人工填土層地段隧道施工的數值模擬分析

王春景

(中鐵十二局集團第七工程有限公司， 湖南長沙 410004)

人工填土層地段隧道施工的數值模擬分析

王春景

(中鐵十二局集團第七工程有限公司， 湖南長沙 410004)

針對某隧道進口明挖段地層結構松散、力學性能差，采用常規的支護措施難以達到預期效果的問題，提出采用地表減載、利用鉆孔樁加橫支撐、蓋挖法等多種措施，并應用數值模擬方法研究其安全性。結果表明，通過這些措施的綜合利用，可以保證隧道施工安全，降低隧道施工風險。

隧道工程;基坑開挖;蓋挖法;數值模擬

0 引言

隧道明挖段多采用放坡開挖或基坑圍護開挖［1～4］。某隧道進口明挖段為填土層，主要為素填土、雜填土，厚度為10～20 m，結構松散，工程性質極差，圍巖級別為Ⅵ級。為保證施工安全，采取地表減載、鉆孔樁加橫支撐、蓋挖法等。本文主要對該施工方案進行數值模擬，分析其施工力學特性及施工安全性。

1 施工方案介紹

根據隧道進口現場施工情況調查，為確保隧道施工安全，經過多方共同分析研究，提出了地表減載，利用鉆孔樁加橫支撐，然后進行蓋挖的方法，具體方案如下。

(1)地表減載處理。對鉆孔樁范圍間的人工填土地層采取垂直明挖減載處理。

(2)鋼支撐設置。在基坑頂面以下設置兩道橫向鋼支撐。

(3)套拱加固。完成地表減載及鋼支撐施工后，設置1.0 m厚的C30套拱加固。

(4)錨桿加固。在隧道最大跨度處設置2根Φ32錨桿，錨桿鉆孔直徑為Φ110 mm并結合隧道初期支護中的I20a鋼架設槽鋼縱向連接，共同受力。

(5)套拱與鉆孔樁連接。在拱座處，套拱與鉆孔樁采用植筋后錨固方式。

(6)隧道主體初支鋼架與套拱采用預埋鋼板方式連接，四周全面焊接預埋鋼板與鋼架連接鋼板。

(7)隧道內施工改用3臺階法。

具體的工序如圖1所示。

圖1 穿越人工填土層施工方案(單位:cm)

2 數值仿真模型的建立

由于基坑開挖可以看成平面應變問題，所以建立二維平面模型進行分析。其中圍巖和套拱采用平面應變單元，鉆孔灌注樁、橫撐和錨桿、初期支護和二次襯砌采用梁單元模擬。圍巖采用莫爾庫侖屈服準則，材料參數根據地質資料和相關規范選取，具體見表1。單元共計劃分了1298個單元，1167個節點，左右邊界和底邊界約束法向位移，而頂面為自由表面。網格劃分如圖2所示［5］。

表1 計算力學參數

圖2 模型網格劃分

3 數值模擬結果分析

3.1 地表和圍巖水平位移分析

基坑開挖和隧道開挖過程中圍巖部分水平位移分布情況見圖3，不同開挖工序下的地表水平位移情況見圖4。從圖3、圖4中分析可得出下述結論。

圖3 不同開挖工序下圍巖的水平位移分布情況

圖4 不同開挖工序下地表水平位移

(1)圍巖整體水平位移呈現左右對稱分布，這是因為結構和受力是對稱的;較大的水平位移在第一次基坑開挖過程中，集中在開挖底板的坑角處和坑壁周圍，第二次基坑開挖過程中集中在開挖底板至第二道橫撐的位置，而在隧道開挖時集中在兩側拱腰上方;最大水平位移在第一次基坑開挖到隧道中臺階開挖過程中，不斷增大，而在隧道下臺階開挖后，最大水平位移降低，這是由于此時隧道初期支護結構閉合的緣故。

(2)地表水平最大值發生在第一次開挖工序，即基坑向下開挖3 m，還未設置橫撐，最大值達到24 mm，滿足地表水平位移變形安全性的要求;第一次開挖時，地表水平位移表現為距離基坑周邊越近，水平位移越大，而距離基坑越遠，則水平位移越小;從

曲線的梯度可以看出，第一開挖主要影響范圍為距 離基坑周邊16 m，約1倍的基坑開挖寬度。

(3)在隨后的開挖工序中，地表水平位移的分布形態發生變化，呈現一個橫臥的“S”形狀，即在距離周邊12.5 m的位置，也是約1.5倍基坑開挖深度，出現了最大的水平位移，而在距離基坑周邊2.5 m位置出現了水平位移極小值;在地表距離基坑周邊2.5 m 以內，地表水平位移減小，而在2.5～1.5 m內，水平位移增大，12.5 m以后，水平位移又降低，這一方面由于橫撐的作用，另一方是由于距離遠，則基坑對地表或圍巖的擾動越小。

(4)第二次基坑開挖后，在距離基坑8 m的范圍(約此時基坑開挖深度的1倍)，地表水平位移降低，而超過8 m范圍外，地表水平位移增大;在隨后的開挖工序中，地表水平位移略微降低，在下臺階開挖使得結構閉合后，水平位移降低的最多。

3.2 地表和圍巖沉降分析

圖5給出了基坑開挖和隧道開挖過程中的圍巖沉降分布情況，圖6給出了地表在不同開挖工序下的地表沉降情況。分析可知:基坑開挖底部和隧道各臺階開挖底板發生隆起，基坑周邊也發生隆起，這是由于開挖卸荷的作用，而在距離基坑周邊一定距離發生沉降;從地表沉降曲線可以看出，地表最大沉降發生在距離基坑周邊約7.5 m的距離，最大沉降值為10 mm，小于常規的地表沉降控制要求;值得注意的是，隨基坑開挖和隧道的開挖，地表沉降不斷減小，這一方面由于水平位移較小，另一方面由于開挖深度越大，則向上的卸載越大。

圖5 不同開挖工序下圍巖的沉降分布情況

圖6 不同開挖工序下地表沉降分布情況

3.3 圍護結構受力分析

圖7給出了基坑開挖和隧道開挖過程中的鉆孔樁彎矩。分析可知:對于鉆孔樁，其最大正負彎矩均隨著基坑開挖和隧道開挖而增大，彎矩絕對值最大達到1163 kN.m，換算成應力達到23 MPa，量值較大。對于橫撐，第一道橫撐隨著開挖的進行，軸力不斷減小;而第二道橫撐是先減小后增大;對比第一道橫撐和第二道橫撐，可知第一道橫撐軸力小于第二道橫撐軸力;最大橫撐軸力為855 kN，換算成應力為33 MPa，小于橫撐允許應力。

圖7 不同開挖工序下圍護樁彎矩分布情況

4 結論

人工填土結構松散，力學性能差，遇水極易失穩，采用常規的支護措施，難以達到預期的效果。數值模擬結果表明，通過采取地表減載、利用鉆孔樁加橫支撐、蓋挖法等多種措施，可以保證隧道施工安全，降低隧道施工風險。

［1］ 尹光志，曹多陽，李 鈴.復雜地質條件下隧道圍巖和支護穩定性分析［J］.湖南科技大學學報(自然科學版)，2007，22(2):65－67.

［2］ 章新生.順層軟弱圍巖隧道洞口段施工技術初探［J］.鐵道標準設計，2005，(2):74－76.

［3］ 謝卓雄.小凈距隧道近接施工圍巖穩定性及結構力學行為特征研究［D］.成都:西南交通大學土木工程學院，2005.

［4］ 安永林.結合鄰近結構物變形控制的隧道施工風險評估研究［D］.長沙:中南大學，2009.

［5］ 史勝利.軟基淺埋隧道施工技術［J］.長沙鐵道學院學報(社會科學版)，2007，8(1):141－142.

2011－03－01)

王春景(1966－)，男，湖南漢壽人，碩士，工程師，主要從事土木工程施工與管理方面的工作。