Q2黄土中隧道断面扩大开挖优化分析

杨博闻，付 刚

（重庆交通大学管理学院，重庆400074）

1 工程概况

1.1 工程背景

本隧道位于山西省吕梁地区,为直墙半圆拱公路隧道。隧道原跨度3.0 m,高度4.0 m。由于该地区经济发展迅速,交通流量快速增长,原有公路计划进行拓宽改造,则该隧道断面已不能满足公路穿行需要,需要进行扩大开挖。断面扩大后跨度4.5 m,高度5.5 m。由于缺乏黄土隧道扩建改造的工程范例及研究成果,最优开挖顺序难以确定。经现场土样分析,该隧道围岩基本均为Q2砂质黄土。对该断面进行开挖模拟分析,将对施工方案的确定提供有力依据。

1.2 工程地质条件

Q2黄土出露于山西高原、豫西山前高地、渭北高原、陕甘和陇西高原,上覆Q3,下伏Q1黄土或第三系红黏土或砂砾层[1－2]。本隧道涉及范围内为典型Q2砂质黄土，见表1。

表1 列出Q2砂质黄土主要力学参数[2]

2 研究方法及分析模型

根据该隧道围岩的力学属性及覆盖厚度较小的特征,假定其满足:连续、均匀、各向同性、完全弹性、小变形等经典线弹性理论的基本假设,故可以线弹性理论作为对隧道进行分析的基础[3－4]。因隧道在长度方向的尺寸远大于横截面尺寸,所以可按照平面应变问题进行分析。

计算采用ANSYS12.0有限元分析软件,其中任意断面按照平面应变模型计算。单元类型为四边形实体单元,边界条件为:左右边界水平方向0位移约束,下边界竖向0位移约束,上边界为自由边界。长度单位采用m、kN。

图1 隧道计算模型示意图

有限元计算结果的合理与否在于计算模型尺寸、边界条件以及材料力学性质参数的确定是否合理[5-7]。根据隧道开挖影响范围的大小,计算模型的建立如图1所示:模型宽度33 m,最大高度50 m,隧道左右两帮距离模型左右边界均为15 m,隧道底板距离模型底边界10 m。

虽然按照线弹性模型计算最后的结果与开挖过程无关,但是对任意局部施工步骤而言,在此处出现的最大应力值与最大变形值可能不是出现在最后完工时,为了找到应力与位移的最大值,进行施工步骤模拟是必要的。按照施工步骤的不同,对两种施工方案进行模拟,每个方案各6个步骤，见图2。

图2 两种方案扩挖施工示意图

方案I的开挖顺序为:（1）上部开挖→(2)拱部锚喷初期支护→(3)两帮开挖→(4)边墙锚喷初期支护→(5)下部开挖→(6)清底封闭仰拱。

方案Ⅱ的开挖顺序为:(1)下部开挖→(2)底封闭仰拱→(3)上部开挖→(4)拱部锚喷初期支护→(5)两帮开挖→(6)边墙锚喷初期支护[5]。

3 开挖稳定性分析

3.1 扩挖前应力场特征及变形分析

图3为开挖前隧道围岩应力强度等值线图。由图4可以看出,隧道底角及侧壁产生应力集中,在两底角及两顶角应力值较大,由于地表右侧有单侧山体结构,隧道有一定偏压,右侧围岩受力较左侧围岩稍大,应力在右侧底角处达到最大值约9.25 Mpa。

显然,在围岩的挤压应力场作用下,隧道的侧壁及底板为薄弱区域,应重点研究其应力分布及变形特征。山体的非对称性对隧道围岩影响微小,其造成的隧道左右两侧应力及位移差别可以忽略。

图3 扩挖前围岩铅垂应力强度等值线图

图4 为侧壁节点分布图

图5 扩挖前隧道变形折线图

图5 a为扩挖前隧道侧壁变形折线图,横坐标为在隧道左壁自上而下等间距分布的21个节点,纵坐标为横向变形值,以水平向右为正,向左为负。

图5 b为隧道底板表面变形折线图,横坐标为底板自左向右等间距分布的21个节点,纵坐标为纵向变形值,向下位移为负。

由图5可知,由于隧道侧壁呈垂线,受力状况不良,侧壁向内侧弯曲,围岩将承受较大拉应力,且于侧壁中部产生最大值。模拟计算时围岩由于重力影响整体沉降,故图5b中纵坐标绝对数值无参考价值,然而由底板变形趋势仍可看出,隧道底部产生拉应力而隆起,为了提高隧道稳定性,确保路基结构稳定,路面平整,可设置仰拱。

3.2 不同开挖方式应力场及变形特征

若将方案I(1)～(4)步看作阶段一；(5)(6)步看作阶段二。方案Ⅱ(1)(2)步看作阶段一；(3)～(6)步看作阶段二。则两方案实质区别在于两阶段施工先后顺序的不同。故以下将重点分析两种方案分别在阶段一完工时的应力场及变形特征。

图6 两种方案在阶段一完工时的断面图

3.2.1 变形特征分析

两种方案在阶段一完工时的变形计算结果，见表2。

表2 变形计算结果表

图7所示为两种方案在阶段一完工时侧壁及底板变形折线图。

由图7可以看出,两种方案变性特征相似。从左侧壁上端向下,x正向位移逐渐增大,在中点附近达到最大值后位移逐渐向x负向过渡,在底角处达到x负向最大位移值;方案Ⅱ侧壁整体位移明显大于方案I;方案Ⅱ底板隆起曲率明显大于方案I。

以变形为指标评价:方案I对隧道围岩的扰动程度小于方案Ⅱ。

图7 第一阶段扩控变形对比

3.2.2 应力场分析

在整个隧道扩挖过程中围岩应力场分布将产生变化,阶段一完工后两方案应力计算结果，见表3。

表3 应力计算结果

两方案在阶段一完工时侧壁及底板x方向及y方向应力对比图如图8所示。

图8 第一阶段扩挖应力对比

由图8可知,在侧壁应力方面,两种方案x与y向应力分布特征基本相似,x向应力数值大小基本相同,方案I y向应力略大于方案Ⅱ;两方案在底板应力分布特征上也基本相同,方案I x向应力数值略大于方案Ⅱ。

对于该隧道侧壁来说,围岩的x向应力较易使整体结构发生破坏,对隧道较为不利,两种方案表现基本相当,y向应力均为压应力,对隧道结构影响不大。隧道底部y向应力将使底板向上隆起,两种方案表现也基本相同。

4 结论

1)直墙半圆拱形隧道扩挖过程中,跨度的增大引起了顶底板尤其是底板的铅垂位移量的增大、底角的应力集中范围增大、底板拉应力区及拉应力值增大,容易造成底鼓现象。

2）隧道高度的增大,导致隧道帮部水平位移量的增大、底角的应力集中范围增大、帮部拉应力区和拉应力值增大,容易引发帮部失稳。

3)围岩位移比较:方案I的整体变形量小于方案Ⅱ;围岩应力比较:方案I与方案Ⅱ差异不明显。

4)方案I在不破坏原有平整底板的基础上即可进进行扩大断面施工,有利于提高施工效率;按照方案Ⅱ进行施工时,不利于大型机械化设备的利用。

综合以上几方面,方案I的施工步骤对原有围岩结构扰动较小,是较为合理的方案。

[1]王晓州.大断面黄土隧道施工技术[M].北京：中国铁道出版社,2009．

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