淺埋暗挖黃土隧道施工過程數值模擬分析

郭 健，王起才，唐述林，趙 侃

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

在隧道施工中，由于隧道的開挖將造成土體應力重分布，因此在一定的巖土環境中，隧道的開挖方式對隧道圍巖穩定性及地表沉降影響很大［1］。同時，由于隧道施工方法不當而造成的隧道坍方、地表坍陷等事故也是時見報道，這不但影響工期，還會增加成本，造成不良的社會影響。對隧道的施工而言，不同的開挖順序，在時空上相當于荷載以不同的方式施加在圍巖上［2］。尤其對于淺埋隧道，上覆土層厚度較小，若圍巖比較松散且自承能力差時，隧道開挖將會引起很大的地表沉降，往往造成周邊建筑物基礎下沉、傾斜甚至導致結構倒塌。因此在隧道施工前用數值模擬方法預測隧道施工過程中圍巖的應力場和位移場的變化，地表沉降范圍和沉降量的大小，根據計算結果結合工程經驗指導開挖方法、支護方式及支護時機的確定［3］。本文對新寶塔山隧道淺埋段的施工過程進行了詳細數值模擬與分析，分析結果對指導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，地處陜北黃土高原梁峁溝壑區。地表植被一般，第四系覆蓋層較厚，地勢陡峻，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2 161 m。隧道經過地區出露主要地層為第四系上更新統風積黏質黃土和下伏的侏羅系砂巖夾頁巖，工點范圍內分布著黏(砂)質黃土，其濕陷類型主要為非自重，濕陷等級Ⅰ～Ⅱ級，濕陷土層厚度約為10 m。隧道由Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級三種圍巖組成，Ⅴ級圍巖區段埋深較小，屬于淺埋隧道。圍巖除少量紅黏土外，大部分為頁巖夾砂巖層，整個隧道淺埋段Ⅴ級圍巖長500 m。設計中Ⅴ級圍巖擬采用環形開挖預留核心土法施工。隧道開挖洞徑寬B=8.48 m，洞高H=10.52 m。其設計支護結構主要參數為:φ22系統砂漿錨桿，長度2.5 m，間距1.2 m×1.2 m;φ8鋼筋網，間距 25 cm×25 cm;I20格柵鋼拱架，縱向間距1.2 m;噴射混凝土強度等級為C25，厚度10 cm;二次襯砌為鋼筋混凝土，混凝土強度等級為C25，厚度40 cm。

2 數值模型與計算方案

根據新寶塔山隧道V級圍巖洞身段的地質條件，選取三個埋深較淺的斷面進行分析計算(由于篇幅所限，此處只列出一個斷面的計算結果)。將實際斷面經過適當的簡化，建立如圖1所示的有限元計算模型。模型水平方向從隧道邊墻起取4B(B為隧道開挖寬度)作為計算范圍，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。根據隧道圍巖特征，計算時假定巖體遵循理想彈塑性本構關系和Mohr-Coulomb屈服準則。為簡化計算，采用彈塑性平面應變模型，巖體初始應力場僅考慮其自重應力，忽略構造應力。圍巖采用平面應變單元模擬，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單元模擬。計算中材料的參數取值參考《鐵路隧道設計規范》(TB 10003 －2001)［5］，具體數值見表1。計算中為了反映圍巖變形的時間效應以及施工的先后順序，將地應力按照施工過程分成幾部分逐步釋放，計算中采用的應力釋放系數為毛洞開挖釋放應力∶施加錨桿釋放應力∶噴混凝土釋放應力 =0.50∶0.25∶0.25［6-9］。計算中只考慮自重應力，自重應力由程序計算。為了使計算結果更接近實際值，數值分析計算中，把整個施工過程分成以下步序來加以模擬分析:第1步，環形土開挖;第2步，拱頂周邊噴錨支護;第3步，核心土開挖;第4步，下臺階開挖;第5步，邊墻周邊噴錨支護;第6步，仰拱施工。開挖步驟如圖2所示。

為了便于說明和分析計算結果，選取計算模型開挖邊界上的14個特征點的計算結果來分析施工過程圍巖的位移和應力變化，特征點編號如圖2所示。

圖1 有限元計算網格

圖2 特征點和開挖步驟

表1 隧道圍巖及初期支護計算參數

3 計算結果分析

3.1 地表沉降變形分析

為了分析隧道施工過程中地表沉降的變化情況，以隧道中線和地面交點為坐標原點，將地表的12個特征點的豎向位移隨開挖過程的變化情況繪出，如圖3所示。由圖可知，在隧道施工過程中，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40 m以外的地表沉降值很小，且沉降主要發生在環形土開挖的過程中，即第1、2步，后續施工步地表沉降變化很小。

圖3 地表沉降隨施工過程變化

3.2 塑性區變化規律

圍巖的塑性區隨施工過程的變化如圖4所示，由圖可見在施工過程中圍巖的塑性變形主要在環形土開挖過程出現，塑性區主要分布在拱腳附近區域。由于隧道有一定的偏壓，右側拱腳塑性區較左側大，核心土開挖之后隨著施工的進行塑性區變化不大。由于淺埋段隧道拱腳以上土層為老黃土，黃土的抗壓強度較低，由塑性區的分布情況可見，開挖過程中拱腳處可能會出現圍巖壓潰現象，造成隧道在施工過程發生拱頂坍塌。故在隧道施工中應加強量測，并在開挖后及時施工錨噴支護。

圖4 圍巖塑性區隨施工過程變化

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一側大一側小的現象。根據計算結果繪出特征點2，3，4，12，13，14的水平位移隨開挖過程的變化曲線如圖5(a)所示。由圖可見環形土開挖后水平位移變化最大，隨后水平位移的增幅減小，最大水平位移出現在拱腳附近。兩側邊墻圍巖向洞內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

根據計算結果繪出拱頂特征點1，2，3，13，14的豎向位移隨開挖過程的變化曲線，如圖5(b)所示?？梢姯h形土開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，施工結束后拱頂的最大沉降量為15 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，拱頂部位除設置系統錨桿外，應采取超前支護措施。

圖5 洞周位移隨施工過程變化

3.4 初期支護內力變化

初期支護的內力隨開挖過程的變化如圖6所示。限于篇幅，此處只給出開挖完成之后的內力圖。由圖6可見，初期支護的內力隨著隧道的開挖不斷變化。但由于隧道埋深小，初期支護的內力總體偏小。當隧道開挖完成時，初期支護的最大彎矩為 5.81 kN·m，最大軸向壓力為－321.00 kN，最大剪力為19.30 kN。經過驗算，初期支護的抗彎、抗剪強度均滿足施工要求。

圖6 初次襯砌內力隨施工過程變化

3.5 圍巖應力場變化

圍巖的主應力隨施工過程變化如圖7所示，最大主應力出現在環形土開挖之后，主要分布在墻腳與拱腳部位，且數值較大，故容易在這些地方發生圍巖壓潰破壞，施工時注意采取預加固措施。

4 結語

綜合以上分析結果，在淺埋段采取暗挖施工時應注意以下幾點:

圖7 洞周圍巖主應力

1)由于開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程中地表坍塌，應對地表進行預加固處理，提高圍巖強度;施工過程中隧道頂部應采取強支護弱爆破的施工方法;由于拱腳以上部分巖層主要是老黃土，為防止施工過程中拱腳壓潰，核心土開挖后應及時施工初期支護。

2)圍巖塑性區主要出現在環形土開挖后，且主要集中在拱腳附近區域，拱腳附近的主應力也較大，可能會出現圍巖壓潰現象，施工時應注意加強監測。

3)初期支護的拱頂、墻腳、仰拱部位的彎矩均較小，軸向壓力較大，表明支護結構的設計參數是合理的。

［1］潘昌實.隧道力學數值方法［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［2］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2002.

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［4］姚勇，晏啟祥，周俐俐.小凈距隧道在不同開挖方式下的力學效應分析［J］.西南科技大學學報，2005，20(2):53-56.

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［6］劉艷青，鐘世航，盧汝綏.小凈距并行隧道力學狀態的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2000，19(9):591-594.

［7］周順華，高渠清，崔之鑒.開挖應力釋放率計算模型［J］.上海力學，1997，18(1):78-98.

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