小半径黄土隧道围岩变形规律数值仿真

李 莲 花

(中铁十八局集团 第一工程有限公司,涿州 河北 072750)

小半径黄土隧道围岩变形规律数值仿真

李 莲 花

(中铁十八局集团 第一工程有限公司,涿州 河北 072750)

本文依托具体工程，通过对黄土铁路隧道台阶法开挖下隧道围岩变形进行数值模拟。结果表明：2台阶法、3台阶法影响拱顶沉降和地表沉降最大的因素是上台阶的开挖，2台阶法各关键点位移值均比3台阶法大。

围岩变形；二台阶法；三台阶法；数值分析

20世纪80年代以来，吴成三[1]、许志仁[2]、林永熙[3]对大秦铁路的军都山黄土隧道进行相关的研究，采用上、中、下三台阶开挖，复合衬砌结构，对以后黄土隧道的修建有着参考意义。唐军[4]分析黄土公路隧道施工技术中存在的问题，结合已建实体工程，通过系统的现场实测、有限元仿真计算、室内试验及大量现场调查总结出适合黄土公路隧道的开挖方法。王农为[5]对隧道的基底处理、开挖方法和设备的选型进行了探讨，并提出了客运专线黄土隧道施工中应注意的问题，对客运专线黄土隧道的施工具有一定的借鉴意义。任明明[6]对小间距黄土隧道的施工过程进行了有限元建模分析，选出了不同间距条件下合适的开挖方式。

本文依托工程为山西省肖家洼煤矿铁路专用线孙家茆隧道，其围岩主要以第4系上更新统风积(Q3eol)新黄土为主。在试验得到的原状黄土力学性质参数的基础上，通过采用FLAC3D建模对2台阶法、3台阶法开挖方法下小半径黄土铁路隧道的围岩变形规律进行研究，对小半径黄土隧道工程设计、施工与监测有着指导意义。

1 工程概况

隧道位于吕梁山西坡黄土梁茆区，冲沟发育，地形起伏较大，地表高程从1 122.32 m～1 174.35 m，相对高差约52 m，隧道最大埋深约54 m。隧道全长305 m，设计为单线隧道。隧道进口里程至DK14+220.04段位于半径为300 m的曲线上，DK14+220.04至隧道出口段位于直线上，整个隧道位于0.1%的下坡。

隧道位置地层岩性为第四系上更新统风积(Q3eol)新黄土，褐黄色、坚硬硬塑、以粉粒为主，土质均匀、针孔发育、具湿陷性；上第3系上新统N2粉质黏土、黏土、粉质黏土、棕红色、坚硬硬塑、土质均匀，局部半胶结，夹姜石及钙质结核层；黏土，棕红色、坚硬硬塑、土质不均、局部半胶结、夹姜石及钙质结核层；隧道围岩分级如表1所示。围岩参数如表2所示。勘测期间勘测深度内未见地下水，雨季水量增大，且使洞身土体变软，在雨季施工时有地下水。

表1 围岩分级

表2 围岩参数

2 数值模型的参数

隧道围岩力学参数如下表3所示，结构支护力学参数如表4所示。

表3 隧道围岩力学参数

图1 监测点示意图

表4 结构支护力学参数

3 监测点的选取

通过对比分析2台阶法、3台阶法施工方案产生的围岩变形的变化规律，分析施工方案之间的差异性，这里对围岩变形的分析，选取了围岩的竖向位移作为主要的研究对象，具体监测点如图1所示。

4 台阶法开挖下隧道围岩变形规律

4.1 2台阶法下不同开挖步数的围岩位移变化

2台阶法施工工序:开挖上台阶→施作上部初期支护→开挖下台阶→施作下部初期支护→开挖仰拱→施作仰拱初期支护→施作全断面二次衬砌→仰拱回填。

隧道采用2台阶法开挖施工时，开挖数值模拟如图2所示。隧道各关键点位移如表5所示。

图2 不同开挖步下2台阶法的围岩位移

表5 2台阶法下不同开挖步的关键点位移

从表5可以看出，在隧道中拱顶的位移值最大，其次是拱腰，而隧道边墙脚的位移值则相对较小；在地表上隧道中心线处的位移值最大，越偏离隧道中心线地表的沉降值越小，第一步开挖后已经完成绝大部分沉降。

4.2 3台阶法下不同开挖步数的围岩位移变化

3台阶法施工工序：开挖上台阶→上部初期支护→开挖中台阶→中部初期支护→开挖下台阶→下部初期支护→开挖仰拱→仰拱初期支护→全断面二次衬砌→仰拱回填。

隧道采用3台阶法开挖施工时，开挖数值模型如图3所示。隧道各关键点位移如表6所示。

图3 不同开挖步下3台阶法的围岩关键点位移

表6 3台阶法下不同开挖步的关键点位移

从表6可以看出：在隧道中拱顶的位移值最大，其次是拱腰，而隧道边墙脚的位移值则相对较小；在地表上隧道中心线处的位移值最大，越偏离隧道中心线地表的沉降值越小。在第一步开挖后拱顶沉降和地表沉降已经基本完成。

4.3 2台阶、3台阶法关键点围岩位移变化对比

表5与表6的结果对比可以看出，在不同开挖步数下，2台阶法开挖下隧道的拱顶位移、地表沉降、仰拱隆起值比3台阶法都要大，尤其是地表沉降。

5 结 语

(1)2台阶法开挖下，在隧道中拱顶的位移值最大，其次是拱腰，而隧道边墙脚的位移值则相对较小；在地表上隧道中心线处的位移值最大，越偏离隧道中心线地表的沉降值越小。其中拱顶沉降和地表沉降在第一步开挖后已经完成绝大部分，由此可见，对于2台阶法影响拱顶沉降和地表沉降最大的因素就是上台阶的开挖。

(2)3台阶法开挖下，在隧道中拱顶的位移值最大，其次是拱腰，而隧道边墙脚的位移值则相对较小；在地表上隧道中心线处的位移值最大，越偏离隧道中心线地表的沉降值越小。由此可见对于3台阶法影响拱顶沉降和地表沉降最大的因素也是上台阶的开挖。

(3)在不同开挖步数下，2台阶法开挖下隧道的拱顶位移、地表沉降、仰拱隆起值比3台阶法都要大，尤其是地表沉降。因此2台阶法开挖对隧道围岩的扰动变形较大，对围岩稳定性影响较大。

[1] 刘祖典.黄土力学与工程[M].西安:陕西科学技术出版社.1997:20-30.

[2] 来弘鹏,杨晓华,林永贵.黄土公路隧道病害分析与处治措施建议[J].公路,2006(6):197-202.

[3] 吴成三.大秦线黄土隧道采用新奥法施工的探讨[J].铁道标准设计通讯,1985,04:1-6.

[4] 康军.黄土公路隧道设计与施工技术研究[D].长安大学,2006:20-40.

[5] 王农为.客运专线黄土隧道施工探讨和应注意的问题[J].铁道建筑技术,2006 (4): 21-24.

[6] 任明明.开挖方式对小净距黄土隧道围岩变形影响研究[D].郑州大学,2012:20-50.

Numerical Simulation of Deformation of Surrounding Rock of Small Radius of Loess Tunnel

LI Lianhua

(China Railway Eighteen Bureau Group,Zhuozhou 072507,China)

In the paper,based on a specific project,numerical simulation is used to study rock deformation displacement of the excavation in the loess railway tunnel,displacement value of key point of different excavation step are analyzed. Results show that surface subsidence on the steps of excavation is main factor which influence vault subsidence is the biggest factor in the process of two steps method or three steps method. Each key point displacement values in two steps method of are bigger than one in three steps method.

rock displacement;two steps method;three steps method;numerical simulation

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.012

TU432

A

1674-5403(2017)03-0044-04

2017-05-30

李莲花(1984-),女,四川眉县人,硕士,工程师,主要从事项目管理和试验检测方面的研究.