大西客運專線磨盤山隧道沖溝淺埋偏壓段施工過程受力數值模擬分析

2011-08-02 08:42:34楊燕偉孔海峽陳光榮

鐵道標準設計 2011年12期

楊燕偉，李磊，孔海峽，陳光榮

(中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710032)

隨著交通事業的發展，山區將修建更多的隧道，部分洞段經常出現淺埋偏壓軟弱圍巖，由于圍巖壓力呈明顯不對稱性、不均勻性，從而使支護受偏壓荷載，施工中稍有不慎將出現塌方的嚴重事故。因此，提出合理的隧道淺埋偏壓段下穿方案，對施工過程研究就十分重要。佘健等[1]運用大型有限元軟件ANSYS對軟弱圍巖段隧道施工過程進行了三維數值模擬計算，得出了圍巖位移的變化規律;楊小禮等[2]采用雙側壁導坑法，對淺埋小凈距雙洞六車道偏壓公路隧道在不同開挖順序下進行施工力學數值模擬，分析不同開挖順序時的圍巖位移、應力、地表位移以及塑性區的變化，并進行了比較;王明年等[3-4]通過模型試驗對軟弱圍巖下3孔小凈距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術和施工力學進行研究，對不同的圍巖預加固強度和施工進尺進行了評價。然而，針對三臺階七步開挖法施工的大斷面黃土隧道Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段施工過程的研究并不多見。因此，以大西鐵路客運專線2標段內的磨盤山隧道進口淺埋偏壓段為工程依托，在室內試驗獲取土力學參數基礎上，通過數值模擬研究黃土隧道淺埋偏壓段Ⅴ級圍巖在不同施工階段的受力狀況。

1 工程概況

大西鐵路客運專線磨盤山隧道進口里程DK211+605～DK211+625處沖溝溝底坡度約為40°，沖溝走向與隧道軸線基本垂直，該沖溝溝底地形左高右低，沖溝右側溝底基本與隧道開挖線相切，地形引起的隧道偏壓嚴重。根據地質資料顯示，工程深度范圍內土層自上而下為:

(1)新黃土(Q3dl+pl):黃褐色，堅硬～硬塑;

(2)老黃土(Q2pl):淺棕紅色，硬塑～軟塑，土體緊密，含鈣質結核層。

該段施工采用三臺階七步開挖法施工，開挖進尺為1榀鋼拱架(0.6 m)，仰拱距離掌子面距離為30 m。地表采取填土反壓措施，以緩解地形原因造成的偏壓，洞內施加φ108 mm大管棚超前支護，下穿施工方案示意見圖1。

圖1 下穿施工方案

2 計算模型的建立

2.1 計算模型基本假定

為了研究隧道開挖所造成的位移和應力狀態，以下述假定為前提:

(1)圍巖為均質的各向同性的連續介質;

(2)沖溝段屬淺埋狀態，只考慮自重造成的初始應力場;

(3)管棚超前支護采用梁單元來模擬;

(4)二次襯砌作為長期安全性儲備，計算時不予考慮。

2.2 計算模型和參數

(1)計算范圍:根據圣維南定理，考慮到尺寸效應引起的計算誤差，隧道中心線兩側取3.5倍洞徑，下邊界為3倍洞徑，上邊界到地表。計算模型如圖2所示。

(2)邊界條件:除上表面為自由邊界外，其余邊界為位移約束邊界條件。

(3)本構模型:摩爾－庫倫模型。

(4)材料參數:按剛度等效的原則，將鋼拱架的彈性模量折算到噴射混凝土。圍巖力學參數由室內試驗獲得[5]。圍巖和支護結構材料參數如表1所示。

圖2 數值模擬計算模型

表1 圍巖和支護結構材料參數

3 計算結果

計算分兩步進行，分別模擬重力場和隧道開挖。通過對磨盤山隧道沖溝淺埋偏壓段施工過程的模擬計算，分析了隧道施工過程中的力學特性，主要結論如下。

3.1 位移分析

(1)由圖3～圖8可以看出，弧形導坑開挖引起的拱頂下沉最大值為4.34 mm，中臺階開挖完畢后拱頂下沉最大值達到17.54 mm，下臺階開挖完畢后拱頂下沉最大值21.88 mm;隧道位移釋放主要發生在隧道中臺階開挖過程，弧形導坑開挖對拱頂下沉影響不大，埋深相對較大的右側拱頂下沉比埋深較小的左側拱頂下沉大。