復雜環境條件下黃土隧道施工力學分析

欽 嘯，倪小平，錢曉燕

(湖州吳興恒元公路養護中心)

復雜環境條件下黃土隧道施工力學分析

欽 嘯，倪小平，錢曉燕

(湖州吳興恒元公路養護中心)

重點闡述了公路隧道在淺埋黃土地區穿越窯洞等復雜環境條件下的施工程序，同時運用ANSYS有限元對施工過程進行數值模擬分析，結合施工監控量測的數據，對施工方案進行了充分論證和驗證，研究成果將對以后的類似隧道的施工具有非常重要的指導意義。

復雜環境;黃土隧道;施工力學;數值模擬;監控量測

1 工程概況

趙家莊隧道位于新建鐵路太原至中衛(銀川)山西省呂梁市境內，隧道起訖里程為K178+392～K178+580，全長188 m。主體隧道拱頂埋深1.5～6.6 m，為淺埋隧道，穿越地層均為黃土地質，開挖面積42 m2。隧道主體為曲墻拱形結構，拱墻為C25鋼筋混凝土，初期襯砌斷面厚度60 cm，二期襯砌斷面厚度為80 cm。

出洞前15 m處(K178+565)有三間窯洞與隧道正交，洞口處有五間窯洞，其地面以低于隧道路面標高與隧道重合，加大了開挖、支護難度;洞口位于居民生活區，窯洞較為密集，洞口正上方、右上方、左側、右側、下方均有窯洞，施工過程中可能會對窯洞造成影響;洞口段屬于淺埋黃土地質，洞頂與地表最小距離僅1.5 m，黃土具有很強的濕陷性。

2 有限元模擬與結果分析

計算區域為橫向100 m，豎向為50 m，即左右兩側計算邊界為三倍隧道總跨度，下部邊界為3倍隧道總高度。本次計算所采取的材料的物理力學參數取自地質工作者提供的本工程隧道參數。

2.1 計算假定

(1)采用的模型假定為均質、各向同性。

(2)模型的屈服準則采用較為適用巖土材料的Mohr-Coulomb準則。

(3)邊界選取離隧道中心約4-6D距離，從計算結果的位移場來看，邊界條件對計算結果的影響可以忽略。

(4)假定變形模量、巖體密度、摩擦角、粘聚力等物理參量在計算過程中保持不變，即不考慮巖體的變形致密效果。

(5)系統錨桿、超前小導管注漿的效果采用提高加固圈物理參數的辦法來模擬其作用效果。

2.2 計算結果與分析

從圖1～圖3可知，利用有限元模擬計算，按預加固后的設計方案進行施工開挖，地面最大沉降為2.09 cm;開挖支護后洞周最大變形為5.6 mm;錨桿最大軸力出現在拱頂，為18.9 kN;噴射混凝土剪力最大值出現在拱鉸處，為95.393 kN，最大軸力為1 840 kN，混凝土不受拉?？梢悦黠@看出，設計方案支護強度完全可以滿足受力和變形要求，如何解決施工過程可能出現的圍巖穩定問題，將是解決問題的關鍵所在。

3 施工方案

經過多次現場走訪、實地勘察，發現出口段窯洞普遍已有上百年的歷史，窯洞周圍的圍巖經過長年的風吹晾曬，質地十分堅硬，根據實驗測得窯洞周圍土質壓強在4～6 MPa之間。本著“經濟、進度、環保、早進晚出”的原則，特提出如下方案。拆除線路上窯洞，施工時居民臨時撤離;超前支護采用藥包小導管;加強洞口段邊墻藥包錨桿，必要處設置托梁;暫時撤離未拆遷處窯洞居民;沿洞頂地表隧道軸線方向每5 m布置一個沉降觀測點(共3個)，出洞過程中隨時觀測地表沉降情況;提前完成藥包小導管的場外加工。

圖1 錨桿軸力圖

圖2 噴射混凝土軸力圖

3.1 主線正上方窯洞處理

K178+565處三間窯洞的軸線與隧道軸線近似垂直，且窯洞深入隧道輪廓線以內。開挖接近窯洞前，首先在與隧道開挖輪廓交叉處、緊貼隧道初期支護外輪廓線的窯洞內滿堂澆注80 cm厚片石混凝土支撐窯洞洞頂圍巖，以避免開挖過程中窯洞與隧道交叉段由于圍巖受力復雜而發生坍塌。在片石混凝土內，按50 cm×50 cm間距預埋Φ25鋼筋，預埋鋼筋靠隧道側長出隧道初期支護內輪廓線20 cm。開挖方法由常規段的預留核心土環形開挖變為單側壁導坑法(CRD)分5步開挖。首先開挖窯洞洞頂以上隧道部分，采用挑頂方案施工，沿隧道輪廓線采用臺階開挖。開挖完成后，緊跟初期支護。窯洞頂部以上隧道邊墻部分采用單根長4.5 mΦ25藥包錨桿，按環向間距40 cm布置，錨桿與工字鋼焊接一定要牢固。隧道與窯洞交接部分，將長出初期支護內輪廓線20 cm的鋼筋壓彎并扣在工字鋼上，鋼筋與工字鋼焊接牢固。由于窯洞地面低于隧道路面，架設工字鋼時，會造成工字鋼處于懸空狀態。為保證工字鋼的穩固，架設時，在工字鋼腳部加設托梁，托梁與工字鋼采用鋼板與高強螺栓連接，托梁底部設置60 cm×60 cm鋼板以增大受力面積，鋼板置于堅實的窯洞地面上，切忌放置在開挖過程中灑落的虛土上。這樣，錨桿的懸吊力與托梁的支撐力避免了工字鋼的下沉。噴射混凝土前，根據配合比實驗加入適當的速凝劑和早強劑。噴射混凝土時，與片石混凝土交接處一定要噴射密實，這樣可讓初期支護與片石混凝土形成整體受力體系。隨后，在每個開挖臺階上加設Φ20 cm圓木支撐以穩定初期支護，防止混凝土達到預定強度前拱頂下沉，圓木底部設置60 cm×60 cm鋼板且置于穩定的巖體上。待噴射混凝土強度達到70%以上時，拆除圓木支撐，進行2～5步施工。完成第3步開挖時，拆除托梁，改為原設計工字鋼進行封閉，并及時完成仰拱施作。

3.2 洞口處窯洞處理

洞口段屬淺埋黃土地質，洞頂距地表最小距離僅1.5 m。黃土具有很強的濕陷性，為防止注漿過程中水泥漿軟化地質。施工時，超前支護改用單根長3.5 mΦ42藥包小導管。為增強剛度，小導管壁厚采用5 mm厚，并在小導管內植入鋼筋，場外完成注漿。施工時，首先利用Φ60螺旋鉆按測定輪廓線以30 cm間距5°～10°插入角鉆眼，然后植入藥包、小導管。藥包小導管增強了圍巖的凝結力，使圍巖形成整體受力體系，同時場外注漿的提前制作縮短了工期。初期支護時，工字鋼間距由60 cm變為50 cm，進一步加大了安全系數。

4 監控量測結果及分析

施工過程中，每天上午下午各進行一次地表沉降、初期支護拱頂沉降及水平收斂觀測、鋼筋應力監測，為施工提供數據保障。具體觀測結果如下圖表所示:

從圖3監測曲線可知，有左右導坑開挖引起的地面沉降為0.9 cm，水平收斂和拱頂沉降分別為0.7 cm和0.9 cm，核心土和下臺階開挖最終引起的變形分別為地面沉降為1.9 cm、水平收斂 0.8 cm、拱頂沉降1.5 cm;從表1 可知，開挖核心土時引起初期支護最大拉應力發生在拱頂，為108 MPa;最大壓應力發生在左拱腳，為122 MPa。施工監控數據基本與有限元數據分析接近，同時說明施工方案可靠性是足夠的。

圖3 沉降與收斂監數據測曲線圖

表1 鋼筋應力監測數據 MPa

5 結語

趙家莊隧道采用以上施工方案，是建立在對地質條件有足夠了解的基礎上，采用有限元數值模擬作為理論依據，結合現場監控量測作為指導，靈活采取符合施工現場實際的措施。趙家莊隧道方案的成功實施，不但節約了工程投資，加快了施工進度，同時洞口周圍的生態得以最大限度的保護，這也是現代工程施工所提倡和注重的，也為窯洞密集區的隧道施工儲備了寶貴的經驗。

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［4］黃成光.公路隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，2004.

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1008-3383(2012)02-0077-02

2011-09-29