小半徑黃土隧道圍巖變形規(guī)律數(shù)值仿真

李 蓮 花

(中鐵十八局集團 第一工程有限公司,涿州 河北 072750)

小半徑黃土隧道圍巖變形規(guī)律數(shù)值仿真

李 蓮 花

(中鐵十八局集團 第一工程有限公司,涿州 河北 072750)

本文依托具體工程，通過對黃土鐵路隧道臺階法開挖下隧道圍巖變形進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：2臺階法、3臺階法影響拱頂沉降和地表沉降最大的因素是上臺階的開挖，2臺階法各關(guān)鍵點位移值均比3臺階法大。

圍巖變形；二臺階法；三臺階法；數(shù)值分析

20世紀80年代以來，吳成三[1]、許志仁[2]、林永熙[3]對大秦鐵路的軍都山黃土隧道進行相關(guān)的研究，采用上、中、下三臺階開挖，復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，對以后黃土隧道的修建有著參考意義。唐軍[4]分析黃土公路隧道施工技術(shù)中存在的問題，結(jié)合已建實體工程，通過系統(tǒng)的現(xiàn)場實測、有限元仿真計算、室內(nèi)試驗及大量現(xiàn)場調(diào)查總結(jié)出適合黃土公路隧道的開挖方法。王農(nóng)為[5]對隧道的基底處理、開挖方法和設(shè)備的選型進行了探討，并提出了客運專線黃土隧道施工中應(yīng)注意的問題，對客運專線黃土隧道的施工具有一定的借鑒意義。任明明[6]對小間距黃土隧道的施工過程進行了有限元建模分析，選出了不同間距條件下合適的開挖方式。

本文依托工程為山西省肖家洼煤礦鐵路專用線孫家茆隧道，其圍巖主要以第4系上更新統(tǒng)風積(Q3eol)新黃土為主。在試驗得到的原狀黃土力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過采用FLAC3D建模對2臺階法、3臺階法開挖方法下小半徑黃土鐵路隧道的圍巖變形規(guī)律進行研究，對小半徑黃土隧道工程設(shè)計、施工與監(jiān)測有著指導(dǎo)意義。

1 工程概況

隧道位于呂梁山西坡黃土梁茆區(qū)，沖溝發(fā)育，地形起伏較大，地表高程從1 122.32 m～1 174.35 m，相對高差約52 m，隧道最大埋深約54 m。隧道全長305 m，設(shè)計為單線隧道。隧道進口里程至DK14+220.04段位于半徑為300 m的曲線上，DK14+220.04至隧道出口段位于直線上，整個隧道位于0.1%的下坡。

隧道位置地層巖性為第四系上更新統(tǒng)風積(Q3eol)新黃土，褐黃色、堅硬硬塑、以粉粒為主，土質(zhì)均勻、針孔發(fā)育、具濕陷性；上第3系上新統(tǒng)N2粉質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土、棕紅色、堅硬硬塑、土質(zhì)均勻，局部半膠結(jié)，夾姜石及鈣質(zhì)結(jié)核層；黏土，棕紅色、堅硬硬塑、土質(zhì)不均、局部半膠結(jié)、夾姜石及鈣質(zhì)結(jié)核層；隧道圍巖分級如表1所示。圍巖參數(shù)如表2所示。勘測期間勘測深度內(nèi)未見地下水，雨季水量增大，且使洞身土體變軟，在雨季施工時有地下水。

表1 圍巖分級

表2 圍巖參數(shù)

2 數(shù)值模型的參數(shù)

隧道圍巖力學(xué)參數(shù)如下表3所示，結(jié)構(gòu)支護力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表3 隧道圍巖力學(xué)參數(shù)

圖1 監(jiān)測點示意圖

表4 結(jié)構(gòu)支護力學(xué)參數(shù)

3 監(jiān)測點的選取

通過對比分析2臺階法、3臺階法施工方案產(chǎn)生的圍巖變形的變化規(guī)律，分析施工方案之間的差異性，這里對圍巖變形的分析，選取了圍巖的豎向位移作為主要的研究對象，具體監(jiān)測點如圖1所示。

4 臺階法開挖下隧道圍巖變形規(guī)律

4.1 2臺階法下不同開挖步數(shù)的圍巖位移變化

2臺階法施工工序:開挖上臺階→施作上部初期支護→開挖下臺階→施作下部初期支護→開挖仰拱→施作仰拱初期支護→施作全斷面二次襯砌→仰拱回填。

隧道采用2臺階法開挖施工時，開挖數(shù)值模擬如圖2所示。隧道各關(guān)鍵點位移如表5所示。

圖2 不同開挖步下2臺階法的圍巖位移

表5 2臺階法下不同開挖步的關(guān)鍵點位移

從表5可以看出，在隧道中拱頂?shù)奈灰浦底畲?，其次是拱腰，而隧道邊墻腳的位移值則相對較??；在地表上隧道中心線處的位移值最大，越偏離隧道中心線地表的沉降值越小，第一步開挖后已經(jīng)完成絕大部分沉降。

4.2 3臺階法下不同開挖步數(shù)的圍巖位移變化

3臺階法施工工序：開挖上臺階→上部初期支護→開挖中臺階→中部初期支護→開挖下臺階→下部初期支護→開挖仰拱→仰拱初期支護→全斷面二次襯砌→仰拱回填。

隧道采用3臺階法開挖施工時，開挖數(shù)值模型如圖3所示。隧道各關(guān)鍵點位移如表6所示。

圖3 不同開挖步下3臺階法的圍巖關(guān)鍵點位移

表6 3臺階法下不同開挖步的關(guān)鍵點位移

從表6可以看出：在隧道中拱頂?shù)奈灰浦底畲?，其次是拱腰，而隧道邊墻腳的位移值則相對較??；在地表上隧道中心線處的位移值最大，越偏離隧道中心線地表的沉降值越小。在第一步開挖后拱頂沉降和地表沉降已經(jīng)基本完成。

4.3 2臺階、3臺階法關(guān)鍵點圍巖位移變化對比

表5與表6的結(jié)果對比可以看出，在不同開挖步數(shù)下，2臺階法開挖下隧道的拱頂位移、地表沉降、仰拱隆起值比3臺階法都要大，尤其是地表沉降。

5 結(jié) 語

(1)2臺階法開挖下，在隧道中拱頂?shù)奈灰浦底畲螅浯问枪把?，而隧道邊墻腳的位移值則相對較?。辉诘乇砩纤淼乐行木€處的位移值最大，越偏離隧道中心線地表的沉降值越小。其中拱頂沉降和地表沉降在第一步開挖后已經(jīng)完成絕大部分，由此可見，對于2臺階法影響拱頂沉降和地表沉降最大的因素就是上臺階的開挖。

(2)3臺階法開挖下，在隧道中拱頂?shù)奈灰浦底畲螅浯问枪把?，而隧道邊墻腳的位移值則相對較??；在地表上隧道中心線處的位移值最大，越偏離隧道中心線地表的沉降值越小。由此可見對于3臺階法影響拱頂沉降和地表沉降最大的因素也是上臺階的開挖。

(3)在不同開挖步數(shù)下，2臺階法開挖下隧道的拱頂位移、地表沉降、仰拱隆起值比3臺階法都要大，尤其是地表沉降。因此2臺階法開挖對隧道圍巖的擾動變形較大，對圍巖穩(wěn)定性影響較大。

[1] 劉祖典.黃土力學(xué)與工程[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社.1997:20-30.

[2] 來弘鵬,楊曉華,林永貴.黃土公路隧道病害分析與處治措施建議[J].公路,2006(6):197-202.

[3] 吳成三.大秦線黃土隧道采用新奧法施工的探討[J].鐵道標準設(shè)計通訊,1985,04:1-6.

[4] 康軍.黃土公路隧道設(shè)計與施工技術(shù)研究[D].長安大學(xué),2006:20-40.

[5] 王農(nóng)為.客運專線黃土隧道施工探討和應(yīng)注意的問題[J].鐵道建筑技術(shù),2006 (4): 21-24.

[6] 任明明.開挖方式對小凈距黃土隧道圍巖變形影響研究[D].鄭州大學(xué),2012:20-50.

Numerical Simulation of Deformation of Surrounding Rock of Small Radius of Loess Tunnel

LI Lianhua

(China Railway Eighteen Bureau Group,Zhuozhou 072507,China)

In the paper,based on a specific project,numerical simulation is used to study rock deformation displacement of the excavation in the loess railway tunnel,displacement value of key point of different excavation step are analyzed. Results show that surface subsidence on the steps of excavation is main factor which influence vault subsidence is the biggest factor in the process of two steps method or three steps method. Each key point displacement values in two steps method of are bigger than one in three steps method.

rock displacement;two steps method;three steps method;numerical simulation

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.012

TU432

A

1674-5403(2017)03-0044-04

2017-05-30

李蓮花(1984-),女,四川眉縣人,碩士,工程師,主要從事項目管理和試驗檢測方面的研究.