赵玉成,边 兵

(1.石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄 050043;2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,河北石家庄 050043;3.中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

高原浅埋隧道不同施工方法力学行为分析

赵玉成1,2,边 兵3

(1.石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄 050043;2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,河北石家庄 050043;3.中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

为了分析不同施工方法对高原浅埋隧道施工过程中稳定性的影响规律,以某隧道工程实例为背景,采用有限差分软件FLAC3D对双侧壁导坑法和三台阶预留核心土法进行数值模拟,并分析对比高原浅埋隧道在2种施工方法中的围岩变形、支护应力和围岩塑性区分布规律.数值模拟结果表明:双侧壁导坑法在控制围岩变形和地表沉降方面优于三台阶预留核心土法;支护拉压应力更小,围岩塑性区分布范围也更加均匀合理.因此,对于高原浅埋隧道,采用双侧壁导坑法施工具有更大优势.

浅埋隧道;三台阶;双侧壁导坑;FLAC3D

0 引 言

1 工程概况

雁口山隧道位于青海省玉树州称多县歇武镇东北方向,为分离式双线隧道,左线长4 032 m,右线长4 000 m,隧道建筑限界净宽10．5 m,净高6 m,山体平均海拔高度在4 000 m以上.雁口山隧道进口为长达210 m的浅埋段,埋深最浅的地段只有2.19 m,开挖后的围岩为全风化页岩、粉质黏土夹碎石,稳定性极差,隧道在开挖工程中遭遇涌水、地表开裂、钢架初支变形等问题,是目前国内隧道最长的浅埋段之一.模型有89 100个节点和92 350个单元,2种模型如图1、2所示.

图1 三台阶核心土法模型

图2 双侧壁导坑法模型

2 不同施工方法的数值模拟

2．1 计算模型及地层参数选取

隧道模型洞径尺寸按实际尺寸选取,考虑边界条件具有约束效应,模型左右两边距隧道中心宽度取3～5倍洞径,模型底部与隧道仰拱处的距离按2～3倍隧道高度选取,隧道埋深按实际埋深取25 m,隧道纵向开挖深度取60 m.整个模型尺寸为110 m×60 m×60 m,左右边界约束水平方向位移,前后边界约束水平方向位移,上部为自由面,底部约束竖向位移.2种不同开挖方式采用相同的模型尺寸,其中三台阶核心土开挖法的模型有51 000个节点和55 420个单元,双侧壁导坑法

隧道围岩和支护采用六节点实体单元模拟,二次衬砌作为长期安全储备[10-11],不作考虑.锚杆和钢拱架采用刚度等效原则[12-13],将其弹性模量进行折算,加到初期支护弹性模量上来模拟.其中钢拱架采用I20a全环设置,间距为0．5 m.弹性模量折算公式为

式中:E为折算后喷射混凝土弹性模量;E0为原混凝土的弹性模量;Sg为钢拱架的截面积;Eg为钢材的弹性模量;Sc为喷射混凝土的截面积.

地层和衬砌力学参数如表1所示.

表1 地层和衬砌力学参数

2．2 数值模拟开挖过程

三台阶模拟开挖每一步按开挖1 m、支护滞后1 m方式施作.第1步计算初始地应力,初始地应力平衡后进行隧道开挖,第2步到第61步开挖上台阶外环形土体,第3步到62步施作上台阶初期支护,第6步到第65步开挖核心土,第7步到第66步开挖中台阶土体,第8步到第67步施作中台阶初期支护,第11步到第70步开挖下台阶土体,第12步到第71步施作下台阶初期支护,第17步到第76步开挖仰拱部分,第18步到第77步施作仰拱支护.三台阶施工顺序和剖面如图3、4所示.

双侧壁导坑法开挖过程和三台阶法一样,每一步开挖1 m,支护滞后1 m.第1步计算初始地应力,初始地应力平衡后进行隧道开挖;第2步到第61步开挖左侧上导洞①,第3步到第62步施作左侧上导洞支护;第7步到第66步开挖左侧下导洞

在强度问题中，许可应力=极限应力/强度安全系数；同样，在稳定性问题中，可以定义稳定许可应力=临界应力/稳定安全系数。由此，强度计算和稳定计算有了统一的形式：轴向压力/横截面面积≤许可应力。

图3 三台阶施工顺序

图4 三台阶施工剖面

图5 双侧壁导坑法施工顺序

图6 双侧壁导坑法施工剖面

3 计算结果对比分析

3．1 位移对比分析

三台阶核心土法和双侧壁导坑法的隧道关键点位移随开挖步的变化曲线如图7～10所示.由图可知,拱顶沉降、底部隆起和墙身收敛随开挖步的变化趋势相似.双侧壁导坑法拱顶沉降在第14开挖步时开始增大,三台阶核心土法拱顶沉降稍晚,出现在第20开挖步处[14-15];但双侧壁导坑法拱顶沉降很快就趋于稳定,最大值为23 mm,三台阶核心土法虽然沉降值稳定较慢,但最大值为38 mm,大于双侧壁导坑法.拱底隆起和墙身收敛的变化趋势和拱顶沉降一致,只是最大值稍有差别[16].三台阶核心土法引起的地表沉降远远大于双侧壁导坑法,对地表的影响范围也较大.

图7 拱顶沉降随开挖步的变化曲线

图8 底部隆起随开挖步的变化曲线

图9 墙身收敛随开挖步的变化曲线

图10 地表沉降的变化曲线

隧道最大位移值如表2所示.

表2 关键点位移计算结果 mm

3．2 应力对比分析

2种工法隧道关键点应力如图11～14所示,应力值如表3所示.

图11 三台阶最大压应力

图12 三台阶最大拉应力

图13 双侧壁导坑法最大压应力

图14 双侧壁导坑法最大拉应力

表3 关键点最大主应力 MPa

表3显示三台阶核心土法的最大主压应力和最大主拉应力均大于双侧壁导坑法.2种方法的最大主压应力均出现在拱肩和拱腰处,最大主拉应力也出现在拱顶和拱肩处.三台阶法的最大主应力明显大于双侧壁导坑法,主要原因是三台阶法一次开挖面积较大,土体卸荷大于双侧壁导坑法[17].同时,双侧壁导坑法有中隔壁进行支护,分担了衬砌部分的压应力,所以双侧壁导坑法能有效控制支护结构受力,工法更合理.

3．3 塑性区对比分析

隧道开挖完成后塑性区分布如图15、16所示.

由图可知:三台阶核心土法无论是开挖完还是开挖过程中的塑性区范围均大于双侧壁导坑法.三台阶核心土法开挖面积大,土体卸荷作用大,因此拱肩、墙身和拱脚部位塑性区分布范围明显增大;拱肩塑性区深6 m,墙身塑性区深4 m,拱脚深5 m.双侧壁导坑法塑性区沿洞周分布比较均匀,范围也较小,影响深度约2 m;这是由于双侧壁导坑法有多个开挖面,每次开挖面小,土体卸荷作用小,同时支护封闭成环时间短,因此塑性区发展范围小.无论在施工过程中还是最终隧道贯通,双侧壁导坑法对塑性区的控制都优于三台阶核心土法.

图15 三台阶核心土法塑性区

图16 双侧壁导坑法塑性区

4 结 语

(1)采用不同开挖方式施工会对高原浅埋隧道的位移和应力控制产生不同影响.双侧壁导坑法在拱顶沉降、底部隆起、墙身收敛和地表沉降方面的控制比三台阶核心土法更具有优势.

(2)采用双侧壁导坑法施工,地表沉降为6.5 mm,三台阶核心土法引起的地表沉降值约为前者的3倍,达18 mm.主要原因为:双侧壁导坑法每次开挖断面面积小于三台阶核心土法,土体卸荷小,并且初期支护成环时间短,有效控制了地表沉降.

(3)双侧壁导坑法最大主压应力值为3.4 MPa,三台阶核心土法最大主压应力值为5.6 MPa,且均出现在拱肩和拱腰处.双侧壁导坑法的最大主拉应力值也比三台阶核心土法略小,出现在拱顶和拱肩处.

(4)采用双侧壁导坑法开挖,隧道开挖过程中以及隧道贯通后的塑性区范围均小于三台阶核心土法.双侧壁导坑法塑性区沿洞周分布比较均匀,范围也较小,影响深度约2 m.因此,双侧壁导坑法更能有效控制围岩塑性区发展.

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[责任编辑:王玉玲]

Mechanical Behavior Analysis of Shallow Buried Tunnels in Plateau Constructed with Different Methods

ZHAO Yu-cheng1,2,BIAN Bing3
(1．School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,Hebei,China; 2．Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,Hebei,China;3．China Railway Shanghai Design Institute Group Co．,Ltd．,Shanghai 200070,China)

In order to analyze the influence of different construction methods on the stability of the construction process of the shallow buried tunnel in the plateau,the finite difference software FLAC3D was used to simulate the double-sided pilot tunnel method and the three-step method with reserved core soil based on a tunnel project,and the deformation of the surrounding rock, the supporting stress and the distribution law of the plastic zone of the surrounding rock were analyzed and compared between these construction methods．The numerical simulation results show that the double-sided pilot tunnel method is better than the three-step method with reserved core soil in controlling the deformation and surface subsidence of the surrounding rock;the stress of the support is smaller,and the distribution of the plastic zone is more uniform and reasonable．Therefore,for the shallow buried tunnel in plateau,the application of double-sided pilot tunnel method has a greater advantage．

shallow buried tunnel;three-step;double-sided pilot tunnel method;FLAC3D

U456．31

B

1000-033X(2017)05-0046-05

2016-12-12

赵玉成(1969-),男,河北昌黎人,教授,研究方向为城市地下空间开发与利用.