大西客运专线磨盘山隧道冲沟浅埋偏压段施工过程受力数值模拟分析

2011-08-02 08:42杨燕伟孔海峡陈光荣

铁道标准设计 2011年12期

杨燕伟，李磊，孔海峡，陈光荣

(中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710032)

随着交通事业的发展，山区将修建更多的隧道，部分洞段经常出现浅埋偏压软弱围岩，由于围岩压力呈明显不对称性、不均匀性，从而使支护受偏压荷载，施工中稍有不慎将出现塌方的严重事故。因此，提出合理的隧道浅埋偏压段下穿方案，对施工过程研究就十分重要。佘健等[1]运用大型有限元软件ANSYS对软弱围岩段隧道施工过程进行了三维数值模拟计算，得出了围岩位移的变化规律;杨小礼等[2]采用双侧壁导坑法，对浅埋小净距双洞六车道偏压公路隧道在不同开挖顺序下进行施工力学数值模拟，分析不同开挖顺序时的围岩位移、应力、地表位移以及塑性区的变化，并进行了比较;王明年等[3-4]通过模型试验对软弱围岩下3孔小净距浅埋暗挖隧道地表沉降控制技术和施工力学进行研究，对不同的围岩预加固强度和施工进尺进行了评价。然而，针对三台阶七步开挖法施工的大断面黄土隧道Ⅴ级围岩浅埋偏压段施工过程的研究并不多见。因此，以大西铁路客运专线2标段内的磨盘山隧道进口浅埋偏压段为工程依托，在室内试验获取土力学参数基础上，通过数值模拟研究黄土隧道浅埋偏压段Ⅴ级围岩在不同施工阶段的受力状况。

1 工程概况

大西铁路客运专线磨盘山隧道进口里程DK211+605～DK211+625处冲沟沟底坡度约为40°，冲沟走向与隧道轴线基本垂直，该冲沟沟底地形左高右低，冲沟右侧沟底基本与隧道开挖线相切，地形引起的隧道偏压严重。根据地质资料显示，工程深度范围内土层自上而下为:

(1)新黄土(Q3dl+pl):黄褐色，坚硬～硬塑;

(2)老黄土(Q2pl):浅棕红色，硬塑～软塑，土体紧密，含钙质结核层。

该段施工采用三台阶七步开挖法施工，开挖进尺为1榀钢拱架(0.6 m)，仰拱距离掌子面距离为30 m。地表采取填土反压措施，以缓解地形原因造成的偏压，洞内施加φ108 mm大管棚超前支护，下穿施工方案示意见图1。

图1 下穿施工方案

2 计算模型的建立

2.1 计算模型基本假定

为了研究隧道开挖所造成的位移和应力状态，以下述假定为前提:

(1)围岩为均质的各向同性的连续介质;

(2)冲沟段属浅埋状态，只考虑自重造成的初始应力场;

(3)管棚超前支护采用梁单元来模拟;

(4)二次衬砌作为长期安全性储备，计算时不予考虑。

2.2 计算模型和参数

(1)计算范围:根据圣维南定理，考虑到尺寸效应引起的计算误差，隧道中心线两侧取3.5倍洞径，下边界为3倍洞径，上边界到地表。计算模型如图2所示。

(2)边界条件:除上表面为自由边界外，其余边界为位移约束边界条件。

(3)本构模型:摩尔－库伦模型。

(4)材料参数:按刚度等效的原则，将钢拱架的弹性模量折算到喷射混凝土。围岩力学参数由室内试验获得[5]。围岩和支护结构材料参数如表1所示。

图2 数值模拟计算模型

表1 围岩和支护结构材料参数

3 计算结果

计算分两步进行，分别模拟重力场和隧道开挖。通过对磨盘山隧道冲沟浅埋偏压段施工过程的模拟计算，分析了隧道施工过程中的力学特性，主要结论如下。

3.1 位移分析

(1)由图3～图8可以看出，弧形导坑开挖引起的拱顶下沉最大值为4.34 mm，中台阶开挖完毕后拱顶下沉最大值达到17.54 mm，下台阶开挖完毕后拱顶下沉最大值21.88 mm;隧道位移释放主要发生在隧道中台阶开挖过程，弧形导坑开挖对拱顶下沉影响不大，埋深相对较大的右侧拱顶下沉比埋深较小的左侧拱顶下沉大。