不同埋深對(duì)富水黃土地層隧道開(kāi)挖破壞的有限元分析

胡建剛,牛寶琪,董小恒

（陜西地礦綜合地質(zhì)大隊(duì),陜西 渭南 714000）

不同埋深對(duì)富水黃土地層隧道開(kāi)挖破壞的有限元分析

胡建剛,牛寶琪,董小恒

（陜西地礦綜合地質(zhì)大隊(duì),陜西 渭南 714000）

目前高速鐵路建設(shè)在富水黃土層隧道開(kāi)挖問(wèn)題，沒(méi)有形成黃土特性的完整設(shè)計(jì)方法。本文采用有限元法對(duì)不同埋深情況下的黃土隧道圍巖發(fā)展進(jìn)行對(duì)比分析，以得出黃土隧道埋深對(duì)圍巖變形的影響。對(duì)實(shí)踐的中黃土隧道開(kāi)挖問(wèn)題有著重要意義。

埋深;富水黃土地層隧道;開(kāi)挖破壞;有限元分析

0　前言

高速鐵路已開(kāi)始建設(shè)在黃土地區(qū)建設(shè)，在富水黃土地層會(huì)產(chǎn)生隧道頂部的浸水塌方問(wèn)題，塌方是隧道和地下工程施工中最為常見(jiàn)的工程事故，其相應(yīng)的塌方事故處理方案也已經(jīng)為往后的建設(shè)積累了相應(yīng)的豐富經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)黃土隧道的研究還不盡完善，還不能徹底的避免工程事故的發(fā)生，所以還需要做進(jìn)一步的研究。

1　數(shù)值模型的確定

根據(jù)寶蘭專(zhuān)線工程狀況，采用有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立尺寸為60m×100m×60m模型，隧道斷面為馬蹄形，寬10m，高11m，富水區(qū)位置為隧道縱向50m處，埋深分別為10m、20m、30m，富水帶土層受擾動(dòng)狀況下黃土的粘聚力衰減較快開(kāi)挖土體模型采用莫爾庫(kù)倫模型，土體模擬參數(shù)見(jiàn)下表：

表1　土體模擬參數(shù)表

2　 隧道圍巖塑性區(qū)域分析

由上述對(duì)比可以看出，在含水率恒定地層中，黃土隧道在開(kāi)挖至50m時(shí)，隨著埋深的增加，圍巖的擾動(dòng)范圍增加，導(dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性降低。富水地層黃土隧道開(kāi)挖圍巖影響范圍較含水率恒定底層大，針對(duì)埋深增加的情況，影響區(qū)域也在逐漸擴(kuò)大。由此可得，黃土隧道開(kāi)挖時(shí)穩(wěn)定性受水和埋深的影響。

3　 隧道圍巖沉降對(duì)比分析

由上述位移發(fā)展云圖對(duì)比可以得出，黃土隧道在開(kāi)挖過(guò)程中受上層覆土埋深的影響，隨著埋深的增大，拱頂沉降量越來(lái)越大。由上述圖5-4位移發(fā)展云圖對(duì)比可以得出，含水量恒定地層，黃土隧道在開(kāi)挖過(guò)程中受上層覆土埋深的影響，隨著埋深的增大，拱頂沉降量越來(lái)越大，埋深較淺時(shí)，隧道拱頂上方形成豎直的塌落區(qū)域，埋深為20m時(shí)，隧道頂部的塌落區(qū)域更加明顯，一直延伸到地面，埋深為30m時(shí)，在接近地面時(shí)，塌落區(qū)域的范圍逐漸減小，底部的回彈的變形也會(huì)隨著埋深的增加而增大。顯然易見(jiàn)，同一埋深下，飽和地層的隧道拱頂?shù)某两递^含水量恒定地層較大。

4　黃土隧道涌水災(zāi)害計(jì)算成果分析

根據(jù)不同含水量下黃土物理力學(xué)參數(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬深淺埋隧道開(kāi)挖的全過(guò)程，基于對(duì)黃土隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行有限差分軟件分析結(jié)果可知，黃土隧道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)圍巖的影響較飽和擾動(dòng)黃土隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖影響小得多，黃土的強(qiáng)垂直節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致其濕陷性極強(qiáng)，在水的作用下承載能力極速減小，甚至消失。

黃土的垂直節(jié)理較發(fā)育，有一定的自穩(wěn)性，而黃土隧道在施工過(guò)程中發(fā)生的塌方是突發(fā)性的，并且難以預(yù)見(jiàn)，在淺埋及富水階段更易發(fā)生。對(duì)于黃土隧道在水作用下發(fā)生的涌水塌方情況的處理方法遵循“小塌方，先支后清”“大塌方，先棚后穿”“治塌先治水”的原則。由于黃土隧道的塌方，在后期塌方情況未知的條件下，若先進(jìn)性清方處理則會(huì)導(dǎo)致圍巖的繼續(xù)失穩(wěn)，所以對(duì)于小塌方可以先支護(hù)，再進(jìn)行清方，對(duì)于大塌方，用注漿加固需要時(shí)間較長(zhǎng)，故應(yīng)對(duì)其采用超前管棚和超前小導(dǎo)管進(jìn)行支護(hù)，其工序遵循“預(yù)加固，管超前，小斷面，短開(kāi)挖，強(qiáng)支護(hù)，早成環(huán)，快封閉，勤量測(cè)”的原則。

5　結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)不同埋深條件下富水黃土地層隧道在開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的破壞進(jìn)行分析，對(duì)有水存在下的黃土隧道計(jì)算成果進(jìn)行分析，并提出合理的解決方案，作出合理的處理措施。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.117