黃土地鐵暗挖隧道浸水濕陷變形工程特性分析

【摘要】黃土隧道圍巖發(fā)生濕陷變形時(shí)，將會(huì)引起襯砌結(jié)構(gòu)不均勻沉降，從而威脅隧道的安全運(yùn)行。針對(duì)典型地鐵地層結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到飽和狀態(tài)下的土性參數(shù)。然后，模擬隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)，分析了隧道黃土圍巖不同浸水條件下黃土地基濕陷壓縮應(yīng)力條件的變化規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】黃土隧道；濕陷壓縮應(yīng)力；地表水入滲；地下水位抬升

1、引言

濕陷性黃土具有大孔隙、結(jié)構(gòu)性、濕陷性和水敏性等性質(zhì)，天然低濕度下具有明顯高強(qiáng)度和低壓縮性的黃土，一旦浸水或增濕時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)度驟降和變形突增的特性。它們?cè)诙可系牟豢珊鲆曅院驮诙ㄐ陨系募彼侔l(fā)展性，是黃土變形影響其上建筑物穩(wěn)定性的突出問(wèn)題[1]。

濕陷性黃土隧道是指襯砌結(jié)構(gòu)位于濕陷性黃土地層的隧道，在黃土地區(qū)公路、鐵路和城市地鐵工程中比較普遍。在含有地下水的黃土層中修建隧道，由于黃土在干燥時(shí)很堅(jiān)固，承壓力也較高，施工可順利進(jìn)好。當(dāng)其受水浸濕后，呈不同程度的濕陷性，會(huì)突然發(fā)生下沉現(xiàn)象，使開(kāi)挖后的圍巖迅速喪失自穩(wěn)能力，如果支護(hù)措施滿足不了變化后的情況，極容易造成坍塌[2]。本文針對(duì)地鐵濕陷性黃土隧道工程，從地表積水入滲及地下水位抬升兩種情況出發(fā)，主要分析黃土隧道浸水后其對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響，為濕陷性黃土隧道地基的加固治理提供指導(dǎo)[3]。

2、暗挖區(qū)間隧道黃土濕陷性數(shù)值模擬分析

2.1數(shù)值模擬濕陷性黃土的難點(diǎn)

巖土界常用的本構(gòu)模型包括摩爾一庫(kù)侖模型、劍橋模型、鄧肯一張模型等。這些模型大都適用于粘土或者是砂性土的計(jì)算，不能反映濕陷性黃土濕陷變形的特點(diǎn)。考慮到上述各種常用計(jì)算模型的優(yōu)點(diǎn)與不足，本文采用董曉明博士提出的“密模修正法”進(jìn)行濕陷性黃土的數(shù)值模擬[4]。

“密模修正法”從分析土體強(qiáng)度三大指標(biāo)開(kāi)始考慮：①對(duì)變形模量E0、粘聚力c，摩擦角φ同時(shí)進(jìn)行修正；②單獨(dú)對(duì)變形模量E0進(jìn)行修正：③同時(shí)對(duì)粘聚力c，摩擦角φ進(jìn)行修正[4-5]。其中方法二考慮黃土濕陷后的大變形特點(diǎn)，變形模量對(duì)變形影響最大，對(duì)變形模量E進(jìn)行折減。其中圍巖采用平面應(yīng)變單元，初支、二襯采用梁?jiǎn)卧?，錨桿采用桿單元。方法三對(duì)其中的兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行折減，故又稱“折減法”，“折減法”一般應(yīng)用于基坑穩(wěn)定分析、邊坡穩(wěn)定分析中：本文采用方法一，因其涉及三個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，在操作過(guò)程中需要對(duì)黃土浸水濕陷后的所有指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)量測(cè)，故精確度相對(duì)比較高。

2.2數(shù)值模型

本文通過(guò)對(duì)兩種工況進(jìn)行分析，第一種工況即自上而下浸水（地表積水入滲）型，未浸水（Ⅰ0）、雜填土浸水（Ⅰ1）、黃土狀土1浸水（Ⅰ2）、黃土狀土2浸水（Ⅰ3）。由于隧道下伏地基的均勻濕陷會(huì)引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的沉降變形量，屬于大變形有限元分析問(wèn)題，這種基于工程原型建立的模型的大變形往往會(huì)導(dǎo)致有限元計(jì)算結(jié)果不易收斂。

對(duì)于第二種工況即自下而上浸水（地下水位抬升）型，未浸水（Ⅱ0）、黃土狀土2浸水（Ⅱ1）、黃土狀土1浸水（Ⅱ2）、雜填土浸水（Ⅱ3），采取二維網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算。兩種模型均采用映射網(wǎng)格劃分，以下工況模型均用符號(hào)代替。重力加速度為離心加速度，方向沿Y軸方向豎直向下。

圖2.2-圖2.3為兩種模型八種工況二襯軸力圖，從圖中對(duì)比發(fā)現(xiàn)：二次襯砌軸力均為負(fù)值，表現(xiàn)為壓力。最大軸力均出現(xiàn)在拱肩偏下靠近拱腰位置處，模型Ⅰ，拱腰Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3最大值分別為-440.4kN、-440.9 kN、-439.8 kN、-277.3 kN；最小軸力出現(xiàn)在隧道拱頂處，Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3最小值分別為-182.7kN、-182.7 kN、-182.2kN、-115.3kN。模型Ⅱ拱腰Ⅱ0、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3最大值分別為-435.0kN、-440.9kN、-440.0kN、-438.2kN；最小軸力出現(xiàn)在隧道拱頂處，Ⅱ0、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3最小值分別為-183.0 kN、-186.2kN、-185.7kN、-185.7 kN。由此分析出，地表水對(duì)二襯軸力影響不大，地下水位上升對(duì)二襯軸力影響比較大，所以，在施工過(guò)程中應(yīng)將地下水位控制在黃土層以下。

圖2.4～圖2.5為兩種模型八種工況二襯彎矩圖，從圖中對(duì)比發(fā)現(xiàn)：二次襯砌軸力大部分為負(fù)值，表現(xiàn)為壓力。二次襯砌彎矩沿洞周左右分布對(duì)稱；模型Ⅰ，二次襯砌最大負(fù)彎矩值出現(xiàn)在左、右拱腳處；最大負(fù)彎矩值為-150.7kN；最大正彎矩均出現(xiàn)在拱底處，最大正彎矩值為213.7kN；浸水對(duì)二襯彎矩基本沒(méi)有影響。模型Ⅱ，浸水對(duì)Ⅱ0、Ⅱ1影響不大，Ⅱ2浸水后變化比較明顯。浸水之后Ⅱ2、Ⅱ3相對(duì)變化不大。由此分析出，地表積水入滲對(duì)二襯軸力影響不大，地下水位上升對(duì)二襯軸力影響比較大，所以，在黃河汛期施工時(shí)，應(yīng)采取降水措施，將地下水位控制在黃土層以下。

結(jié)論：

1）地表水對(duì)二襯軸力影響不大，地下水位上升對(duì)二襯軸力影響比較大，所以，在施工過(guò)程中應(yīng)將地下水位控制在黃土層以下。

2）地表積水入滲對(duì)二襯軸力影響不大，地下水位上升對(duì)二襯軸力影響比較大。

3）在黃河汛期施工時(shí)，應(yīng)采取降水措施，將地下水位控制在黃土層以下。