浅埋偏压大断面隧道施工中洞外反压技术研究

赵阳晨 宋 力

浅埋偏压大断面隧道施工中洞外反压技术研究

赵阳晨 宋 力

结合工程实例,采用数值模拟的方法,对浅埋偏压大断面隧道施工中采用的洞外反压技术进行了较为详细的计算研究,并给出了相应的建议,为类似工程的施工提供了宝贵经验。

浅埋偏压隧道,洞外反压技术,有限元模型,数值模拟

在对浅埋偏压大断面隧道实际施工中,为了保证工程的顺利进行,主要采用洞外反压、洞内管棚加小导管支护等辅助施工技术来配合施工。本文结合工程实例,主要针对浅埋偏压大断面隧道施工中采用的洞外反压技术,利用数值模拟的方法,对其进行了较为详细的计算研究。

1 工程概述

杏树咀隧道为新建山西中南部铁路通道的单洞双线铁路隧道,位于山西省古县石壁乡附近,全长 2 100 m,施工里程为DK 379+780～DK381+880,最大埋深70m,最小埋深5m,洞口段位于黏质黄土地层中,地表冲沟发育,坡度较陡处于偏压状态,工程地质条件差。隧道衬砌采用三心圆曲墙复合式结构,最大开挖跨度 12.36m,高度10.57m,本次计算时取一特征断面为计算位置,该断面位于Ⅴ级黄土围岩段,工程地质特征为隧道通过地层的地表为砂质黄土,土黄色为主,土质均匀,孔隙较大,节理裂隙发育,干燥为主,松散 ～稍密;隧道洞身段黏质黄土,棕红色、橘黄色为主,土质较均匀,局部加有钙质结构层,硬塑～坚硬。地下水不发育。本文利用数值模拟的方法,对浅埋偏压大断面隧道施工中采用的回填反压技术进行了较为详细的计算研究。

2 数值计算分析

在选取模型边界时,经验表明若取计算边界为隧道等效直径的 3倍～5倍,则边界误差在 10%以内。故本次模型的边界取定如下：由于是浅埋、偏压隧道,模型的范围竖直向上取至山顶,由隧道拱顶到山顶为 20m,竖直向下取 10m;水平向右取 15m,水平向左取至山坡边界,其中拱腰离山坡边界水平最近距离为 5m;填土层水平方向取为 10m,填土竖直方向分为 7层,其中 1层 ～6层均为 5m高,第 7层为 10m高。通过建立有限元模型对衬砌进行计算,为了分析的方便,此处在衬砌上取了四个观察位置,它们分别为：拱顶A(竖直截面);左拱腰B(水平截面);仰拱C(竖直截面);右拱腰D(水平截面)。通过数值模拟得到如下计算结果(见图1～图 5,图 1～图 5中的主应力只有大小而不考虑正负,其中第一主应力为拉应力,第三主应力为压应力)。

由图 1可以看出,衬砌拱顶 A截面在没有回填土体时,第一主应力最大值为 4.704MPa;随着回填土体高度的增加,第一主应力最大值略有增加,但增加幅度很小;当填土高度达到 25m时,第一主应力最大值达到顶点为5.363MPa;随着回填土体高度的继续增加,第一主应力最大值开始缓慢下降,当填土高度达到40m时,第一主应力最大值降为4.616MPa。衬砌拱顶A截面的第三主应力最大值,在没有回填土体时为 16.919MPa;随着回填土体高度的增加,第三主应力最大值迅速减小;当填土高度达到20m时,第三主应力最大值降到最低点为 9.720MPa,比没有回填土体时降低了 42.5%;随着回填土体高度的继续增加,第三主应力最大值开始快速上升,当填土高度达到 40m时,第三主应力最大值增至18.963MPa。

由图 2可以看出,衬砌右拱腰 D截面在没有回填土体时,第一主应力最大值为4.575MPa;随着回填土体高度的增加,其先增至4.848MPa(20m),然后又降至4.636MPa(40m)。衬砌右拱腰D截面在没有回填土体时,第三主应力最大值为25.762MPa;随着回填土体高度的增加,其先降至16.386 MPa(20m),比没有回填土体时降低了36.4%,然后又增至23.646MPa(40m)。

由图 3可以看出,衬砌左拱腰 B截面在没有回填土体时,第一主应力最大值为4.726MPa;随着回填土体高度的增加,其先增至4.801MPa(20m),然后又降至4.734MPa(40m)。衬砌左拱腰B截面在没有回填土体时,第三主应力最大值为 22.812MPa;随着回填土体高度的增加,其先降至16.803MPa(20m),比没有回填土体时降低了26.3%,然后又增至25.235MPa(40m)。

由图 4可以看出,衬砌仰拱 C截面在没有回填土体时,第一主应力最大值为 4.734MPa;随着回填土体高度的增加,其先增至4.741MPa(20m),然后又降至4.716 MPa(40m)。衬砌仰拱C截面在没有回填土体时,第三主应力最大值为17.339MPa;随着回填土体高度的增加,其先降至13.468 MPa(15m),比没有回填土体时降低了22.3%,然后又增至21.671MPa(40m)。

由图 5可以看出,在没有回填土体时,衬砌内第一主应力最大值为 8.89MPa;随着回填土体高度的增加,其值迅速减小,当填土高度达到20m时,第一主应力最大值降到最低点为6.17MPa;随着回填土体高度的继续增加,第一主应力最大值开始上升,当填土高度达到40m时,第一主应力最大值增至10.7MPa。衬砌内第三主应力最大值,在没有回填土体时为 28.2MPa;随着回填土体高度的增加,第三主应力最大值迅速减小;当填土高度达到20m时,第三主应力最大值降到20.7MPa,比没有回填土体时降低了 26.6%;随着回填土体高度的继续增加,第三主应力最大值开始上升,当填土高度达到 40m时,第三主应力最大值增至25.5MPa。

由以上分析可知,随着回填土体高度的增加,各观察截面的第一主应力最大值变化不是很明显,但其第三主应力最大值变化很大,如在衬砌拱顶A截面处,当填土高度达到 20 m时,第三主应力最大值比没有回填土体时降低了 42.5%。第三主应力最大值的变化规律为先降后升,一般在回填土体高度达到 20m处降到最低值。另外,由表 1和表 2可以看出,当填土高度从 15m增加到 20m时,衬砌各观察面对应的主应力值变化不大,只是第一主应力的应力极值有较大的变化幅度,达到了 6.32%,若考虑到施工成本,我们可以将填土高度从 20m降至 15m(在本例中 15m处为隧道的拱腰附近),但同时应在第一主应力极值位置,即右拱腰外侧位置进行局部加强,以增强该处的抗拉能力。

表 1和表 2中二值之间的比较为填土高度为 20m的应力值相对于填土高度为 15m的应力值增量的比值。

表1 填土高度分别为15m和20m时衬砌观察截面第一主应力值比较表

表2 填土高度分别为15m和20m时衬砌观察截面第三主应力值比较表

3 计算与现场实测值比较

本文中回填土体的高度定为 15m,在施工过程中我们同时进行了相应的现场监测。本次检测分别测量了衬砌观察截面初期支护与围岩间的接触压力(如表3所示)。

表 3 隧道衬砌观察截面围岩接触压力值与计算值比较表

通过对比表 3中的现场量测值和理论计算值,发现两者相差很小,在 10%以内,说明本文的理论计算结果是可靠的。

4 结论及建议

1)利用数值模拟的方法,对浅埋偏压大断面隧道施工中采用的洞外反压技术进行了较为详细的计算研究并与现场实测值进行了比较,得出以下结论：a.在不同的回填土体高度下,模型中各观察截面的第一主应力最大值变化不是很明显,但其第三主应力最大值变化很大,如在衬砌A截面处,当填土高度达到 20m时,第三主应力最大值比没有回填土体时降低了 42.5%。随着回填土体高度的增加,第三主应力最大值呈现先降后升的趋势。b.分别对不同回填土体高度计算,得出了当回填土体高度达到隧道的拱顶附近时,回填土体的反压力既能较好的改善隧道衬砌的偏压情况,又不会给隧道增加过多的外载。若考虑到施工成本,可以将填土高度从 20m降至 15m(隧道的拱腰附近),但同时应在第一主应力极值位置,即右拱腰外侧位置进行局部加强。c.通过对比现场量测值和理论计算值,发现两者的差距在 10%以内,说明本文的计算参数选取与现场实际相吻合,计算方法是可靠的。本文的结论可为类似的工程提供参考。2)建议：a.在湿陷性黄土围岩隧道施工时,必须做好洞顶的排水处理,以免地表水下渗引起黄土湿陷,造成隧道结构不稳定。b.在隧道浅埋偏压段施工前应对偏压进行提前处理,洞外加固工程完成后,方可进行施工。

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[7] JTJ 071-98,公路工程检验评定标准[S].

Shallow buried bias pressure in the large cross-section tunnel construction outside the hole back pressure technology research

ZHAO Yang-chen SONG Li

Combining with practical examples,using numerical simulation,calculate and research the shallow buried bias pressure in the large cross-section tunnel construction outside the hole back pressure technology and give the corresponding proposals,and provided valuable experience for similar projects.

shallow buried bias pressure tunnel,outside the hole back pressure technology,finite elementmodel,numerical simulation

U 455.49

A

1009-6825(2011)09-0166-02

2010-12-01

赵阳晨(1968-),男,高级工程师,中铁三局集团,山西太原 030001

宋 力(1982-),男,助理工程师,中铁三局集团,山西太原 030001