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        不同埋深對(duì)富水黃土地層隧道開挖破壞的有限元分析

        2016-12-06 09:55:18胡建剛牛寶琪董小恒
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年21期
        關(guān)鍵詞:圍巖分析

        胡建剛,牛寶琪,董小恒

        (陜西地礦綜合地質(zhì)大隊(duì),陜西 渭南 714000)

        不同埋深對(duì)富水黃土地層隧道開挖破壞的有限元分析

        胡建剛,牛寶琪,董小恒

        (陜西地礦綜合地質(zhì)大隊(duì),陜西 渭南 714000)

        目前高速鐵路建設(shè)在富水黃土層隧道開挖問題,沒有形成黃土特性的完整設(shè)計(jì)方法。本文采用有限元法對(duì)不同埋深情況下的黃土隧道圍巖發(fā)展進(jìn)行對(duì)比分析,以得出黃土隧道埋深對(duì)圍巖變形的影響。對(duì)實(shí)踐的中黃土隧道開挖問題有著重要意義。

        埋深;富水黃土地層隧道;開挖破壞;有限元分析

        0 前言

        高速鐵路已開始建設(shè)在黃土地區(qū)建設(shè),在富水黃土地層會(huì)產(chǎn)生隧道頂部的浸水塌方問題,塌方是隧道和地下工程施工中最為常見的工程事故,其相應(yīng)的塌方事故處理方案也已經(jīng)為往后的建設(shè)積累了相應(yīng)的豐富經(jīng)驗(yàn),但對(duì)黃土隧道的研究還不盡完善,還不能徹底的避免工程事故的發(fā)生,所以還需要做進(jìn)一步的研究。

        1 數(shù)值模型的確定

        根據(jù)寶蘭專線工程狀況,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,富水區(qū)位置為隧道縱向50m處,埋深分別為10m、20m、30m,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)見下表:

        表1 土體模擬參數(shù)表

        2  隧道圍巖塑性區(qū)域分析

        由上述對(duì)比可以看出,在含水率恒定地層中,黃土隧道在開挖至50m時(shí),隨著埋深的增加,圍巖的擾動(dòng)范圍增加,導(dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性降低。富水地層黃土隧道開挖圍巖影響范圍較含水率恒定底層大,針對(duì)埋深增加的情況,影響區(qū)域也在逐漸擴(kuò)大。由此可得,黃土隧道開挖時(shí)穩(wěn)定性受水和埋深的影響。

        3  隧道圍巖沉降對(duì)比分析

        由上述位移發(fā)展云圖對(duì)比可以得出,黃土隧道在開挖過程中受上層覆土埋深的影響,隨著埋深的增大,拱頂沉降量越來越大。由上述圖5-4位移發(fā)展云圖對(duì)比可以得出,含水量恒定地層,黃土隧道在開挖過程中受上層覆土埋深的影響,隨著埋深的增大,拱頂沉降量越來越大,埋深較淺時(shí),隧道拱頂上方形成豎直的塌落區(qū)域,埋深為20m時(shí),隧道頂部的塌落區(qū)域更加明顯,一直延伸到地面,埋深為30m時(shí),在接近地面時(shí),塌落區(qū)域的范圍逐漸減小,底部的回彈的變形也會(huì)隨著埋深的增加而增大。顯然易見,同一埋深下,飽和地層的隧道拱頂?shù)某两递^含水量恒定地層較大。

        4 黃土隧道涌水災(zāi)害計(jì)算成果分析

        根據(jù)不同含水量下黃土物理力學(xué)參數(shù),通過數(shù)值模擬深淺埋隧道開挖的全過程,基于對(duì)黃土隧道開挖過程進(jìn)行有限差分軟件分析結(jié)果可知,黃土隧道開挖過程對(duì)圍巖的影響較飽和擾動(dòng)黃土隧道開挖過程中圍巖影響小得多,黃土的強(qiáng)垂直節(jié)理發(fā)育,導(dǎo)致其濕陷性極強(qiáng),在水的作用下承載能力極速減小,甚至消失。

        黃土的垂直節(jié)理較發(fā)育,有一定的自穩(wěn)性,而黃土隧道在施工過程中發(fā)生的塌方是突發(fā)性的,并且難以預(yù)見,在淺埋及富水階段更易發(fā)生。對(duì)于黃土隧道在水作用下發(fā)生的涌水塌方情況的處理方法遵循“小塌方,先支后清”“大塌方,先棚后穿”“治塌先治水”的原則。由于黃土隧道的塌方,在后期塌方情況未知的條件下,若先進(jìn)性清方處理則會(huì)導(dǎo)致圍巖的繼續(xù)失穩(wěn),所以對(duì)于小塌方可以先支護(hù),再進(jìn)行清方,對(duì)于大塌方,用注漿加固需要時(shí)間較長(zhǎng),故應(yīng)對(duì)其采用超前管棚和超前小導(dǎo)管進(jìn)行支護(hù),其工序遵循“預(yù)加固,管超前,小斷面,短開挖,強(qiáng)支護(hù),早成環(huán),快封閉,勤量測(cè)”的原則。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文針對(duì)不同埋深條件下富水黃土地層隧道在開挖過程中產(chǎn)生的破壞進(jìn)行分析,對(duì)有水存在下的黃土隧道計(jì)算成果進(jìn)行分析,并提出合理的解決方案,作出合理的處理措施。

        [1]吉武軍.黃土隧道工程問題調(diào)查分析[S].中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司.

        [2]楊曉華,謝永利.公路隧道塌方綜合處置技術(shù)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,24(01).

        [3]康軍.黃土公路隧道工程[M].北京人民交通出版社,2011.

        [4]李強(qiáng).淺埋,富水黃土隧道塌方成因及預(yù)防對(duì)策.山西交通科技2008(06):53-55.

        [5]周永興,何兆益,鄒毅松等.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2007.

        [6]張金柱,郝文廣.黃土隧道塌方情況及病害原因分析.隧道建設(shè),2007(S2):321-324.

        10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.117

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