维普资讯 http://www.cqvip.com 中国科技信息２ｏ０７年第１ ７期０ ｃＨｌｔ＿｛Ａ ｓＣｌＥＮｃＥ ＡＮＤ 丁Ｅｃ 。 ；＝ｙ Ｉ￣ＭＡＴＩｏＮｓｅｐ．２０Ｄ７ 隧道施工过程数值模拟 张鹏张宇川 张遨宇刘恒 北京交通大学土木建筑工程学院 １ ０００４４ １工程地质条件 以郑西客运专线高桥隧道为背景，利用岩土 工程有限差分程序对双侧壁导坑施工方法进 行三维数值模拟。模拟该施１王方法在开挖过 高桥隧道所经区域主要为Ｉ级黄土台 塬区，塬顶平坦、开阔，整体上南高北 低，塬顶地面高程在５５０～５８０ｍ之间，多 有村庄道路分布。黄土台塬区表层为第 四系上更新统风积的砂质黄土，厚２０～ ４ ５ｍ，下伏第四系中、下更新统风积的 砂质黄土，中间夹有数层古土壤层（粉质 黏土），总厚１５０～２００ｍ，底部为冰湖积 粉质黏土及砂层。根据地勘部门提供的 除临时支护喷混凝土及钢架，一次拆除 的长度控制在１２ｍ以内，然后浇筑二次衬 砌。 程中围岩及支护结构的力学行为，得出地表 横向沉降槽曲线以及各导渝飘起的地表纵向 ３计算模型简介 ３．１假设 沉降的分布规律，以期对施．互．和其它类似工 程有一定的指导意义。 黄土隧道；施工；数值模拟 隧道的开挖和支护属于三维问题， 工程所处的岩土介质条件大多分层存在， 岩土介质也存在非均质的各向异性的特 征。本次数值模拟的模型基本假设为： （１）地表至地下一定深度范围内的应力 场作为均匀荷载，其竖向方向的应力有 重力作用产生，侧向荷载为重力应力乘 资料，数值计算时采用的土体参数具体 参照表ｌ所示。 根据批准的 中长期铁路网 规划 ，到２０２０年我国规划修建客运专 线１．２万千米，其中客运专线隧道修建数 量将超过ｌ ０００ｋｍ。客运专线的设计行车 速度一般超过２００ｋｍ／ｈ。列车高速通过 隧道时，为了满足行车旅客的舒适性， 对隧道底部结构，沉降控制，线路轨道 的平顺性都提出了很高的要求。 郑西客运专线位于豫西山地和渭河冲 积平原，８ ０％区段为黄土覆盖，隧道穿 越的大多为黄土台塬区。虽然我国已在 ２施工过程描述 采用双恻壁导坑法施工，施工开挖 分部具体见图ｌ所示。施工过程描述为： 以侧压力系数；（２）岩土介质简化为连续的 理想塑性介质，由Ｍｏｈｒ Ｃｏｕｌｏｍｂ准则 描述…。 ３．２计算模型 高桥隧道Ｖ级围岩计算埋深１５ｍ，在 （１）拱部施做超前管棚，对拱部实施超前 预支护；（２）开挖①部，每次开挖长度０． ６ｍ（下同），并施做初支、临时支护及 锁脚锚杆，形成封闭环；（３）在距离①３ｍ 后，开挖②部并施做初支、临时支护及 锁脚锚杆；（４）在距离②３ｍ后开挖③部并 施做初支、临时支护及锁脚锚杆；（５）在 距离③３ｍ后开挖④部并施做初支及临时 支护；（６）在距离④３ｍ后，停止前方掌子 面的开挖，施工隧道基底；拆除双侧导 坑底部的临时横撑，开挖⑤部，并施做 初支及临时支护；（７）拆除隧道中间④部底－ 黄土地区建成了多种隧道，但施工中依 然遇到很多问题。与岩体ＳＨａｈ，黄土强底 低，变形大，自承能力小，工程性质差，特 别是遇水后，其强度会明显降低，工程性 质发生很大变化。因此，初期支护收敛变 形大，围岩难于稳定，在设置二次衬砌后， 还会出现衬砌开裂现象。由此可见，大断 面黄土隧道的结构受力是很复杂的。基于 黄土的特殊性质，有必要对施工过程的结 构受力进行分析，并对施工方案进行优化。 为掌握隧道在开挖过程中引起的地层变形、 地表沉降和支护结构的力学状态，特别是 隧道施工顺序对围岩稳定的影响，对隧道 的临时横撑，开挖⑥部并施做初支及临 时支护；（８）待隧道成洞长度１ ２ｍ时，拆 表１ 围岩及支护材料物理力学参数 柑辩 点（辩Ｐａ） ０ ｃ￥ｐａ） ｝９￣Ｗｍｓ） 新黄土 营棚女口围 锚杆加固 ｛ｎ吉一言 ５０ ００ ０，３ ０ ３ ０，Ｓ ２Ｓ ２５ ：§ ２： ；： ４２ ：Ｓ ５ ：５｛ ：毒Ｓ ２５ 结构的开挖过程进行有限元模拟计算和分 析是有必要的。 ２ｊ嚣０ ０ ２ ＝谈辩确 ０：∞０ ０： ２５ 图２计算模型 维普资讯 http://www.cqvip.com 隧道纵向（Ｚ轴）取３０ｍ，隧道横向（Ｘ 轴）取１ ００ＩＴＩ，竖直方向上取７０ＩＴＩ，模 型的三维尺寸为：１００ Ｘ ７０ Ｘ ３０ ＩＴＩ，计 算范围满足土体开挖影响３～５Ｄ。隧道开 挖轴线方向０．６ｍ一个网格，模拟施工中 ＭＰａ。素砼不能承受这么大的拉（压）应 力，说明采用型钢钢架的必要性和重要 性。在型钢交接处要对焊接施工足够重 视ｌ２ｉ。 而后逐渐趋于稳定，产生这个稳定的值 大约滞后开挖掌子面２ ２．５ｄ。 当１导洞开挖到基准面时，隧道开挖 方向拱顶所对应的地表各点的沉降示意图 见图４。 的开挖步距。共有５０６５０个八节点六面体 单元，５ ４２６４个结点，模型见图２。 ３．３边界条件 位移边界条件：上表面即地表为自 由边界，其余各外表面均约束法线方向 的位移。 ４．２地表横向沉降槽 选取最初的开挖面作为研究面（记 为０开挖面），随着隧道开挖的向前推 进，０开挖面的所对应的地表各点沉降值 地表纵向沉降槽曲线见图５。选取 ｌ＝１５ｍ的开挖面为基准面，当各导洞先后 都会随之而增长，但会随着隧道的掘进 沉降会减缓而逐渐趋于稳定，故选取滞 后于隧道开挖掌子面二倍洞径的０开挖面 横向沉降曲线。 隧道的洞跨约１ ６米，由下图可以看 出隧道开挖影响的地表横向范围约为２．５ 到达该面时其前后方各ｌ ５米的范围内， 地表各点的沉降值。例如，蓝色的线表 荷载边界条件：考虑自重荷载。在 第一荷载步计算自重作用下的初始应力 场。 示当１洞到达基准面时（２、３、４、５、 ６洞同时动态施工，将陆续到达基准 的各地表沉降值作为研究对象来绘制地表 ｊ面），隧道开挖方向地表各点的沉降 值。当后面的导洞（例如３导洞）到达 基准面时，前面的导洞（１、２、）已 经过了基准面，将继续向前施工，时时 保持动态施工ｌ ３＿。 经计算当各导洞到达该面时所引起的 沉降比例如表３所示。 由表３可看出当各洞开挖到该面时， ４计算结果分析 ４．１支护结构应力分布规律 支护结构的应力、轴力和弯矩及安 全系数之间有着内在的联系。通过对结 构应力云图进行分析，可以看出施工过 程中结构应力集中区和受拉区，以判断 结构的薄弱环节。开挖不同步序下应力 分布见表２所示。 由表２分析可知：初期支护和临时支 护在施工过程中出现了应力集中，发生 在竖撑与横撑相交处、横撑与初期支护 相交处、竖撑与初期支护相交处。因 此，这些地方应该为支护结构的薄弱环 节，可能出现破坏的截面。随着施工的 倍的洞跨。距离隧道横向距离越大，沉 降越小，在边缘处地表有隆起。以拱顶 对应的地表点为原点。 ４．３地表纵向沉降槽 地表纵向沉降槽曲线绘出的是隧道开 挖方向拱顶所对应的地表各点的沉降规 律。 选取隧道开挖方向的某一横断面为基 准面（１＝１ ５ ＩＴＩ），当隧道未开挖到该面 ｌ洞对地表沉降影响稍小，２、３、４逐渐 增大，５洞达到最大，而后又迅速减小， 直至趋于稳定。 ５结论 、 时，沿隧道开挖方向的地表各点必已产 生了沉降，开挖掌子面对前方土体的影 响范围一般为１—１．５ｄ（ｄ为隧道的跨 度）。随着２号、３号等导洞开挖到该 面，该面的地表点的沉降值迅速增大， （１）初期支护和临时支护在施工过程中 出现了应力集中且大多出现在接头附近及 临时支撑上，最大主应力为２４．７ ＭＰａ， 最小主应力达到一２８．６ ＭＰａ。显然，素 砼不能承受这么大的拉（压）应力，说明采 用型钢钢架的必要性和重要性，并且在 型钢交接处要对焊接施工足够重视，需 要设置纵向联接钢筋，形成牢固的刚架 承载体系。 （２）隧道开挖引起的地表横向影响范围 约为４０米，即２倍的洞径，与根据Ｐｅｃｋ 公式求得的值得到了很好的印证。 （３）得出了动态施工时各洞室的开挖对 推进，应力一直在积累增加。最大主应 力为２４．７ＭＰａ，最小主应力达到一２８．６ 表２初期支护及临时支撑主应力分布 掌子露童置 最走主毫 力 ∞ 阻 秘支与望撑 糟空赴 分毒童置 最 、主墅 力 ．３ １ 竖雄出餐 亳塑置 ＯｌＳ ０ ２Ｄ ｌ ８４ 秘支与釜捧 糟交蹙 ．７ ＳＳ 釜撵幸群 ０ ６Ｄ ７ ９２ 翘支与釜撑 蝎空筻 勰支与至掉 柜芟盐 一１３ ７Ｓ 竖孽幸莓 Ｏ ８Ｄ ｌ！Ｓ ．１５ ｌ 竖撑幸餐 丁 一 ｆ Ｅ 匠 覆 地表纵向沉降影响的规律，对施工有一 定的指导作用。 ｌ ０Ｄ ｌ５３ 幸巧支与竖撵 据至蹙 一ｌ６ 竖捧出嚣 ｌ ２Ｄ ｌ７１ 麓支 竖撑 ［１］杨晓杰，槠立札．城市隧道施工引起 地表沉降数值模拟研烈Ｊ］．矿山压力与顶 板管理．２００５（５）：９Ｂ一１ ００ ｌ’４ 竖撵串蕃 蝠室楚 ２ ＯＤ ２４＇ 勰支与登撑 帽竟是 ．！Ｓ ６ 璺撑幸帮 表３各导洞到达基准面时沉降比 嗣睾 ［２］欧阳￣－－Ｔ＜－，王明年 某大断面黄土隧 道施工方法的三维数值模拟［Ｊ］．四川建筑 ２００５（：１２ ９１—９４ 。 王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论［Ｍ］ 北京 安徽教赢电妊轰 ，￣００５ 色ｌ 比删（＊Ｊ ｌ ８－６ ２ ４ ５ １７ ６ １０．６ １１．５ ｌ１＿５ １１．９ 注：（此比例为各洞所产生的增量沉降 值／总沉降。总和不为１是因为１洞到达 时已有沉降） 硕士研究生．从事隧道≯地铁等地下工程 图５地表纵向沉降槽曲线 领域镪硒究｜ ９５一
