典型膨脹巖區(qū)鐵路隧道基底上拱致害機理及治理措施的仿真分析

侯 彬,王 越,杜 林

(1.石家莊鐵道大學交通運輸學院，河北省石家莊市北二環(huán)東路17號 050043；2.中國鐵路青藏集團有限公司，青海省西寧市建國路22號 810007)

我國幅員遼闊，西部地區(qū)多山嶺，多數(shù)鐵路的建設(shè)須穿越山嶺修建隧道，以克服高山峽谷等地形障礙，改善線路運行質(zhì)量。隧道建成后，其結(jié)構(gòu)受力變化情況較為復(fù)雜，未采取相關(guān)工程措施的條件下，復(fù)雜的受力將有可能導(dǎo)致隧道基底上拱病害的產(chǎn)生。已有研究表明，造成隧道基底上拱病害的主要因素為圍巖強度[1-6]、隧道結(jié)構(gòu)[7-9]和圍巖地質(zhì)條件[10]等。其中圍巖強度的變化是由多方面的條件引起的，例如高地應(yīng)力軟弱圍巖強度變化[2-4,6]及隧道下方地下水突增或周期性變化對影響區(qū)圍巖的強度影響[11-13]。隧道仰拱矢跨比和仰拱厚度是影響基底病害的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，膨脹巖土是影響基底病害的主要圍巖地質(zhì)條件。

目前，公路隧道工程領(lǐng)域?qū)λ淼阑咨瞎安『栴}的研究較多，在鐵路隧道工程領(lǐng)域的研究成果較少。

文中擬針對某運營期鐵路隧道開展多因素影響條件下結(jié)構(gòu)受力特性變化和隧道變形進行預(yù)測仿真分析，對不同隧道結(jié)構(gòu)和圍巖強度條件下鐵路隧道的仰拱結(jié)構(gòu)受力特性、仰拱變形預(yù)測等問題開展仿真研究，旨在明確外部作用力對隧道的影響，闡明相關(guān)的治理措施對基底上拱病害的防治效果，為運營期鐵路隧道的安全提供一定的理論參考。

1 模型的建立

1.1 工程概況

該隧道選取西北地區(qū)某運行期鐵路隧道為研究對象，最大埋深126m，隧道結(jié)構(gòu)采用帶仰拱的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，洞內(nèi)為3.5‰的單面上坡，洞內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)為CRTS-1型雙塊式無砟雙線軌道。

該隧道工程范圍內(nèi)地表多出露泥巖，局部夾砂巖或石膏巖，且多為零星出露。隧道洞身上部發(fā)育有較大的沖溝，溝內(nèi)多為洪積碎石土，且有潛水賦存，水量不大。全隧道按照膨脹巖襯砌支護參數(shù)設(shè)計，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并對出口巖堆體基礎(chǔ)采用φ89鋼花管注水泥漿加固地層。

1.2 數(shù)值仿真模型

根據(jù)該隧道的設(shè)計參數(shù)，建立如圖1所示的三維平面數(shù)值仿真模型。隧道軸線方向(y方向)取40m厚度，在隧道寬度方向(x方向)和高度方向(z方向)的邊界距軸線均為50m。

(a)模型概況 (b)隧道附近網(wǎng)格細化情況

圍巖采用Mohr-Coulomb屈服準則進行模擬，仰拱、初支、二襯結(jié)構(gòu)選用彈性模型，其中圍巖、隧道仰拱和二次襯砌均為實體單元，初支為板單元。材料參數(shù)按照《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》確定，如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

2 致害因素的正交試驗分析

假設(shè)三個因素之間相互獨立，按照L9(34)正交表開展三因素三水平正交試驗。文中選定圍巖強度衰減、仰拱矢跨比、仰拱厚度三個因素進行分析。選取圍巖強度衰減程度為5%，10%，15%，仰拱矢跨比選用1/8，1/10，1/12三種類型，仰拱厚度選取40cm，60cm，80cm三種，數(shù)值仿真試驗方案如表2所示。

表2 正交試驗方案

經(jīng)過數(shù)值仿真模擬運算，得到各種試驗方案下隧道仰拱中部的豎向位移、水平位移和最大主應(yīng)力變化數(shù)據(jù)和變化云圖，部分云圖如圖2-圖4所示，變化數(shù)據(jù)分析如表3-表5所示。

(a)方案1

(d)方案4

(g)方案7

表3 豎向位移極差分析表

表4 水平位移極差分析表

表5 最大主應(yīng)力極差分析表

經(jīng)由極差分析可得，圍巖強度衰減變化和仰拱厚度分別是隧道產(chǎn)生豎向、水平變形位移的主、次要因素，隧道仰拱矢跨比是影響隧道基底最大主應(yīng)力的主要因素，圍巖強度衰減是影響隧道基底最大主應(yīng)力的次要因素。

經(jīng)由單因素分析可得以下結(jié)論：

(1)隨著圍巖強度的不斷減弱，會對隧道產(chǎn)生的作用力逐漸增強，使得隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移和最大主應(yīng)力不斷增加。

(2)通過數(shù)值模型試驗結(jié)果可以得出，仰拱矢跨比的變化會對隧道基底的最大主應(yīng)力變化情況產(chǎn)生較大的影響，且增加仰拱矢跨比有助于更好地抵抗來自于圍巖的作用力，所以在修建隧道時應(yīng)在符合規(guī)范的條件下盡可能選擇較大的仰拱矢跨比。

(3)根據(jù)現(xiàn)場工程狀況和數(shù)值模擬試驗結(jié)果可以得出，仰拱厚度的增加可以有效地減少隧道由于各種原因產(chǎn)生的豎向位移變化情況，但是并不能有效減少隧道基底承受的最大主應(yīng)力。仰拱厚度的增加可以有效的抵消來自圍巖的壓力，但同時當圍巖產(chǎn)生的作用力超過仰拱可以承受的作用力時，仰拱將會被破壞，依舊會產(chǎn)生上拱現(xiàn)象。

經(jīng)過正交試驗總體結(jié)果分析可以得知，在圍巖強度衰減程度不超過10%，仰拱矢跨比在1/8，仰拱厚度在80cm時，產(chǎn)生的軌道上拱量較小，即此隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)對圍巖強度衰減程度較小的隧道可以起到較好的病害治理效果。

3 典型治理方案的改善效果

隧道基底錨桿治理是通過在隧道底部鉆孔內(nèi)布置錨桿以保持圍巖穩(wěn)定的一種加固方法。錨桿實質(zhì)上加強了圍巖影響區(qū)巖土的整體性，以防圍巖產(chǎn)生變形后應(yīng)力突然釋放。同時，它還能充分調(diào)動圍巖的潛力，依靠錨桿周圍巖體的抗剪強度傳遞結(jié)構(gòu)物的作用力，以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

為較直觀地觀察仰拱加厚和錨桿注漿治理方案的效果，考慮仰拱厚度和錨桿長度2個因素，設(shè)計如表6的數(shù)值方案，材料參數(shù)如表7所示。

表6 治理措施方案

表7 混凝土襯砌及錨桿參數(shù)

經(jīng)過數(shù)值仿真模擬運算，得到各種試驗方案下隧道中部的豎向位移、水平位移和最大主應(yīng)力變化數(shù)據(jù)和變化云圖，部分云圖如圖5所示，變化數(shù)據(jù)分析如表8、表9所示。

(a)方案1豎向

(d)方案3水平

(g)方案5豎向

表8 加厚仰拱治理方案模擬結(jié)果Tab.8 Simulation results of thickened invert treatment plan

表9 不同錨桿長度治理方案模擬結(jié)果Tab.9 Simulation results of treatment schemes with different anchor rod lengths

根據(jù)模擬結(jié)果可以得到加厚仰拱治理方案是可行的，仰拱厚度的增加對病害的體現(xiàn)產(chǎn)生了積極的抑制作用，但加厚仰拱的治理措施只能用于抵抗來自圍巖向上的作用力，但并不能對病害的產(chǎn)生造成直接的影響。如需徹底解決上拱病害問題仍需從改善圍巖環(huán)境、加強圍巖強度等方面考慮。

根據(jù)模擬結(jié)果可得如下規(guī)律：

(1)在隧道基底施加錨桿的作用力后，鐵路隧道基底的上拱現(xiàn)象得到了明顯的改善，但由于未曾在襯砌周圍圍巖增加作用力，因此導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)水平位移明顯增加；

(2)隨著錨桿長度的增加，隧道基底豎向位移變化逐漸減小，說明在適合的條件下，較長的錨桿可以提供較大的錨固力，起到更好的錨固作用；

(3)由表9可知，方案4與方案5豎向位移與水平位移變化較小，結(jié)合經(jīng)濟性成本考慮，選擇6m錨桿能在成本較小的情況下穩(wěn)固圍巖強度，對上拱病害有良好的治理效果。

4 結(jié)論

結(jié)合我國目前的工程實際情況和隧道基底上拱病害現(xiàn)象治理方案，使用正交試驗分析和數(shù)值模擬分析對產(chǎn)生上拱病害的主要因素、次要因素和病害治理結(jié)果進行了模擬，取得的主要進展和認識如下：

(1)通過正交試驗和極差分析法對圍巖強度衰減程度、仰拱矢跨比和仰拱厚度3個影響因素的分析，確定了影響隧道基底產(chǎn)生上拱現(xiàn)象的主要因素；由單因素分析得隨圍巖強度衰減程度的增加，仰拱豎向位移和水平位移均增加，隨仰拱矢跨比的減小，仰拱豎向位移增加，水平位移減??；正交試驗總體結(jié)果分析得圍巖強度衰減程度不超過10%，仰拱矢跨比在1/8及以上，仰拱厚度在80cm時，產(chǎn)生的軌道上拱量最小。

(2)仰拱厚度作為一個較為重要的影響因素，在仰拱厚度增加時豎向位移和水平位移都有明顯減小的趨勢，同時仰拱厚度的增加也會抵消部分來自圍巖的壓力，減緩隧道基底上拱的趨勢，但是當圍巖產(chǎn)生的作用力大于或超過仰拱可以承受的作用力時，仰拱將會被破壞，依舊會產(chǎn)生上拱現(xiàn)象。

(3)隧道基底上拱在錨桿支護作用下有明顯的改善，證明采用錨桿注漿的治理措施是有效的，選擇6m錨桿能在成本較小的情況下穩(wěn)固圍巖強度，對上拱病害有良好的治理效果。