基于FLAC3D的山區(qū)鐵路隧道施工階段分析

李華快

摘要：文章基于有限差分軟件FLAC3D，建立在上下臺(tái)階法施工工況下的IV級(jí)圍巖隧道在各個(gè)施工階段中的有限元模型，分析隧道變形受力特點(diǎn)。研究結(jié)果顯示：隧道豎向位移呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)，應(yīng)力z方向呈現(xiàn)拱底無明顯變化而拱頂變化較大的情況，增大29%，而x方向應(yīng)力則與z方向應(yīng)力結(jié)果相反，呈現(xiàn)拱頂變化不大而拱底明顯降低，減小了19%。對(duì)于這種現(xiàn)象，提出了相應(yīng)的處理措施，為類似工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道工程;施工階段;拱頂沉降;拱底隆起

中圖分類號(hào)：U459.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.042

文章編號(hào)1673-4874（2021）01-0155-03

0引言

我國鐵路建設(shè)呈現(xiàn)起步較晚但發(fā)展速度較快的特點(diǎn)，截至2019年年底，我國運(yùn)營鐵路隧道16084座，總里程達(dá)到13.9萬km。在隧道建設(shè)過程中，存在很多問題，許多專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究[1-3]。黃海斌[4]等對(duì)雙線公路隧道下穿鐵路隧道的施工工法理論進(jìn)行了研究，通過運(yùn)用有限元摩爾庫倫原理建立CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種工法的下穿模型，分析隧道不同部位的穩(wěn)定性和沉降，得出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)下穿鐵路隧道的影響最小的結(jié)論。孫毅[5]等對(duì)高速鐵路隧道二次襯砌的變形特性和極限承載能力進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得出在臨界破壞狀態(tài)下，隧道不同部位塑性區(qū)的分布范圍受側(cè)壓力系數(shù)的影響較大，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，洞形由扁平逐漸變?yōu)樨Q直，且當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為1.4時(shí)，二襯的承載效果最好的結(jié)論。楊家松[5]對(duì)單線鐵路隧道微臺(tái)階法一次開挖爆破的施工技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，通過實(shí)際調(diào)研、理論分析得出在IV、V圍巖條件下的新微臺(tái)階帶仰拱一次開挖爆破技術(shù)，通過實(shí)際工程的應(yīng)用，在實(shí)例工程管理常態(tài)化的同時(shí)還能提升標(biāo)準(zhǔn)化管理水平和工程進(jìn)度，節(jié)約成本的結(jié)論。本文針對(duì)山區(qū)鐵路隧道的地形地質(zhì)特點(diǎn)，運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對(duì)隧道施工階段的受力變形特點(diǎn)進(jìn)行分析，為類似工程施工提供參考。

1工程概況

模型選取山區(qū)某隧道，由于山區(qū)特有地形地質(zhì)、水文、氣候條件復(fù)雜，對(duì)隧道施工的要求很高。該隧道圍巖主要由二疊、三疊系長石、石英砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖及頁巖組成，圍巖偏破碎，地質(zhì)條件較差，主要為IV級(jí)圍巖?，F(xiàn)場地下水變化較大，主要由地表降水補(bǔ)給，隧道埋深在15～200m。其中隧道初期支護(hù)采用C20混凝土，厚度為25cm，二襯采用C30混凝土，厚度為50cm。模型參數(shù)見下頁表1。

2施工工法

由于隧道圍巖巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造、斷層分布復(fù)雜，在穿過軟弱圍巖時(shí)，為了保證施工、運(yùn)營的安全及減少后期維修的成本，施工必須選取對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較小、初支二襯及仰拱能及時(shí)封閉且受力合理的工法，控制圍巖的松弛變形，同時(shí)綜合考慮工期的影響，本文采用臺(tái)階法模擬隧道模型的施工（見圖1）。

3有限元模型的建立

有限元計(jì)算區(qū)域根據(jù)圣維南原理采用橫向100m、豎向40m即計(jì)算邊界為3～4倍洞徑的隧道模型，圍巖參數(shù)性質(zhì)根據(jù)摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則確定，初支、二襯采用殼單元模擬，圍巖、加固圈采用實(shí)體單元即四邊形四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格模擬。有限元網(wǎng)格見圖2。

4有限元分析結(jié)果

隧道施工順序?yàn)殚_挖1→初期支護(hù)→開挖2→初期支護(hù)→二襯施工。通過各階段的隧道受力變形結(jié)果，對(duì)鐵路隧道的施工階段狀況進(jìn)行分析。

4.1位移結(jié)果分析

根據(jù)位移云圖（見圖3～6），可知在隧道開挖前，隧道初始自重應(yīng)力場是均勻的，開挖上臺(tái)階并施加初期支護(hù)后，隧道呈現(xiàn)拱頂沉降拱底隆起的特點(diǎn)。在下臺(tái)階施工及二襯施作完畢整個(gè)施工過程中，拱頂沉降值呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，最大值達(dá)到2mm;仰拱隆起值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大值達(dá)到1.5mm。因此在施工過程中，應(yīng)采取一定的臨時(shí)加固措施，防止出現(xiàn)隧道圍巖失穩(wěn)坍塌事故，造成人員傷亡。

4.2應(yīng)力分析

根據(jù)施工階段應(yīng)力云圖（見圖7～10），可以看出在隧道開挖上臺(tái)階時(shí)，隧洞z方向應(yīng)力呈現(xiàn)拱頂較大拱底較小的趨勢，而在下臺(tái)階施工完成仰拱封閉后，拱底應(yīng)力變化不大，但是拱頂應(yīng)力出現(xiàn)較大變化，增大了29%。對(duì)應(yīng)豎向位移云圖可知，大應(yīng)力是由于開挖完成后隧道拱頂?shù)妮^大位移使得拱頂應(yīng)力場發(fā)生較大的變化。而對(duì)于x方向的應(yīng)力，與z方向應(yīng)力呈現(xiàn)相反的特點(diǎn)，開挖上臺(tái)階時(shí)，隧道拱頂應(yīng)力較大而拱底較小，但當(dāng)下臺(tái)階施工完仰拱封閉后，拱頂應(yīng)力變化不大，拱底應(yīng)力存在較大的下降趨勢，減小了13%。對(duì)應(yīng)位移結(jié)果，可知是因?yàn)樵谘龉胺忾]及二襯施作后，隧道與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成整體承載，應(yīng)力分布更均勻，受力更合理。

5處理措施

對(duì)于拱頂沉降的問題，可以采取洞外地表水引流及土體加固+洞內(nèi)強(qiáng)支護(hù)+工法優(yōu)化綜合運(yùn)用的方案減緩沉降速率。洞外措施主要通過地表截排水使土體免受地下水的滲流影響，影響土體的固結(jié)性，并注入10%的水泥土封閉流動(dòng)面及流動(dòng)裂隙，提升隧道上方土體整體穩(wěn)定性;洞內(nèi)強(qiáng)支護(hù)主要通過支設(shè)水平錨桿使拱墻與巖土體形成整體，同時(shí)對(duì)于沉降較大的位置施作臨時(shí)仰拱及中隔墻，施工過程中做好保溫措施，確保結(jié)構(gòu)整體性;工法優(yōu)化要求在隧道施工過程中，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測，動(dòng)態(tài)施工，根據(jù)出現(xiàn)的實(shí)際情況制定合理的工法。

對(duì)于拱底隆起的問題，可以采用基角錨桿+剛?cè)釋有秹旱墓し?，同時(shí)做好疏排水及時(shí)封閉來控制隆起值。

6結(jié)語

通過對(duì)山區(qū)鐵路隧道施工階段的受力變形狀況及隧道開挖過程中的位移及應(yīng)力結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

（1）在隧道開挖前，隧道初始自重應(yīng)力場是均勻的，隨著隧道開挖，拱頂沉降值呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)，最大值達(dá)到2mm;仰拱隆起值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大值達(dá)到1.5mm。因此在施工過程中，應(yīng)采取一定的臨時(shí)加固措施，防止出現(xiàn)隧道圍巖失穩(wěn)坍塌事故，造成人員傷亡。隨著隧道開挖，使隧洞z方向應(yīng)力呈現(xiàn)拱頂較大拱底較小的趨勢，拱底應(yīng)力變化不大，但是拱頂應(yīng)力增大了29%，而對(duì)于x方向的應(yīng)力，與z方向應(yīng)力呈現(xiàn)相反的特點(diǎn)，拱頂應(yīng)力變化不大，拱底應(yīng)力存在較大的下降趨勢，減小了13%。

（2）對(duì)于拱頂沉降采用錨管、地表水引流、及時(shí)封閉及工法優(yōu)化等措施;對(duì)于拱底隆起，采用基角錨桿+剛?cè)釋有秹?，同時(shí)做好疏排水及時(shí)封閉仰拱來解決。

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