基于車輛震動荷載對隧道開挖施工的影響

向章波

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽550002）

設(shè)計與施工

基于車輛震動荷載對隧道開挖施工的影響

向章波

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽550002）

以西南某淺埋隧道下穿施工便道工程為依托，采用數(shù)值模擬軟件對分步開挖引起圍巖體的應(yīng)力應(yīng)變進行分析，對支護形式進行優(yōu)化設(shè)計。在車輛振動荷載效應(yīng)理論的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D有限差分軟件的非線性動力分析功能，考慮車輛振動荷載對隧道下穿過程的影響。研究結(jié)果表明：上臺階開挖后，拱頂沉降量過大，需進行超前支護；車輛振動荷載可使巖土體沉降量增加3mm，其力學(xué)響應(yīng)隨深度呈現(xiàn)規(guī)律變化；由于偏壓作用，地表沉降曲線呈左右不對稱分布。

隧道下穿；施工便道；振動荷載；非線性動力分析；沉降規(guī)律

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，隧道下穿道路工程在鐵路隧道建設(shè)中越來越常見。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［1］，當(dāng)隧道埋深h＜2.5ha時，為淺埋隧道。由于淺埋隧道埋深較淺，圍巖風(fēng)化破碎較嚴(yán)重，尤其是在地形有起伏的地帶，圍巖在偏壓狀態(tài)下受力情況更為復(fù)雜［2］。此外，隧道上方的施工便道有重載貨運車輛通過，這些不利因素增加了控制下穿段施工變形的難度［3］，稍有不慎，即會造成道路破壞甚至是隧道塌方等安全事故。

目前針對地表車輛荷載對隧道開挖影響的研究較少，且多以簡化車輛荷載為主［4］，即按均布荷載考慮，并未考慮振動荷載效應(yīng)。為此，本文以西南某淺埋隧道下穿施工便道工程為例，采用FLAC3D非線性動力分析方法，考慮重載車輛通過施工便道時對隧道開挖的影響，對隧道下穿過程圍巖體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進行分析，研究下穿過程中地層的沉降規(guī)律。

1 車輛振動荷載效應(yīng)

車輛動荷載問題較為復(fù)雜，車輛的振動實際上是由車輪缺陷和道路不平順造成的。因此，車輛荷載時大時小，以一定振幅和頻率通過振動波的形式作用在路面上（如圖1）。

圖1 巖土體與路面振動模型

由于巖土體是一種松散狀多孔隙介質(zhì)，在動荷載作用下，顆粒之間骨架的相互黏結(jié)狀態(tài)會發(fā)生改變。如圖1，t=0時刻，車輛由y軸通過，路面與路基接觸面上的某點（yi，0，0）受到來自車輛動荷載傳遞過來的力fi（棕），根據(jù)J.V.Boussinesq函數(shù)［5］可求得t時刻巖土體內(nèi)任意點（x，y，z）的應(yīng)力和位移，其表達式為：

根據(jù)上述方法可建立車輛—路基系統(tǒng)運動方程［6］，分析車輛振動動載下巖土體的位移和應(yīng)力狀態(tài)。

2 工程實例

以西南地區(qū)某隧道下穿工程為背景，該隧道起訖里程D2K102+805～D2K105+985，全長3180m。線路走向由西北向東南，為雙線隧道。隧道區(qū)為紅層丘陵地貌，地形有一定起伏，丘包與槽谷相間分布，殘丘低矮渾圓。地面海拔330～430m，地面最大高差100m。

2.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

地表水主要為水田水、溝槽水，靠大氣降雨補給，向低洼處排泄，水量較小。地下水為第四系潛水、基巖裂隙水，水量不大。

2.2 隧道施工

本隧道在下穿段主要采用三臺階法開挖。在上臺階開挖結(jié)束后立即進行初期支護，形成較穩(wěn)定的承載拱。在頂部承載拱的保護下，開挖中部，完成中部初期支護后，開挖下部。開挖掘進3個工作面同時進行，循環(huán)進尺控制在0.7～1.0m，每個臺階超前3～5m，隧道掘進示意圖如圖2。

圖2 三臺階開挖示意圖

2.3 隧道下穿情況

該隧道4次下穿工程施工便道，地表道路重型車輛通行頻繁。其中第4段埋深相對較大，而前3段屬淺埋偏壓段，位于D2K103+000里程附近，隧道軸線與施工便道線路的平面位置如圖3。

圖3 隧道下穿便道平面圖

其中隧道埋深最淺段位于1號區(qū)域，為15.6m。施工便道的重載車輛達80t，重載貨車通行會對隧道施工安全造成不利影響，同時隧道的開挖會引起地表沉降，可能導(dǎo)致便道開裂等問題。為評估施工便道通行重載貨運車輛對該隧道施工安全的影響，對隧道的施工過程進行了三維數(shù)值模擬。

3 數(shù)值模擬

根據(jù)圖3隧道下穿施工便道平面圖及該區(qū)域的地形圖，建立三維地質(zhì)模型。由于該區(qū)域地形較復(fù)雜，且施工便道為盤山公路，路面高程起伏不定。為此，本文的研究方法是：利用建模較為方便的ANSYS有限元軟件建立該三維地質(zhì)模型；將建好的模型導(dǎo)入到具有強大計算能力的FLAC3D有限差分軟件中進行分析計算。

3.1 數(shù)值模型

根據(jù)巖石力學(xué)原理，對于地下工程的結(jié)構(gòu)分析可選用3倍或以上洞徑范圍作為數(shù)值分析的模型范圍。圍巖選取范圍以隧道中線為基準(zhǔn)，左側(cè)、右側(cè)延伸到50m；上部延伸到地表；下部延伸到隧道仰拱以下60m。

計算中，用六面體實體單元及四面體實體單元模擬圍巖。隧道計算模型中實體單元總數(shù)123618個，總節(jié)點數(shù)131372個，如圖4。

圖4 三維模型及網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件及計算參數(shù)

隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前方和后方均有垂直其面的約束。圍巖視為各向同性體，采用Mohr-Column屈服準(zhǔn)則。

為使模型簡化，將地層分為上覆土層及下伏弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖夾泥巖層。地下水位根據(jù)水文資料在FLAC3D中利用無滲流模式的water table face命令實現(xiàn)。對隧道初期支護的模擬采用簡化方法，即綜合考慮錨桿、鋼架、混凝土的作用，按等效法提高支護參數(shù)來模擬，支護厚度統(tǒng)一為28cm。各材料力學(xué)計算參數(shù)如表1。

表1 材料力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.3 工況及結(jié)果分析

由于埋深最淺的區(qū)域正好是隧道處于第1次下穿施工便道的階段，為此，考慮掘進至最淺埋段下穿過程，最淺埋段剖面如圖5。

圖5 最淺埋段剖面

3.3.1 工況1

工況1設(shè)置為上臺階開挖且進行初期支護，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 上臺階開挖后Z向位移云圖

由圖6可知，圍巖豎向位移云圖并沒有沿隧道中心呈左右對稱分布，這是由于隧道受偏壓作用的影響而呈現(xiàn)出偏左位置的位移量稍大的現(xiàn)象。上臺階底部的圍巖在開挖卸荷作用下有一定量的隆起，為10mm。圍巖體最大沉降發(fā)生在拱頂?shù)奈恢?，?3.18mm，地表沉降量20mm?？紤]到隧道開挖及路面行車的安全性，還需進一步控制沉降量，為此，需對支護形式進行優(yōu)化設(shè)計。

隧道下穿Ⅴ級圍巖地段，圍巖自穩(wěn)能力差，若對拱頂區(qū)域的圍巖進行超前支護，可大大提高巖體的穩(wěn)定性。為此，隧道下穿段采用準(zhǔn)42超前小導(dǎo)管預(yù)支護加固巖體。在小導(dǎo)管前部管壁按梅花形布置溢漿孔，孔徑6～8mm，間距15cm，小導(dǎo)管間距0.4m，管長4m，頂部成尖錐狀。在模擬過程中將超前小導(dǎo)管的作用按等效法增大頂部一定范圍內(nèi)圍巖的參數(shù)來模擬，具體參數(shù)如表1。

3.3.2 工況2

工況2設(shè)置為在超前支護下開挖上臺階且進行初期支護，計算結(jié)果如圖7。

圖7 預(yù)支護后上臺階開挖Z向位移云圖

由圖7可知，在超前小導(dǎo)管預(yù)支護的作用下，隧道上臺階開挖后豎向位移量明顯減少。最大沉降量仍在拱頂?shù)奈恢?，?.29mm，與未進行預(yù)支護情況相比，沉降量減少了77.18%，超前預(yù)支護加固效果明顯。

3.3.3 工況3

為考慮車輛動載對隧道的影響，在上臺階開挖后，施加車輛動載設(shè)置為工況3。以類正弦波的形式加載，頻率40Hz，單位剖面作用時間0.1s。為便于表示，在FLAC3D中設(shè)置隧道中心線偏左1.5m處巖土體的ID號情況為：①地表；②上覆土體；③下伏基巖（距地表12m）；④下伏基巖（距地表14m）；⑤拱頂。計算結(jié)果如圖8，5條曲線從上至下依次代表ID①～⑤號的位移情況。

圖8 圍巖體豎向位移時程曲線

由圖8可知，巖土體力學(xué)響應(yīng)隨時間增加由路基、上覆土體向下伏基巖由上到下傳播，呈現(xiàn)出地表先變形的現(xiàn)象。拱頂最大沉降量6.51mm，地表受車輛振動荷載最為明顯，沉降量3.70mm。與未有車輛通過情況相比，拱頂和地表的沉降量分別增大1.22，2.10mm。

3.3.4 工況4和工況5

在工況3作用后，分別設(shè)置開挖中臺階及開挖下臺階為工況4和工況5，計算結(jié)果如圖9，圖10。

圖9 中臺階開挖后Z向位移云圖

圖10 下臺階開挖后Z向位移云圖

由圖9及圖10可知，開挖中臺階及開挖下臺階后，圍巖體沉降增量并不大。拱頂隆起量分別為6.74，6.39mm，這是因為下臺階開挖后，初期支護已封閉成環(huán)，可適當(dāng)控制拱底隆起。

3.3.5 工況6

下臺階開挖完成后，再次施加地表動荷載，荷載情況與工況3相同，此為工況6，計算結(jié)果如圖11，5條曲線從上至下依次代表ID①～⑤號的位移情況。

由圖11可知，下臺階開挖完成且施加動載后，圍巖體豎向位移時程曲線變化規(guī)律與工況3基本一致。但動荷載對工況6的影響更為明顯，動荷載使拱頂及地表沉降增量分別為2.10，2.40mm。

整個下穿過程對同一斷面的地表沉降進行監(jiān)測，得出不同工況下距隧道中心不同位置處的沉降值，如圖12。

由圖12可知，由于偏壓的影響，地表沉降曲線呈左右不對稱分布，沉降量最大的位置并不在隧道的正中心，而是在中心線偏左1.5m左右的位置。車輛動荷載對地表沉降影響較大，兩次振動荷載使沉降量分別增大2.09，2.70mm。工況4及工況5的地表沉降增量并不大，這是因為地表沉降量主要集中在上臺階開挖后。全斷面開挖完成后，由于隧道臨空面更大，動荷載作用效果更加顯著，導(dǎo)致在工況5條件下，地表沉降增量達到最大值。

4 結(jié)語

（1）采用FLAC3D軟件對西南某淺埋隧道下穿施工便道過程進行了模擬。模擬分步開挖及車輛動荷載對下穿過程的影響，得出不同工況下圍巖體的豎向位移及地表沉降規(guī)律。對淺埋隧道下穿道路工程具有指導(dǎo)意義。

（2）由于本隧道處于偏壓受力狀態(tài)，圍巖體應(yīng)變最大值在隧道中心線偏左約1.5m的位置。

（3）原設(shè)計支護方案下開挖上臺階后拱頂最大沉降量23.18mm。采取超前小導(dǎo)管支護優(yōu)化設(shè)計后，上臺階開挖時最大沉降量5.29mm，圍巖穩(wěn)定性得以大大提高。

（4）地表車輛動荷載作用下，圍巖體力學(xué)響應(yīng)隨深度規(guī)律變化。深度越淺，響應(yīng)時間越迅速，動荷載影響程度也越大。在動荷載影響下，地表沉降量增加84.2%，拱頂沉降量增加23.1%。

（5）開挖中臺階及下臺階工況，圍巖體沉降量增長幅值較小。這是由于沉降在上臺階開挖及動荷載作用后已大部分完成。

（6）開挖上臺階及整個斷面開挖完成后均有動荷載作用，且動荷載大小、作用時間均一致，但地表沉降增量分別為2.09，2.70mm。這是因為全斷面開挖后，隧道臨空面達到最大值，地表動荷載作用效果顯著。

（7）由于地表車輛動荷載對隧道開挖影響程度較大，特別是隧道全斷面開挖完成，二襯尚未施工前，建議下穿期間減少重載車輛通行。

［1］TB1003—2005，鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 ［S］.

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Study on the progress of shallow-buried tunnel under-crossing the service road considering vehicle dynamic loads

XIANG Zhang-bo
（Guizhou Survey ＆ Design Research Institute for Water Resource and Hydropower，Guiyang 550002，China）

Based on the project of a shallow buried tunnel under wear sidewalk construction in the Southwest，using the numerical simulation software for step-by-step excavation of the surrounding rock，the stress and strain are analyzed，and optimize the design of the support form.Based on the theory of vehicle vibration load effect，the nonlinear dynamic analysis function of FLAC3D finite difference software is used to analyze the influence of vehicle vibration load on the tunnel under the influence of the load.The results show that:after the excavation，the vault settlement amount is too large，it is necessary to carry out the advanced support；vehicle vibration load can increase the amount of rock and soil about 3mm，and its mechanical response varies with depth；Because of biased，left-right asymmetry of surface subsidence curve was distributed.

tunnel under-crossing；the service road；vibration load；nonlinear dynamic analysis；settlement regularity

U451

B

1672-9900（2017）05-0061-05

2017-07-20

向章波（1990-），男（漢族），四川瀘州人，碩士研究生，主要從事工程地質(zhì)及水文地質(zhì)方面的研究，（Tel）13668509110。

（責(zé)任編輯：尹健婷）