基于數(shù)值模擬的黃土地區(qū)南山堡隧道進洞支護方案優(yōu)化

劉文武

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

隨著西部地區(qū)經濟和社會的快速發(fā)展，該地區(qū)修建了大量基礎設施。因此，西部地區(qū)隧道工程需下穿黃土土層。由于黃土強度低、節(jié)理發(fā)育、結構性明顯等缺點，黃土地區(qū)的隧道施工易造成地層擾動大，這嚴重影響隧道的安全。黃土地區(qū)隧道施工已成為當前研究熱點之一。

黃土地區(qū)隧道建造問題作為國內外的研究熱點，眾多學者對此開展了一系列的研究。部分學者從黃土的工程特性進行研究，陳煒韜等[1]基于灰色關聯(lián)度理論，結合統(tǒng)計方法，獲取了隧道圍巖分級指標:塑性指數(shù)、天然密度和液性指數(shù)等。馮志焱等[2]基于黃土地區(qū)公路隧道工程，通過試驗手段分析了土層的物理力學性質，進一步研究了不同條件下土體的應力－應變關系。翁效林等[3]利用試驗手段，研究了黃土地區(qū)的濕陷性黃土對隧道結構的影響，解釋了黃土與隧道結構的相互作用機制。梁慶國等[4]通過試驗研究了黃土的各向異性、節(jié)理和水敏性等敏感參數(shù)對隧道的穩(wěn)定性影響，并從黃土物理力學性質等方面分析了隧道圍巖的工程性質。另一部分學者從隧道施工技術方面展開研究。楊建民[5]基于某鐵路隧道工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測對比不同工法下地表沉降和隧道變形，分析了三種工法的優(yōu)缺點，得出了三臺階七步法適用于黃土隧道開挖的結論。陳建勛等[6]基于MIDAS/GTS有限元軟件，建立不同模型，分析了有無系統(tǒng)錨桿的影響，研究表明系統(tǒng)錨桿能有效控制黃土隧道變形。岳嶺[7]利用數(shù)值模擬手段，研究了鐵路隧道下穿既有鐵路問題，對比了不同超前支護方案下隧道地表沉降和隧道變形，確定了最合理的施工方案。其他一些學者[8－12]也通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，對黃土隧道施工引起的隧道變形和地表沉降開展研究，并提出了一系列的控制措施。

本文以黃土地區(qū)南山堡隧道穿越第四系上更新統(tǒng)砂質黃土為工程背景，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，對比不同施工方案下隧道變形和地表沉降，確定適用于本工程的進洞支護方案。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

南山堡隧道IDK866＋256～IDK866＋850段穿過第四系上更新統(tǒng)砂質黃土，下方為砂巖夾泥巖和砂巖。砂質黃土下部為粗圓礫層，厚度在0.7～2.5 m范圍變化，潮濕～飽和，有地下水流出，水量16～102 m3/d。砂質黃土遇水易軟化，承載力降低。可見，圍巖穩(wěn)定性很差。砂巖夾泥巖節(jié)理發(fā)育、強風化、巖體破碎嚴重。可見，該段隧道洞口所穿越地層圍巖穩(wěn)定性差。因此，在隧道進洞口采取超前加固措施。圖1為洞口施工現(xiàn)場。

圖1 洞口施工現(xiàn)場

2.2 重難點分析

黃土因其垂直節(jié)理、孔隙大、管狀孔道及濕陷性等特殊工程性質，易造成施工過程中隧道變形大、穩(wěn)定性差等不利影響，嚴重的會造成隧道沉降和坍塌。本隧道工程穿越第四系上更新統(tǒng)砂質黃土，而砂質黃土遇水易軟化，承載力降低，因此隧道施工難度較大，主要表現(xiàn)在以下方面:

(1)在隧道進洞口黃土形成仰坡、邊坡，由于各種原因，如黃土陷穴、本地段的掏砂洞、坡腳浸水、坡腳掏蝕等，再加上隧道施工過程中的擾動，極易造成隧道進洞口的坍塌。

(2)干燥的黃土強度和穩(wěn)定性不差，隧道施工較安全。但因黃土粘結力差，隧道施工后土體應力重組合，當黃土浸水后，其顆粒間粘結力迅速破壞，強度顯著降低。疊加上隧道施工過程中的擾動，易造成掘進過程中隧道發(fā)生下沉甚至失穩(wěn)坍塌。

(3)黃土結構疏松，強度低，在大斷面開挖的情況下，拱頂土體在自重作用下形成下塌，當隧道埋深較小時可以發(fā)展到頂部，形成地面下沉、開裂，甚至冒頂。

(4)隧道掘進中遇到高含水量處，也會出現(xiàn)拱腳下沉量大，甚至掌子面土體坍塌的現(xiàn)象。

3 三維數(shù)值模型

3.1 計算模型建立

選擇隧道 IDK866＋256～IDK866＋306段建立三維數(shù)值模型，整體模型圖如圖2所示。整體模型尺寸長50 m、寬50 m和高45 m(以隧道影響范圍3～5倍為原則建立模型)，隧道拱頂距地表11 m。模型上表面邊界條件為自由，其余表面邊界條件均為法向約束。模型單元數(shù)為173 600個，節(jié)點數(shù)為184 050個。

圖2 三維數(shù)值模型

3.2 計算參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場地勘報告，巖土體的物理力學參數(shù)取值見表1。巖土體本構模型采用摩爾－庫倫模型，用實體單元模擬。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

初襯和二次襯砌均用實體單元模擬，本構模型采用彈性模型；管棚加固區(qū)采用樁單元模擬、小導管加固采用錨索單元模擬，錨桿加固區(qū)采用實體單元模擬。各支護結構的物理力學參數(shù)見表2。

表2 支護結構物理力學參數(shù)

3.3 計算步驟

該隧道施工方案為三臺階臨時橫撐法、擴大拱腳和掌子面加固聯(lián)合方案。隧道施工步驟如表3所示。

表3 具體施工步驟

4 數(shù)值計算結果分析

4.1 不同超前支護方案對比

為研究不同超前支護方案支護效果，本節(jié)分析兩種方案結果。工況一為雙層超前注漿小導管＋洞口管棚，工況二為僅洞口管棚(掌子面加固范圍為掌子面前方1 m內的土體)。

圖3給出了地表沉降和隧道拱頂變形曲線。從圖3a可以看出，地表沉降初期緩慢增大，在距掌子面距離25 m處迅速增大。這是由于隧道洞口土體為三維受力狀態(tài)，黃土的松散性導致隧道洞口施工對周邊較大范圍內土層有顯著影響，因此地表沉降顯著增大。當距掌子面距離小于20 m后，地表沉降增大速率顯著減緩。這表明初期支護和掌子面加固措施能有效控制土層變形。當距掌子面距離小于0后，地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定。從圖中還可以看出，工況一下地表沉降峰值約為38 mm，工況二下地表沉降峰值約為44 mm，工況二地表沉降明顯大于工況一地表沉降。說明雙層超前注漿小導管＋洞口管棚的超前支護方案優(yōu)于僅洞口管棚的超前支護方案。

圖3 地表沉降和隧道拱頂變形曲線

圖3b的隧道拱頂沉變形曲線可以看出，隧道拱頂變形規(guī)律:隧道拱頂變形初期緩慢增長，當距掌子面距離10 m處時，拱頂變形迅速增大，直至距掌子面距離0 m時，拱頂變形迅速減小并趨于穩(wěn)定。這說明初期支護和掌子面加固對隧道拱頂變形控制效果顯著。從圖中還可以看出，工況一下地表沉降峰值約為12.2 mm，工況二下地表沉降峰值約為14.0 mm，工況二地表沉降大于工況一地表沉降。說明雙層超前注漿小導管＋洞口管棚的超前支護方案優(yōu)于僅洞口管棚的超前支護方案。

如圖4所示，兩種工況下隧道洞口處初期支護位移峰值均發(fā)生在上臺階拱腳處。工況一下的豎向位移和水平位移峰值分別為7.5 mm和18.5 mm；工況二下的豎向位移和水平位移峰值分別為10 mm和20 mm?？梢姡r一的支護效果更好。

如圖5所示，由于洞口處仰坡坡度較大，仰坡處后方土體有下滑趨勢，而仰坡表明有隆起趨勢，該處的仰坡容易失穩(wěn)，因此洞口處圍巖的豎向和水平位移較大，有必要加強對仰坡的支護。另一方面，工況一下洞口豎向和水平位移均小于工況二下的豎向和水平位移，同樣可以看出，因此工況一方案的支護效果優(yōu)于工況二方案。

綜上所述，雙層超前注漿小導管＋洞口管棚超前支護方案支護效果更佳，實際施工時選擇該超前支護方案。但上述分析表明，隧道洞口的變形依舊過大，洞口仍舊處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應進一步加強洞口圍巖支護。

4.2 隧道洞口施工措施優(yōu)化

為進一步加強支護方案，在上一節(jié)的研究基礎上，選擇工況一的超前支護方案，計算模型不變。掌子面加固措施采用6 m長φ25玻璃纖維砂漿錨桿，通過提升掌子面前方6 m內土體的粘聚力和摩擦角來模擬。同時提升洞口仰坡5 m內土體參數(shù)，以模擬仰坡的超前支護加固。加固后的土體參數(shù)如表4所示。

表4 加固后土體物理力學參數(shù)

如圖6所示，洞口豎向最大位移發(fā)生在拱頂位置，峰值約為3 mm，洞口水平最大位移發(fā)生在拱腳位置，峰值約為2.3 mm。并且，初期支護變形沿著隧道進深方向逐漸變大，隧道豎向變形從拱頂?shù)焦暗自絹碓叫　?/p>

圖6 加固后初期支護變形云圖

從圖7中可以看出，隧道開挖后，隧道洞口拱頂沉降峰值約為8.5 mm，隧道洞口水平位移峰值約為5 mm，最大地表沉降約為6 mm。仰坡表明土體隆起位移小于6 mm。對比圖5可知，加固后的隧道洞口圍巖變形顯著減小。并且，加固后仰坡沒有下滑，掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)。可見掌子面加固和仰坡防護控制變形效果好。

圖7 加固后隧道洞口圍巖變形云圖

4.3 數(shù)值結果與監(jiān)測結果對比

圖8給出了數(shù)值結果與監(jiān)測結果對比曲線圖。從圖8中可以看出，數(shù)值計算與監(jiān)測計算的地表沉降和隧道拱頂沉降規(guī)律一致，誤差在可控范圍內，很好地驗證了模型的正確性。另一方面，工況一的地表沉降和隧道拱頂沉降小于工況二的地表沉降和隧道拱頂沉降。進一步說明了工況一的控制措施更合理。

圖8 數(shù)值結果與監(jiān)測結果對比曲線

5 結論

本文以黃土地區(qū)南山堡隧道穿越第四系上更新統(tǒng)砂質黃土為工程背景，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，對比不同超前支護方案下隧道變形和地表沉降，確定適用于本工程的進洞支護施工方案。通過對比分析，進一步研究了隧道洞口施工措施優(yōu)化。主要得到以下結論:

(1)通過數(shù)值模擬對比分析可知，三臺階臨時橫撐法和洞口管棚可以控制隧道變形，采用雙層超前注漿小導管和洞口管棚聯(lián)合支護控制變形效果更好。但洞口仍舊處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)掌子面采用6 m長φ25玻璃纖維砂漿錨桿加固能進一步減小隧道洞口變形，使得隧道洞口處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)洞口超前大管棚、超前雙層小導管、三臺階臨時橫撐法施工措施控制效果良好。監(jiān)測結果表明，實際施工時隧道變形未超限，隧道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。這可為黃土地區(qū)隧道施工提供寶貴經驗。