2.前10m有仰拱的mise應(yīng)力明顯大于無(wú)仰拱的；3.10m到18m無(wú)仰拱的mise應(yīng)力大于有仰拱，18m到30m有仰拱的mise應(yīng)力大于無(wú)仰拱的；4.30m后兩者mise應(yīng)力基本相等。

分析對(duì)比得出：1.前10m范圍內(nèi)，仰拱的布設(shè)可以明顯加大圍巖的有效應(yīng)力，特別是前6m，分析原因：仰拱的剛度遠(yuǎn)大于黃土的，仰拱的布設(shè)使得圍巖的位移量減小，應(yīng)力得不到釋放，加大了圍巖的應(yīng)力。因此，仰拱的布設(shè)距掌子面的距離要大于6m；2.10m到30m范圍內(nèi)，兩者應(yīng)力差別不大，說(shuō)明在此范圍內(nèi)，兩者趨于一致；3.30m后，兩者應(yīng)力大小一致，說(shuō)明仰拱的作用范圍小于25m。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面對(duì)黃土隧道中仰拱作用范圍的研究分析，可以得出如下結(jié)論：① 通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型計(jì)算結(jié)論可知，仰拱布設(shè)距離掌子面要小于26.425m；② 布設(shè)仰拱與未布設(shè)仰拱相比，對(duì)其周圍圍巖的位移減小量不大，但其可以避免周圍圍巖進(jìn)一步變大的趨勢(shì)；③ 仰拱的布設(shè)距離掌子面的有效作用范圍為6m到25m之間，小于6m即不利于圍巖穩(wěn)定性，也壓縮了掌子面的施工空間，大于25m仰拱作用明顯減小，因此，仰拱布設(shè)距離掌子面的合理距離在6m到25m之間。

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