趙陽(yáng)晨 宋 力

淺埋偏壓大斷面隧道施工中洞外反壓技術(shù)研究

趙陽(yáng)晨 宋 力

結(jié)合工程實(shí)例,采用數(shù)值模擬的方法,對(duì)淺埋偏壓大斷面隧道施工中采用的洞外反壓技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的計(jì)算研究,并給出了相應(yīng)的建議,為類似工程的施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

淺埋偏壓隧道,洞外反壓技術(shù),有限元模型,數(shù)值模擬

在對(duì)淺埋偏壓大斷面隧道實(shí)際施工中,為了保證工程的順利進(jìn)行,主要采用洞外反壓、洞內(nèi)管棚加小導(dǎo)管支護(hù)等輔助施工技術(shù)來(lái)配合施工。本文結(jié)合工程實(shí)例,主要針對(duì)淺埋偏壓大斷面隧道施工中采用的洞外反壓技術(shù),利用數(shù)值模擬的方法,對(duì)其進(jìn)行了較為詳細(xì)的計(jì)算研究。

1 工程概述

杏樹咀隧道為新建山西中南部鐵路通道的單洞雙線鐵路隧道,位于山西省古縣石壁鄉(xiāng)附近,全長(zhǎng) 2 100 m,施工里程為DK 379+780～DK381+880,最大埋深70m,最小埋深5m,洞口段位于黏質(zhì)黃土地層中,地表沖溝發(fā)育,坡度較陡處于偏壓狀態(tài),工程地質(zhì)條件差。隧道襯砌采用三心圓曲墻復(fù)合式結(jié)構(gòu),最大開挖跨度 12.36m,高度10.57m,本次計(jì)算時(shí)取一特征斷面為計(jì)算位置,該斷面位于Ⅴ級(jí)黃土圍巖段,工程地質(zhì)特征為隧道通過(guò)地層的地表為砂質(zhì)黃土,土黃色為主,土質(zhì)均勻,孔隙較大,節(jié)理裂隙發(fā)育,干燥為主,松散 ～稍密;隧道洞身段黏質(zhì)黃土,棕紅色、橘黃色為主,土質(zhì)較均勻,局部加有鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)層,硬塑～堅(jiān)硬。地下水不發(fā)育。本文利用數(shù)值模擬的方法,對(duì)淺埋偏壓大斷面隧道施工中采用的回填反壓技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的計(jì)算研究。

2 數(shù)值計(jì)算分析

在選取模型邊界時(shí),經(jīng)驗(yàn)表明若取計(jì)算邊界為隧道等效直徑的 3倍～5倍,則邊界誤差在 10%以內(nèi)。故本次模型的邊界取定如下：由于是淺埋、偏壓隧道,模型的范圍豎直向上取至山頂,由隧道拱頂?shù)缴巾敒?20m,豎直向下取 10m;水平向右取 15m,水平向左取至山坡邊界,其中拱腰離山坡邊界水平最近距離為 5m;填土層水平方向取為 10m,填土豎直方向分為 7層,其中 1層 ～6層均為 5m高,第 7層為 10m高。通過(guò)建立有限元模型對(duì)襯砌進(jìn)行計(jì)算,為了分析的方便,此處在襯砌上取了四個(gè)觀察位置,它們分別為：拱頂A(豎直截面);左拱腰B(水平截面);仰拱C(豎直截面);右拱腰D(水平截面)。通過(guò)數(shù)值模擬得到如下計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖1～圖 5,圖 1～圖 5中的主應(yīng)力只有大小而不考慮正負(fù),其中第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力,第三主應(yīng)力為壓應(yīng)力)。

由圖 1可以看出,襯砌拱頂 A截面在沒(méi)有回填土體時(shí),第一主應(yīng)力最大值為 4.704MPa;隨著回填土體高度的增加,第一主應(yīng)力最大值略有增加,但增加幅度很小;當(dāng)填土高度達(dá)到 25m時(shí),第一主應(yīng)力最大值達(dá)到頂點(diǎn)為5.363MPa;隨著回填土體高度的繼續(xù)增加,第一主應(yīng)力最大值開始緩慢下降,當(dāng)填土高度達(dá)到40m時(shí),第一主應(yīng)力最大值降為4.616MPa。襯砌拱頂A截面的第三主應(yīng)力最大值,在沒(méi)有回填土體時(shí)為 16.919MPa;隨著回填土體高度的增加,第三主應(yīng)力最大值迅速減小;當(dāng)填土高度達(dá)到20m時(shí),第三主應(yīng)力最大值降到最低點(diǎn)為 9.720MPa,比沒(méi)有回填土體時(shí)降低了 42.5%;隨著回填土體高度的繼續(xù)增加,第三主應(yīng)力最大值開始快速上升,當(dāng)填土高度達(dá)到 40m時(shí),第三主應(yīng)力最大值增至18.963MPa。

由圖 2可以看出,襯砌右拱腰 D截面在沒(méi)有回填土體時(shí),第一主應(yīng)力最大值為4.575MPa;隨著回填土體高度的增加,其先增至4.848MPa(20m),然后又降至4.636MPa(40m)。襯砌右拱腰D截面在沒(méi)有回填土體時(shí),第三主應(yīng)力最大值為25.762MPa;隨著回填土體高度的增加,其先降至16.386 MPa(20m),比沒(méi)有回填土體時(shí)降低了36.4%,然后又增至23.646MPa(40m)。

由圖 3可以看出,襯砌左拱腰 B截面在沒(méi)有回填土體時(shí),第一主應(yīng)力最大值為4.726MPa;隨著回填土體高度的增加,其先增至4.801MPa(20m),然后又降至4.734MPa(40m)。襯砌左拱腰B截面在沒(méi)有回填土體時(shí),第三主應(yīng)力最大值為 22.812MPa;隨著回填土體高度的增加,其先降至16.803MPa(20m),比沒(méi)有回填土體時(shí)降低了26.3%,然后又增至25.235MPa(40m)。

由圖 4可以看出,襯砌仰拱 C截面在沒(méi)有回填土體時(shí),第一主應(yīng)力最大值為 4.734MPa;隨著回填土體高度的增加,其先增至4.741MPa(20m),然后又降至4.716 MPa(40m)。襯砌仰拱C截面在沒(méi)有回填土體時(shí),第三主應(yīng)力最大值為17.339MPa;隨著回填土體高度的增加,其先降至13.468 MPa(15m),比沒(méi)有回填土體時(shí)降低了22.3%,然后又增至21.671MPa(40m)。

由圖 5可以看出,在沒(méi)有回填土體時(shí),襯砌內(nèi)第一主應(yīng)力最大值為 8.89MPa;隨著回填土體高度的增加,其值迅速減小,當(dāng)填土高度達(dá)到20m時(shí),第一主應(yīng)力最大值降到最低點(diǎn)為6.17MPa;隨著回填土體高度的繼續(xù)增加,第一主應(yīng)力最大值開始上升,當(dāng)填土高度達(dá)到40m時(shí),第一主應(yīng)力最大值增至10.7MPa。襯砌內(nèi)第三主應(yīng)力最大值,在沒(méi)有回填土體時(shí)為 28.2MPa;隨著回填土體高度的增加,第三主應(yīng)力最大值迅速減小;當(dāng)填土高度達(dá)到20m時(shí),第三主應(yīng)力最大值降到20.7MPa,比沒(méi)有回填土體時(shí)降低了 26.6%;隨著回填土體高度的繼續(xù)增加,第三主應(yīng)力最大值開始上升,當(dāng)填土高度達(dá)到 40m時(shí),第三主應(yīng)力最大值增至25.5MPa。

由以上分析可知,隨著回填土體高度的增加,各觀察截面的第一主應(yīng)力最大值變化不是很明顯,但其第三主應(yīng)力最大值變化很大,如在襯砌拱頂A截面處,當(dāng)填土高度達(dá)到 20 m時(shí),第三主應(yīng)力最大值比沒(méi)有回填土體時(shí)降低了 42.5%。第三主應(yīng)力最大值的變化規(guī)律為先降后升,一般在回填土體高度達(dá)到 20m處降到最低值。另外,由表 1和表 2可以看出,當(dāng)填土高度從 15m增加到 20m時(shí),襯砌各觀察面對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力值變化不大,只是第一主應(yīng)力的應(yīng)力極值有較大的變化幅度,達(dá)到了 6.32%,若考慮到施工成本,我們可以將填土高度從 20m降至 15m(在本例中 15m處為隧道的拱腰附近),但同時(shí)應(yīng)在第一主應(yīng)力極值位置,即右拱腰外側(cè)位置進(jìn)行局部加強(qiáng),以增強(qiáng)該處的抗拉能力。

表 1和表 2中二值之間的比較為填土高度為 20m的應(yīng)力值相對(duì)于填土高度為 15m的應(yīng)力值增量的比值。

表1 填土高度分別為15m和20m時(shí)襯砌觀察截面第一主應(yīng)力值比較表

表2 填土高度分別為15m和20m時(shí)襯砌觀察截面第三主應(yīng)力值比較表

3 計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較

本文中回填土體的高度定為 15m,在施工過(guò)程中我們同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。本次檢測(cè)分別測(cè)量了襯砌觀察截面初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力(如表3所示)。

表 3 隧道襯砌觀察截面圍巖接觸壓力值與計(jì)算值比較表

通過(guò)對(duì)比表 3中的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)值和理論計(jì)算值,發(fā)現(xiàn)兩者相差很小,在 10%以內(nèi),說(shuō)明本文的理論計(jì)算結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)論及建議

1)利用數(shù)值模擬的方法,對(duì)淺埋偏壓大斷面隧道施工中采用的洞外反壓技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的計(jì)算研究并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較,得出以下結(jié)論：a.在不同的回填土體高度下,模型中各觀察截面的第一主應(yīng)力最大值變化不是很明顯,但其第三主應(yīng)力最大值變化很大,如在襯砌A截面處,當(dāng)填土高度達(dá)到 20m時(shí),第三主應(yīng)力最大值比沒(méi)有回填土體時(shí)降低了 42.5%。隨著回填土體高度的增加,第三主應(yīng)力最大值呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。b.分別對(duì)不同回填土體高度計(jì)算,得出了當(dāng)回填土體高度達(dá)到隧道的拱頂附近時(shí),回填土體的反壓力既能較好的改善隧道襯砌的偏壓情況,又不會(huì)給隧道增加過(guò)多的外載。若考慮到施工成本,可以將填土高度從 20m降至 15m(隧道的拱腰附近),但同時(shí)應(yīng)在第一主應(yīng)力極值位置,即右拱腰外側(cè)位置進(jìn)行局部加強(qiáng)。c.通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)值和理論計(jì)算值,發(fā)現(xiàn)兩者的差距在 10%以內(nèi),說(shuō)明本文的計(jì)算參數(shù)選取與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合,計(jì)算方法是可靠的。本文的結(jié)論可為類似的工程提供參考。2)建議：a.在濕陷性黃土圍巖隧道施工時(shí),必須做好洞頂?shù)呐潘幚?以免地表水下滲引起黃土濕陷,造成隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。b.在隧道淺埋偏壓段施工前應(yīng)對(duì)偏壓進(jìn)行提前處理,洞外加固工程完成后,方可進(jìn)行施工。

[1] 朱正旺.淺埋、偏壓及殘坡積地質(zhì)條件下的隧道洞口段施工[J].隧道施工技術(shù),2007(3)：51-52.

[2] 卜 軍.大斷面黃土隧道淺埋偏壓病害處理技術(shù)[J].科技資訊,2010(6)：11-12.

[3] 翟珍龍.大斷面淺埋偏壓隧道的輔助施工技術(shù)[J].公路與汽運(yùn),2008(5)：78-79.

[4] 陳明祥.彈塑性力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[5] 束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2003：179.

[6] 夏永旭,王永東.隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算[M].北京：人民交通出版社,2004：95-96.

[7] JTJ 071-98,公路工程檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

Shallow buried bias pressure in the large cross-section tunnel construction outside the hole back pressure technology research

ZHAO Yang-chen SONG Li

Combining with practical examples,using numerical simulation,calculate and research the shallow buried bias pressure in the large cross-section tunnel construction outside the hole back pressure technology and give the corresponding proposals,and provided valuable experience for similar projects.

shallow buried bias pressure tunnel,outside the hole back pressure technology,finite elementmodel,numerical simulation

U 455.49

A

1009-6825(2011)09-0166-02

2010-12-01

趙陽(yáng)晨(1968-),男,高級(jí)工程師,中鐵三局集團(tuán),山西太原 030001

宋 力(1982-),男,助理工程師,中鐵三局集團(tuán),山西太原 030001