大断面高速铁路隧道施工方法的三维数值研究

黄 阜, 何 瀚

(1. 长沙理工大学 土木与建筑学院, 长沙 410114; 2. 长沙理工大学 桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室, 长沙 410114)

大断面高速铁路隧道施工方法的三维数值研究

黄 阜1,2, 何 瀚1

(1. 长沙理工大学 土木与建筑学院, 长沙 410114; 2. 长沙理工大学 桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室, 长沙 410114)

针对大断面高速铁路隧道施工过程中出现的复杂施工力学问题, 以花甲山高速铁路隧道为依托工程, 采用三维数值软件对花甲山隧道的施工动态过程进行数值模拟, 得到了隧道围岩的应力、位移分布特征和地表变形规律, 通过与现场实测数据进行对比, 总结出大断面高速铁路隧道的动态施工力学特征, 为大断面高速铁路隧道施工方案优化提供依据.

大断面铁路隧道; 数值模拟; 监控量测; 力学特征; 施工方法

引言

随着我国高速铁路建设进入高峰期, 越来越多的高速铁路隧道出现在工程实践中, 尤其是在我国西南部的山地丘陵地带, 隧道工程更为常见. 高速铁路隧道由于要克服高速列车在通过隧道时产生的空气动力学问题, 一般都采用单洞双线的断面型式. 这样的单洞双线铁路隧道具有跨度大、断面扁平的特点,而且在爆破过程中对围岩进行多次扰动以及施工期间诸多工序的相互影响, 导致施工过程中的动态施工力学极为复杂, 易发生失稳或者坍塌事故. 因此, 有必要对大断面高速铁路隧道的施工力学行为开展研究,为其施工方案优化提供理论依据.

目前, 广泛应用于大断面隧道中的施工方法主要有: 全断面法、CRD 法、双侧壁导坑法、上下短台阶法等. 国内已经有一些学者对大断面隧道的施工力学进行过研究, 并取得了一些研究成果[1～3]. 基于数值模拟技术, 高峰和尹小宝[4]分析了关子岭隧道在不同施工方法下围岩的应力和位移分布特征, 为该隧道最优施工方案的确定奠定了基础. 刘光唯和丁志亮[5]针对哈大客运专线笔架山隧道的施工特点, 优化了该隧道施工中采用的交叉中隔墙法, 保障了该隧道施工的顺利进行. 孙兆远等[6]采用数值模拟方法对客运专线铁路大断面隧道的力学特征进行了对比分析, 总结了不同施工方法的技术特点, 为大断面隧道的安全施工提供了参考. 黄嘉亿[7]通过建立三维数值计算模型, 综合分析多种围岩条件下台阶法不同参数对高速铁路隧道稳定性的影响, 为采用台阶法施工的高速铁路隧道参数选择提供了理论依据. 模型试验是研究隧道稳定性的有效方法之一, 吴梦军和黄伦海[8]利用这一方法研究了四车道公路隧道的施工力学特征, 并提出了最有利于该隧道围岩稳定的施工方案.

花甲山隧道属于高速双线铁路隧道, 具有跨度大、断面大的特点, 且因地形、地质条件复杂多变, 同一条隧道内软弱围岩和不良地质种类繁多, 造成施工难度大、安全风险高. 为了能使隧道施工在保证安全的前提下满足工期要求, 利用数值模拟技术, 对该隧道的动态施工过程进行了模拟, 得到了隧道围岩的变形规律和应力分布特征. 通过对数值模拟结果进行分析, 提出有利于花甲山隧道围岩稳定的施工方案, 为工程的顺利实施提供了有效保障.

1 工程概况

花甲山隧道浅埋段围岩风化较为严重, V级围岩段原设计采用大拱脚台阶法和CRD法施工. 结合花甲山地质情况, 为了在保证施工安全的前提下加快施工进度, 大拱脚台阶法变更为三台阶七步施工法. 在围岩松散破碎或土质地段, 为了减少工序转换次数, 同时保证支护强度, CRD法在实际施工中变更为三台阶预留核心土法. 三台阶七步法开挖法的具体施工工序如图1所示.

图1 V级围岩地段三台阶七步施工工序横断面图

2 数值模拟计算过程

2.1 数值模型的建立过程

基于岩体和支护结构的力学特征, 隧道围岩及注浆加固圈都采用Mohr-Coulomb本构模型进行模拟;砂浆锚杆采用锚杆单元模拟; 钢拱架和喷射混凝土采用壳单元模拟; 二次衬砌采用实体单元. 各材料参数根据花甲山地质勘探报告以及相应的设计规范进行取值, 具体数值如表1～4所示. 隧道模型左右边界为4倍洞径, 上下边界为3.5倍洞径, 由于实际工程中采用了三台阶七步法, 模拟过程中开挖面也分为7个部分进行开挖, 每循环开挖进尺定为0.6m, 各台阶之间开挖不同步. 图2显示了具体计算模型和开挖步骤.

表1 实体单元力学参数

表2 拱墙砂浆锚杆cable结构单元力学参数

表3 钢拱架+网喷初支shell结构单元力学参数

表4 临时钢支撑beam结构单元力学参数

图2 隧道模型及开挖过程

2.2 三台阶法开挖数值模拟结果

1) 围岩塑性区分析

第一轮开挖完成后的隧道纵向塑性区分布, 如图3所示. 从图中可以看出, 洞室台阶面与围岩交界区域内出现小范围的剪切破坏区域; 由于采用小断面开挖, 上部环形掌子面处于较为稳定的状态, 拱顶位置出现小范围的受拉破坏; 台阶核心土受到开挖的影响, 出现大范围的塑性区域. 完整开挖完成后, 隧道塑性区分布如图4所示. 从图中可以看出, 洞门位置出现较大区域的塑性破坏, 在拱脚位置出现小范围的剪切塑性区.

从以上分析可知, 随着隧道台阶的开挖, 隧道拱顶和仰拱处的塑性区得到了控制. 虽然喷锚支护阻止了围岩发生大面积的屈服破坏, 但是由于喷锚支护属于柔性支护, 不能完全限制围岩的变形, 部分围岩出现了少量的塑性变形. 因此, 围岩在喷锚支护的保护下, 变形达到稳定后应立即施做二次衬砌, 确保围岩不发生过大的变形.

图3 第一轮开挖完成后隧道纵向塑性区分布

图4 完全开挖后隧道纵向塑性区分布

2) 围岩应力特征分析

图5～8为第一轮和最后一轮开挖完成后围岩最大和最小的主应力图. 从这些图中可以看出, 在隧道开挖后, 围岩应力呈对称分布, 最大和最小主应力在隧道周边区域的变化较大, 而在远离隧道的区域变化较小.

图5 第一轮开挖完成后的最大主应力图

图6 第一轮开挖完成后的最小主应力图

图7 开挖完成后的最大主应力图

图8 开挖完成后的最小主应力图

从最大主应力等值线图可以看出, 隧道周边区域基本以压应力为主. 此外, 围岩最大主应力在隧道断面形状发生变化的位置变化比较显著. 在隧道的拱顶和拱底的局部位置出现了拉应力. 最小主应力等值线的分布特征与最大主应力等值线分布特征相似, 在隧道拱脚处出现了应力集中现象.

3) 围岩位移特征分析

由于隧道的开挖采用了钻爆施工, 隧道周边围岩被扰动, 从而导致岩体的初始应力场和位移场发生变化, 为了分析隧道开挖对围岩初始位移场的影响, 绘制了不同开挖状态下围岩位移场的分布图, 如图9～12所示.

图9 第一轮开挖完成后围岩竖向位移分布云图

图10 第一轮开挖后围岩水平位移分布云图

图11 开挖完成后围岩竖向位移分布图

图12 开挖完成后围岩水平位移分布

图9和图10为第一轮开挖完成后, 隧道周边围岩竖向和水平位移分布图. 从图中可以看出, 隧道竖向位移从上台阶掌子面向后发展, 掌子面处拱顶沉降值为6.88mm, 而拱底隆起值为22.8mm. 由于隧道在施工过程中采用了超前小导管注浆对围岩进行加固, 围岩的最大水平位移为28mm, 出现在拱腰处. 开挖完成后, 隧道拱顶的最大沉降为32.1mm, 拱底隆起值为25mm. 从以上数据可知, 采用三台阶七步开挖方法,能较好地控制隧道周边围岩位移的发展.

4) 隧道初期支护内力分析

隧道的初期支护由锚杆和喷射混凝土组成, 锚杆和喷射混凝土施做到开挖后的围岩中, 与围岩形成了共同受力体系. 在锚喷支护的限制下围岩能够产生适量的变形, 从而释放掉原始岩体中储存的巨大原始应力, 对维持隧道围岩的稳定性起到重要作用. 隧道施工的进行对初期支护结构受力影响很大, 通过分析施工过程中初期支护的受力情况, 可以为初期支护的优化设计提供有效参考.

图13～15为隧道完全开挖之后, 喷射混凝土及锚杆的受力情况. 从喷射混凝土受力图中可以看出, 喷射混凝土所受到的剪切应力值在隧道纵向分布一致, 而轴力值受台阶法开挖方法的影响在隧道纵向有所变化. 喷射混凝土内力的最大值出现在拱腰位置, 因此, 拱腰位置的附近围岩受到更为明显的挤压作用.从图15可以看出, 锚杆受压区和受拉区基本一致, 受压区基本分布在隧道起拱线附近, 其他部分位置的锚杆均受到拉应力.

图13 喷射混凝土轴力图

图14 喷射混凝土剪力图

图15 锚杆轴力分布情况

3 基于数值模拟结果的花甲山隧道施工方案优化

现场监控量测数据, 真实地反映了实际施工过程中围岩变形的发展情况, 对隧道施工安全的监控起到了至关重要的作用. 根据监控量测采集数据结果并整理出断面监测点的位移变化情况, 与数值模拟结果进行对比, 可以验证数值模拟结果的有效性. 图16为现场实测数据与数值模拟得到的拱顶沉降曲线对比图.

图16 现场实测与数值模拟拱顶沉降曲线对比图

从图中可以看出, 随着隧道开挖的进行, 基于数值模拟得到的拱顶位移变形曲线与根据现场监控数据绘制的拱顶位移变形曲线变化趋于一致. 这说明, 基于数值模拟得到的隧道拱顶位移变化特征与现场实测结果是基本吻合的. 且数值模拟得到的拱顶位移最终值为32.2mm, 而实测得到的拱顶位移最终值为36.6mm, 数值计算结果略小于监测值, 证明了本文的数值模拟是可靠和有效的.

花甲山隧道监测的最大拱顶沉降量在铁路隧道施工规范(TB 10204-2002)的许可范围之内. 这说明三台阶七步开挖法, 有效限制了围岩变形的发展, 并且最大化地发挥了围岩的自身承载能力, 为花甲山隧道的安全施工提供了有效保障.

4 结论

基于数值模拟技术, 模拟了大断面高速铁路隧道的动态施工过程, 通过分析围岩应力、位移分布和支护结构受力等施工力学特征, 得到了以下结论:

(1) 三台阶七步开挖法将大断面隧道分成了7个部分分步开挖, 充分发挥了围岩的自身承载能力, 限制了围岩变形的发展, 为隧道施工的安全进行提供了有效保障;

(2) 为了验证数值模拟的正确性, 将数值模拟结果与现场监控量测数据进行了对比. 对比分析结果表明, 基于数值模拟的拱顶位移变形曲线与根据现场监控数据绘制的拱顶位移变形曲线基本一致, 证明了本文的数值模拟是可靠和有效的.

[1] 乔建岗, 关法志, 高 超, 等. 武广高铁狮子石隧道CRD法施工技术研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2010, 7(2): 98~101

[2] 王乐明, 马志富, 许占良. 高速铁路隧道穿越富水全风化花岗岩地层施工方法研究[J]. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2013, 26(zk): 105~114

[3] 孙雪莲, 金美海. 高速铁路隧道穿越富水大断层施工监控分析研究[J]. 铁道建筑, 2008, (12): 43~47

[4] 高 峰, 尹小宝. 兰渝铁路关子岭隧道施工方法的数值分析[J]. 现代隧道技术, 2011, 48(2): 37~43

[5] 刘光唯, 丁志亮. 高速铁路超大断面隧道CRD施工技术[J]. 铁道建筑, 2010, (5): 43~47

[6] 孙兆远, 罗 琼, 耿 伟, 等. 铁路客运专线大断面隧道开挖方法选择[J]. 隧道建设, 2007, 27(zk): 9~15

[7] 黄嘉亿. 高速铁路隧道台阶法施工技术参数分析与应用[J]. 现代隧道技术, 2012, 49(3): 77~82

[8] 吴梦军, 黄伦海. 四车道公路隧道动态施工力学研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(zk): 3057~3062

Study of Construction Method for Large Cross Section High Speed Railway Tunnel Using Three-dimensional Numerical Simulation

HUANG Fu1,2, HE Han1
(1.School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China; 2. Key Laboratory for Safety Control of Bridge Engineering, Ministry of Education and Hunan Province, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

As the construction mechanics characteristics of large cross section high speed railway tunnel is complex, the dynamic construction process of Hua jia shan tunnel is simulated by using three-dimensional numerical software. The stress and displacement characteristics of rock mass and surface deformation law are obtained. By comparing with field measured data, the dynamic construction mechanical characteristics of large cross section high speed railway tunnel are concluded which provides support for construction scheme optimization of this project.

large cross section railway tunnel; numerical simulation; monitoring measurement; mechanical characteristics, construction method

U45

A

1672-5298(2014)03-0070-06

2014-07-20

国家自然科学基金青年科学基金(51308072); 长沙理工大学桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室开放基金(13KC04)

黄 阜(1983 − ), 男, 湖南岳阳人, 博士, 长沙理工大学土木与建筑学院讲师. 主要研究方向: 隧道与地下工程