暗挖黃土隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用分析

呂 杰 白 鶴

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

暗挖黃土隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用分析

呂 杰 白 鶴

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

以西安地鐵三號(hào)線某區(qū)間暗挖隧道為工程依托，通過數(shù)值模擬分析與收斂監(jiān)測相結(jié)合的方式，研究了隧道圍巖壓力隨著開挖過程的變化，分析了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性，結(jié)果表明，隨著隧道的開挖，圍巖應(yīng)力逐漸釋放，圍巖的最大接觸壓力逐步由上向下轉(zhuǎn)移，并且不是完全對(duì)稱分布的。拱腰處受力往往最大，在隧道設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)予以高度重視，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)或采取其他安全措施。

地鐵，暗挖隧道，圍巖應(yīng)力，數(shù)值模擬，收斂監(jiān)測

0 引言

在黃土地層中運(yùn)用暗挖法進(jìn)行隧道施工存在著極大的風(fēng)險(xiǎn)，主要是由于黃土本身的不良工程性質(zhì)決定的，再加之施工技術(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及工序轉(zhuǎn)換的不同使得在暗挖黃土隧道施工過程中存在了更多潛在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)掌子面逐步進(jìn)行開挖，圍巖被擾動(dòng)，應(yīng)力重分布，使得圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用發(fā)生變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最大之處便是整個(gè)隧道最薄弱部位，將會(huì)嚴(yán)重影響隧道圍巖的穩(wěn)定性和施工安全。本文依托西安地鐵三號(hào)線某區(qū)間暗挖隧道工程，運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用特性并結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)位移實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)隧道在開挖過程中的受力及變形特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，得出了隧道圍巖應(yīng)力分布與施工過程的關(guān)系，并結(jié)合實(shí)測的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)收斂變形數(shù)據(jù)分析出了隧道開挖過程中的最不利工況，淺析了整個(gè)隧道施工過程的穩(wěn)定性，為今后的研究及工程應(yīng)用提供研究思路。

1 工程概況

1.1 工程概述

西安地鐵三號(hào)線某區(qū)間敷設(shè)于位于西安市東二環(huán)金花南路正下方，總長度954.931 m，斷面形式為雙線單洞暗挖隧道，隧道凈寬10.1 m，高10.3 m。隧道位于黃土地層，埋深為9.6 m～12.8 m。

1.2 場地工程地質(zhì)

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)表

2 施工過程數(shù)值模擬

2.1 工程概述

本文采用ANSYS有限元軟件模擬CRD工法隧道開挖過程，分析各施工狀態(tài)下圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系以及圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，進(jìn)而得出在暗挖隧道整個(gè)施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加安全措施以提高整個(gè)隧道穩(wěn)定性。

模型邊界為3倍洞徑范圍內(nèi)土體，將周圍土體簡化為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，其力學(xué)特性采用D-P本構(gòu)模型(見圖1)。

2.2 結(jié)果分析

區(qū)間暗挖隧道采用CRD法施工，開挖步序?yàn)橛疑蠈?dǎo)洞→右下導(dǎo)洞→左上導(dǎo)洞→左下導(dǎo)洞。對(duì)這一過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而對(duì)整個(gè)施工過程中圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行分析。

1)分析結(jié)果表明，右上導(dǎo)洞開挖以后隨著圍巖壓力的釋放，初支開始發(fā)揮作用，拱腳處背土側(cè)位置出現(xiàn)最大應(yīng)力，約為13 MPa，而拱頂處應(yīng)力值遠(yuǎn)小于右上導(dǎo)洞拱腳處，由拱頂?shù)焦澳_處逐漸增大。

2)隨著右下導(dǎo)洞開挖，右半環(huán)初支閉合，圍巖應(yīng)力進(jìn)一步釋放，在上下導(dǎo)洞節(jié)點(diǎn)處的背土側(cè)應(yīng)力最大，圍巖側(cè)土壓力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用明顯，隨著臨時(shí)橫撐及中隔壁架設(shè)，抵消了部分拱腰節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力，此時(shí)最大應(yīng)力約為15 MPa。

3)左上導(dǎo)洞開挖后，出現(xiàn)了與右上導(dǎo)洞類似的受力特點(diǎn)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在左上導(dǎo)洞拱腳位置，其次分布在右導(dǎo)洞拱腰處，由于右側(cè)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)已架設(shè)，能夠抵消部分圍巖壓力，所以比左側(cè)拱腳處應(yīng)力值略小，而分布趨勢(shì)還是由拱頂和拱底兩端向中間逐漸增大，而且拱頂處出現(xiàn)了偏壓狀態(tài)。

4)左下導(dǎo)洞開挖后，初支結(jié)構(gòu)封閉，在左側(cè)上下導(dǎo)洞節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力值最大，在臨時(shí)支撐架設(shè)之后應(yīng)力值減小。整個(gè)初支應(yīng)力分布呈現(xiàn)由上下向中間遞增。

3 收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測目的及內(nèi)容

初支結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)隧道開挖之后的圍巖壓力，受力后初支發(fā)生的變形情況在一定程度上能反映出其所處的應(yīng)力狀態(tài)，所以在整個(gè)開挖過程中對(duì)初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行收斂變形監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)對(duì)圍巖與初支的相互作用進(jìn)行分析。選取該區(qū)間隧道三處斷面進(jìn)行收斂變形監(jiān)測，讀取斷面前方1 m處掌子面開挖后隧道的拱頂沉降和凈空位移收斂值，分析隧道初支在各個(gè)施工部序下的變形趨勢(shì)，進(jìn)而反映出圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

由于CRD工法每個(gè)導(dǎo)洞開挖要滿足一定的步距要求，為了與平面二維數(shù)值分析相匹配，可認(rèn)為當(dāng)掌子面開挖遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面之后，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)施作，加之應(yīng)力完全釋放，對(duì)監(jiān)測斷面處的收斂變形影響將越來越小，即本文不考慮隧道的縱向開挖對(duì)于平面監(jiān)測的影響。

拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果見圖2，水平收斂監(jiān)測結(jié)果見圖3。

根據(jù)收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在開挖影響范圍內(nèi)的斷面拱頂沉降值和水平位移值均隨著隧道開挖而增加。特別是右下導(dǎo)洞開挖和左下導(dǎo)洞開挖時(shí)，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合滯后，沉降和水平位移速率更大，這與數(shù)值分析吻合。

4 結(jié)語

1)隧道開挖后引起圍巖應(yīng)力重分布，拱腳處受力往往很大。拱頂處由于壓力拱效應(yīng)的存在，同時(shí)黃土圍巖自身穩(wěn)定性較好，拱頂處所受壓力較小。拱頂?shù)某两邓俾什淮蟆?/p>

2)下導(dǎo)洞開挖后拱腰節(jié)點(diǎn)處受力進(jìn)一步增大，臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用，此部位的設(shè)計(jì)應(yīng)注意采取加強(qiáng)措施并在施工中應(yīng)密切注意。支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合以前，在圍巖壓力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的水平側(cè)向位移和沉降而且速率較大，通過收斂監(jiān)測結(jié)果也得到證實(shí)。

3)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合后圍巖壓力逐步趨于穩(wěn)定，分布大致呈現(xiàn)了由上下向中間逐漸增大的應(yīng)力分布趨勢(shì)，拱頂處應(yīng)力遠(yuǎn)小于拱腰處，圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)出“偏壓”效果。拱頂沉降和水平位移速率趨于平緩。

4)通過本文的研究，表明黃土圍巖隧道在開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)施作并輔以臨時(shí)支撐能夠保證較小的隧道收斂變形，由于黃土的力學(xué)性質(zhì)較好，圍巖自身穩(wěn)定性高，應(yīng)力釋放后施加在支護(hù)結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致的拱頂沉降和水平位移在開挖影響范圍以內(nèi)較顯著，此時(shí)要尤為注意盡早閉合支護(hù)結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)處的連接質(zhì)量很大程度上影響了支護(hù)結(jié)構(gòu)在后續(xù)開挖部序的變形，通過數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)都能良好的反映。

[1] 李 健，譚忠盛.大斷面黃土隧道初期支護(hù)與圍巖相互作用機(jī)理研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013(15)：27-29.

[2] 張 鐸，李德武，王君順.淺埋黃土隧道圍巖壓力計(jì)算值與實(shí)測值的對(duì)比分析[J].四川建筑,2010，30(1)：85-86.

[3] 張 紅，鄭穎人.黃土隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探討[J].巖土力學(xué),2009，12(30)：85-87.

[4] 黨維維.西安黃土地鐵隧道淺埋暗挖施工過程的數(shù)值仿真及方案優(yōu)化[D].西安：西安理工大學(xué)，2009.

On mutual effect of underground excavation loess tunnel surrounding rock and support structures

Lv Jie Bai He

(ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133,China)

Taking the underground excavation tunnel of some section along No.3 Metro in Xi’an as the example, the paper researches the changes of the tunnel surrounding rock pressure in the excavation process according to the numeric simulation analysis and convergence monitoring, analyzes the stressed features of the tunnel support structure, proves by the result that the surrounding rock stress is released gradually and its maximum contact pressure alters from top side to the lower position with incomplete symmetric distribution in the tunnel excavation, and proves that the maximum of the haunch stress should be stressed in the tunnel design and construction, so the design for the support structure should be enhanced or other safety measures be adopted.

subway, underground excavation tunnel, surrounding rock stress, numeric simulation, convergence monitoring

2015-04-21

呂 杰(1987- )，男，助理工程師； 白 鶴(1987- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)19-0181-02

U451

A