胡建剛,董小恒,牛寶琪

（陜西地礦綜合地質(zhì)大隊(duì),陜西 渭南 714000）

富水黃土地層隧道開挖破壞的有限元分析

胡建剛,董小恒,牛寶琪

（陜西地礦綜合地質(zhì)大隊(duì),陜西 渭南 714000）

我國(guó)西北地區(qū)高速鐵路建設(shè)已經(jīng)開始面臨著富水黃土層隧道開挖問題，雖然我國(guó)在對(duì)黃土隧道的研究已經(jīng)進(jìn)行了半個(gè)多世紀(jì)，但其理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐，并沒有形成真正考慮黃土特性的完整設(shè)計(jì)方法。因此，本文用有限元方法對(duì)富水黃土地層隧道開挖進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)踐的中隧道開挖破壞計(jì)算有著重要意義。

富水黃土地層;隧道開挖;有限元分析

0　前言

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)工程的飛速發(fā)展，西北地區(qū)的高速鐵路已逐步開始建設(shè)，在黃土地區(qū)建設(shè)高鐵工程，必然要考慮黃土濕陷性問題，特別是修建穿越大型灌溉地區(qū)的黃土隧道，富水黃土地層會(huì)產(chǎn)生地層的不均勻沉降，隧道頂部的浸水塌方等等，所以富水黃土地層隧道施工中的問題研究具有重要的意義。

1　工程概況及數(shù)值模型

寶蘭客運(yùn)專線穿越了陜西省的西部以及甘肅省的東部地區(qū)，沿線地貌單元較為復(fù)雜，分別有關(guān)中盆地，隴南山與西秦嶺北緣過(guò)渡帶山區(qū)，天理盆地低山–丘陵區(qū)，黃土高原溝壑及黃河河谷蘭州盆地區(qū)等五個(gè)地貌單元。線路全長(zhǎng)400公里，隧道工程總計(jì)73座，隧線比高達(dá)68%，其中有特長(zhǎng)隧道6座，長(zhǎng)度共計(jì)74.5km，長(zhǎng)隧道28座，長(zhǎng)度共計(jì)145.2km，中長(zhǎng)隧道23座，長(zhǎng)度共計(jì)45.3km，短隧道15座，長(zhǎng)度共計(jì)7.2km。

根據(jù)工程狀況，采用有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立尺寸為60m×100m×60m模型，隧道斷面為馬蹄形，寬10m，高11m，覆土深度10m，富水區(qū)位置為隧道縱向50m處，富水帶土層受擾動(dòng)狀況下黃土的粘聚力衰減較快開挖土體模型采用莫爾庫(kù)倫模型，土體模擬參數(shù)見表1：

表1　土體模擬參數(shù)表

2　隧道圍巖塑區(qū)域分析

圍巖塑性區(qū)判據(jù)是從巖土材料強(qiáng)度理論的研究發(fā)展而來(lái)的,土體某一點(diǎn)發(fā)生屈服時(shí),表明土體該點(diǎn)由彈性狀態(tài)過(guò)渡到塑性狀態(tài)。塑性區(qū)的大小能反映圍巖的受力情況,因而以計(jì)算出來(lái)的塑性區(qū)大小作為破壞的判據(jù)。

由圖1述將黃土隧道自然黃土地層和飽和含水地層條件下的開挖過(guò)程圍巖塑性區(qū)云圖進(jìn)行對(duì)比，在自然黃土（即含水率恒定）地層的開挖過(guò)程中，隧道圍巖隨著開挖進(jìn)尺的推進(jìn)，影響區(qū)域并沒有發(fā)生較大的變化，黃土隧道開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較小，黃土體有較強(qiáng)的水敏性，隨著隧道開挖進(jìn)尺的推進(jìn)，圍巖影響范圍趨于穩(wěn)定，而當(dāng)開挖上臺(tái)階觸到50m區(qū)域（即富水區(qū)域）時(shí)，隧道影響區(qū)域迅速擴(kuò)大，圍巖自承能力不足，從圍巖塑性區(qū)發(fā)展云圖可以看出，在開挖至50m時(shí)，圍巖塑性區(qū)云圖變化較大，承載力降低，導(dǎo)致圍巖可能出現(xiàn)病害破壞。

塑性區(qū)的大小與圍巖破壞狀態(tài)無(wú)嚴(yán)格的力學(xué)關(guān)系，黃土隧道在開挖推進(jìn)過(guò)程中，地表張力以及圍巖受影響區(qū)域接近一致，飽和黃土隧道在開挖過(guò)程至50m時(shí)，隧道塑性區(qū)云圖圍巖影響范圍發(fā)生突變，地表張力增大，圍巖有發(fā)生病害的趨勢(shì)，說(shuō)明黃土隧道主要受水的影響，在富水區(qū)域隧道圍巖將發(fā)生突變。

3　隧道圍巖沉降位移分析

由圖3述黃土隧道開挖過(guò)程位移圖的對(duì)比可得：在富水條件下隧道開挖推進(jìn)至50m時(shí)，隧道拱頂沉降量突然增大，可能導(dǎo)致病害的發(fā)生。

由圖4述對(duì)比可知，黃土隧道在開挖過(guò)程中，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響較小，而在富水區(qū)域時(shí)，拱頂沉降量會(huì)發(fā)生突變，急劇增大，會(huì)導(dǎo)致掌子面的涌泥塌方破壞。黃土隧道開挖過(guò)程位移圖的對(duì)比可得：在恒定含水率條件下隧道開挖進(jìn)尺的推進(jìn)對(duì)地表沉降量的影響較小，地表沉降在可控制范圍。在富水條件下隧道開挖推進(jìn)至50m時(shí)，隧道拱頂沉降量突然增大，可能導(dǎo)致病害的發(fā)生。

4　結(jié)語(yǔ)

黃土地層隧道開挖的破壞方式進(jìn)行分析，針對(duì)10m埋深隧道開挖過(guò)程的塑性區(qū)云圖以及位移圖進(jìn)行對(duì)比，以確定水作用下圍巖穩(wěn)定性的影響以及破壞方式，從位移云圖定性的分析在富水狀態(tài)下拱頂?shù)某两盗?。通過(guò)比較說(shuō)明黃土這種水敏性地層，在水存在的作用下，承載能力會(huì)發(fā)生突變，從而應(yīng)該加強(qiáng)防護(hù)措施，做好監(jiān)控量測(cè)。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.112