單洞雙線高鐵標(biāo)準(zhǔn)隧道空間位移預(yù)測(cè)分析

楊晉文

摘 要：以鄭西客運(yùn)專線單洞雙線高鐵隧道為工程背景，采用三維數(shù)值模擬對(duì)高鐵隧道地層空間位移進(jìn)行分析；結(jié)果表明：①受地層條件、開挖步序和掌子面空間效應(yīng)的影響，隧道洞周地層空間位移表現(xiàn)出顯著地階段性：先期位移；位移急劇增大；位移基本穩(wěn)定或無限接近于某固定的位移值。②在黃土地層中的隧道開挖，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)支護(hù)、及早封閉成環(huán)，對(duì)控制洞周地層空間位移的發(fā)展效果明顯。③無支護(hù)條件下，掌子面擠出變形的量值和速率均有較大幅度增長；初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)支護(hù)、及早封閉成環(huán)有效控制了掌子面擠出變形的發(fā)展。④不同工況條件下，隧道仰拱部位塑性區(qū)半徑均較大，這主要是由于客運(yùn)專線幾何斷面形式?jīng)Q定的，仰拱部位曲率較大。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)味措p線；高鐵隧道；地層空間位移；三維數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）08-0060-03

1 概 況

隧道開挖破壞了地層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引發(fā)洞周地層產(chǎn)生變形。對(duì)已建成鐵路隧道地層變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在隧道橫剖面上地表沉降近似服從正態(tài)分布，位移最大值隧道中線上方；沿隧道縱向地表沉降反應(yīng)掌子面空間效應(yīng)，即隨著掌子面向前推進(jìn)，掌子面搶房一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生空間位移，如圖1所示。

目前對(duì)于鐵路隧道地層變形主要集中在拱頂沉降與水平收斂，對(duì)空間位移研究較少。扈世民對(duì)大斷面黃土隧道空間位移進(jìn)行數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了一些有益的結(jié)論。選取鄭西客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)高鐵單洞雙線隧道為工程背景，如圖2所示，采用三維有限元計(jì)算對(duì)隧道的空間位移發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，為類似工程提供借鑒與參考。

2 地層空間位移產(chǎn)生機(jī)理

隨著隧道掌子面向前推進(jìn)，洞周地層位移響應(yīng)表現(xiàn)為不同階段，洞周地層產(chǎn)生機(jī)理可概括為：

①地層損失位移。

②土體固結(jié)產(chǎn)生位移。

③土體次固結(jié)或蠕變產(chǎn)生位移，見表1。

3 數(shù)值計(jì)算模型分析

選取鄭西客運(yùn)客運(yùn)專線某黃土隧道為工程背景，隧道穿越黃土臺(tái)塬地區(qū)，地下水補(bǔ)給不充分，根據(jù)勘察資料圍巖級(jí)別確定為Ⅵ級(jí)。選取的實(shí)驗(yàn)段拱頂埋深為44～92 m，根據(jù)《《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003-2005）》大于2.5倍塌落拱高度，故屬于深埋隧道。

采用有限元差分程序FLAC3D建立高鐵隧道數(shù)值計(jì)算模型，黃土地層服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)側(cè)；為保證初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)安全，支護(hù)結(jié)構(gòu)服從彈性屈服準(zhǔn)則；假設(shè)黃土地層滿足均勻、各向同性、水平層狀分布；以隧道標(biāo)準(zhǔn)橫剖面水平方向?yàn)閄軸，長60 m；以隧道線路方向?yàn)閥軸，長140 m；以重力方向?yàn)閦軸，長90 m；不考慮地下水和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用。

隧道計(jì)算模型采用位移邊界條件，上表面為自由邊界、左、右兩側(cè)約束水平方向位移、底部約束水平方向、豎直方向位移；為重點(diǎn)關(guān)注隧道洞周位移響應(yīng)，隧道洞周及加固圈范圍網(wǎng)格局部加密；計(jì)算模型包括74 580個(gè)單元和79 422個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)地勘資料確定地層物理力學(xué)參數(shù)，隧道初期支護(hù)采用φ6 mm@150 mmX150 mm掛網(wǎng)噴射混凝土和型鋼鋼架聯(lián)合支護(hù)樣式，計(jì)算時(shí)采用等剛度原則將型鋼拱架折算至噴射混凝土中，如式1所示。模型計(jì)算參數(shù)見表2。

EC=E0+■（1）

4.1 地層空間位移分析

隧道開挖過程中，伴隨著每個(gè)步序開挖洞周地層均有不同應(yīng)力釋放，相應(yīng)的產(chǎn)生一定位移。受地層條件、開挖步序和掌子面空間效應(yīng)的影響，隧道洞周地層空間位移表現(xiàn)出顯著的地階段性：

①先期位移。

②位移急劇增大。

③位移基本穩(wěn)定或無限接近于某固定的位移值。

Ⅴ級(jí)黃土地層條件下隧道空間位移曲線如圖4所示，在無支護(hù)條件下，先期位移站空間位移總量值的24.4%；及時(shí)支護(hù)條件下先期位移站空間位移總量值的74.6%；可見在黃土地層中的隧道開挖，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)支護(hù)、及早封閉成環(huán)，對(duì)控制洞周地層空間位移的發(fā)展效果明顯。

Ⅴ級(jí)黃土地層條件下掌子面擠出變形位移曲線如圖5所示，可得結(jié)論：當(dāng)距隧道中心距離減小時(shí)，掌子面的擠出變形隨之增大，呈負(fù)相關(guān)性。無支護(hù)條件下，掌子面擠出變形的量值和速率均有較大幅度增長；初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)支護(hù)、及早封閉成環(huán)有效控制了掌子面擠出變形的發(fā)展。

Ⅴ級(jí)地層無、有支護(hù)變形矢量圖如圖6與圖7所示。

4.2 地層擾動(dòng)分析

Ⅴ級(jí)黃土地層條件下隧道開挖對(duì)洞周地層擾動(dòng)范圍分布如圖8所示，在無支護(hù)條件下，隧道開挖對(duì)地層擾動(dòng)范圍約為2.5D，D為隧道開挖等效直徑，沿隧道洞周分布較為均勻；及時(shí)支護(hù)條件下，隧道開挖對(duì)地層擾動(dòng)范圍大幅度較小，最大值位移仰拱處，塑性區(qū)半徑約0.6 D，其次拱頂部位，塑性區(qū)半徑約0.3 D，其他部位塑性區(qū)半徑均較小。

不同工況條件下，隧道仰拱部位塑性區(qū)半徑均較大，這主要是由于客運(yùn)專線幾何斷面形式?jīng)Q定的，仰拱部位曲率較大。

5 結(jié) 語

①受地層條件、開挖步序和掌子面空間效應(yīng)的影響，隧道洞周地層空間位移表現(xiàn)出顯著地階段性：先期位移；位移急劇增大；位移基本穩(wěn)定或無限接近于某固定的位移值。

②在黃土地層中的隧道開挖，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)支護(hù)、及早封閉成環(huán)，對(duì)控制洞周地層空間位移的發(fā)展效果明顯。

③無支護(hù)條件下，掌子面擠出變形的量值和速率均有較大幅度增長；初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)支護(hù)、及早封閉成環(huán)有效控制了掌子面擠出變形的發(fā)展。

④不同工況條件下，隧道仰拱部位塑性區(qū)半徑均較大，這主要是由于客運(yùn)專線幾何斷面形式?jīng)Q定的，仰拱部位曲率較大。

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