单洞双线高铁标准隧道空间位移预测分析

2015-10-21 16:51杨晋文
企业技术开发·中旬刊 2015年3期
关键词:仰拱掌子面黄土

杨晋文

摘 要:以郑西客运专线单洞双线高铁隧道为工程背景,采用三维数值模拟对高铁隧道地层空间位移进行分析;结果表明:①受地层条件、开挖步序和掌子面空间效应的影响,隧道洞周地层空间位移表现出显著地阶段性:先期位移;位移急剧增大;位移基本稳定或无限接近于某固定的位移值。②在黄土地层中的隧道开挖,初期支护应及时支护、及早封闭成环,对控制洞周地层空间位移的发展效果明显。③无支护条件下,掌子面挤出变形的量值和速率均有较大幅度增长;初期支护应及时支护、及早封闭成环有效控制了掌子面挤出变形的发展。④不同工况条件下,隧道仰拱部位塑性区半径均较大,这主要是由于客运专线几何断面形式决定的,仰拱部位曲率较大。

关键词:单洞双线;高铁隧道;地层空间位移;三维数值模拟

中图分类号:TU443 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2015)08-0060-03

1 概 况

隧道开挖破坏了地层原有的应力平衡状态,引发洞周地层产生变形。对已建成铁路隧道地层变形实测数据进行分析,结果表明:在隧道横剖面上地表沉降近似服从正态分布,位移最大值隧道中线上方;沿隧道纵向地表沉降反应掌子面空间效应,即随着掌子面向前推进,掌子面抢房一定范围内土体产生空间位移,如图1所示。

目前对于铁路隧道地层变形主要集中在拱顶沉降与水平收敛,对空间位移研究较少。扈世民对大断面黄土隧道空间位移进行数值分析与现场实测,得到了一些有益的结论。选取郑西客运专线标准高铁单洞双线隧道为工程背景,如图2所示,采用三维有限元计算对隧道的空间位移发展规律进行研究,为类似工程提供借鉴与参考。

2 地层空间位移产生机理

随着隧道掌子面向前推进,洞周地层位移响应表现为不同阶段,洞周地层产生机理可概括为:

①地层损失位移。

②土体固结产生位移。

③土体次固结或蠕变产生位移,见表1。

3 数值计算模型分析

选取郑西客运客运专线某黄土隧道为工程背景,隧道穿越黄土台塬地区,地下水補给不充分,根据勘察资料围岩级别确定为Ⅵ级。选取的实验段拱顶埋深为44~92 m,根据《《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2005)》大于2.5倍塌落拱高度,故属于深埋隧道。

采用有限元差分程序FLAC3D建立高铁隧道数值计算模型,黄土地层服从Mohr-Coulomb屈服准侧;为保证初期支护与二次衬砌结构安全,支护结构服从弹性屈服准则;假设黄土地层满足均匀、各向同性、水平层状分布;以隧道标准横剖面水平方向为X轴,长60 m;以隧道线路方向为y轴,长140 m;以重力方向为z轴,长90 m;不考虑地下水和构造应力场作用。

隧道计算模型采用位移边界条件,上表面为自由边界、左、右两侧约束水平方向位移、底部约束水平方向、竖直方向位移;为重点关注隧道洞周位移响应,隧道洞周及加固圈范围网格局部加密;计算模型包括74 580个单元和79 422个节点,如图3所示。

4 数值计算结果

根据地勘资料确定地层物理力学参数,隧道初期支护采用φ6 mm@150 mmX150 mm挂网喷射混凝土和型钢钢架联合支护样式,计算时采用等刚度原则将型钢拱架折算至喷射混凝土中,如式1所示。模型计算参数见表2。

EC=E0+■(1)

4.1 地层空间位移分析

隧道开挖过程中,伴随着每个步序开挖洞周地层均有不同应力释放,相应的产生一定位移。受地层条件、开挖步序和掌子面空间效应的影响,隧道洞周地层空间位移表现出显著的地阶段性:

①先期位移。

②位移急剧增大。

③位移基本稳定或无限接近于某固定的位移值。

Ⅴ级黄土地层条件下隧道空间位移曲线如图4所示,在无支护条件下,先期位移站空间位移总量值的24.4%;及时支护条件下先期位移站空间位移总量值的74.6%;可见在黄土地层中的隧道开挖,初期支护应及时支护、及早封闭成环,对控制洞周地层空间位移的发展效果明显。

Ⅴ级黄土地层条件下掌子面挤出变形位移曲线如图5所示,可得结论:当距隧道中心距离减小时,掌子面的挤出变形随之增大,呈负相关性。无支护条件下,掌子面挤出变形的量值和速率均有较大幅度增长;初期支护应及时支护、及早封闭成环有效控制了掌子面挤出变形的发展。

Ⅴ级地层无、有支护变形矢量图如图6与图7所示。

4.2 地层扰动分析

Ⅴ级黄土地层条件下隧道开挖对洞周地层扰动范围分布如图8所示,在无支护条件下,隧道开挖对地层扰动范围约为2.5D,D为隧道开挖等效直径,沿隧道洞周分布较为均匀;及时支护条件下,隧道开挖对地层扰动范围大幅度较小,最大值位移仰拱处,塑性区半径约0.6 D,其次拱顶部位,塑性区半径约0.3 D,其他部位塑性区半径均较小。

不同工况条件下,隧道仰拱部位塑性区半径均较大,这主要是由于客运专线几何断面形式决定的,仰拱部位曲率较大。

5 结 语

①受地层条件、开挖步序和掌子面空间效应的影响,隧道洞周地层空间位移表现出显著地阶段性:先期位移;位移急剧增大;位移基本稳定或无限接近于某固定的位移值。

②在黄土地层中的隧道开挖,初期支护应及时支护、及早封闭成环,对控制洞周地层空间位移的发展效果明显。

③无支护条件下,掌子面挤出变形的量值和速率均有较大幅度增长;初期支护应及时支护、及早封闭成环有效控制了掌子面挤出变形的发展。

④不同工况条件下,隧道仰拱部位塑性区半径均较大,这主要是由于客运专线几何断面形式决定的,仰拱部位曲率较大。

参考文献:

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