下穿重载公路隧道变形模拟分析

下穿重载公路隧道变形模拟分析
管振祥
【摘要】The shallow section of the Yingwoshan Tunnel under-crosses the Jinzhou-Chifeng Heavy-loaded Highway with the main traffic of coal-transporting trucks.As the trucks are mostly overloaded,and the surrounding rock of the tunnel is of com-pletely weathered granite,the stability of the surrounding rock is extremely poor.Since the normal operation of the highway has to be ensured during the construction of the tunnel,it is very difficult to perform the construction.Upon the basis of the
in-situ tests from which the physical and mechanical parameters are obtained,a three-dimensional numerical simulation model is estab-lished
to simulate the excavation scheme for the tunnel.Both the calculated result and the field-monitored result of the deformation of the tunnel show that the adopted construction scheme is suitable and both the safe con-struction of the tunnel and the safe operation of the Jinzhou-Chifeng Highway can be ensured.%鹰窝山隧道浅埋段下穿以运煤车辆为主的锦赤公路。

车辆超载现象严重，隧道围岩为全风化花岗岩，围岩稳定性极差。

在隧道施工过程中必须保证公路正常运营，施工难度大。

基于现场试验获得了围岩物理力学参数，采用数值方法对施工方案进行了三维数值模拟，计算结果和隧道变形结果均表明，所采用下穿公路的隧道施工方案是合理的，保证了隧道施工安全和下穿公路的安全。

【期刊名称】《国防交通工程与技术》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】6页(P43-47,57)
【关键词】铁路隧道;下穿;重载公路;现场试验;数值模拟;变形;监测
【作者】管振祥
【作者单位】中铁十四局第三工程有限公司，山东兖州 37200
【正文语种】中文
【中图分类】U456.31;TU196.1
1 工程概况
鹰窝山隧道是锦（州）赤（峰）铁路的第二长隧，为全线控制工程之一。

隧道位于辽宁省建平县黑水镇附近，起讫里程为DK198＋325～DK204＋245，全长5
920m，为单线隧道。

隧道埋深5～89m。

隧道围岩以Ⅴ级为主，节理发育，基岩裂隙水丰富，多以风化花岗岩为主，围岩变化频繁，隧道地质条件复杂。

隧道在DK199＋498～DK199＋518段近似正交下穿重载锦赤公路。

下穿公路段隧道埋
深仅19 m。

隧道开挖宽度6．89m，开挖高度9．31m。

下穿公路区段隧道围岩为全风化花岗岩，开挖扰动后强度降低极大，手指轻揉即碎，车压过后即为碎砂粒，围岩稳定性极差。

锦赤公路为内蒙古煤炭外运的重要公路通道之一，运煤车辆满载且超载现象严重，必须保证隧道施工过程中运煤公路的安全。

另外，公路路面多有凸凹不平，重载车辆行驶中对地面产生冲击效应，使得车辆行驶过程中的动载作用更加显著，这也对隧道施工安全构成威胁。

必须采取合理施工方案，保证隧道施工安全和下穿公路正常运营安全。

2 工程地质及水文地质特征
2．1 工程地质特征
鹰窝山隧道工程位于黄土塬梁及缓丘地区，地形复杂，地貌多变。

洞身平缓处为黄土塬梁区，沟壑深切。

洞身最高处为缓丘地貌，地表基岩裸露，风化严重。

下穿锦赤公路段的地层情况从上至下依次为：
（1）地表上更新统土层，其主要为黄土、砂类土和花岗岩。

（2）花岗岩，主要为全风化花岗岩、强风化花岗岩和中风化花岗岩。

2．2 水文地质特征
隧道区地下水类型为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，主要赋存第四系松散堆积层、花岗岩风化层及基岩裂隙中，地下水主要靠大气降水和地表水补给，雨水排泄迅速，枯水季节隧道涌水量小。

3 围岩物理力学参数的现场试验
3．1 物理指标
由于围岩风化极其严重，现场无法取到完整的岩样，因而采用蜡封法测定围岩岩石样的重度等物理指标，测得围岩的物理指标如表1所示。

表1 全风化花岗岩的物理指标样品编号天然重度／（kN·m-3）含水量／% 孔
隙率／%22．93 4．02 12．06 1 22．34 4．15 12．24 2 23．16 4．02 10．78 3 23．30 3．89 13．15平均值
从表1可以看出，全风化花岗岩的密实度还是较大的，自然状态下的含水量较小，天然状态下的全风化花岗岩的含水量仅有4．02%，因而围岩中的地下水仅是存在于围岩的裂隙中，随着隧道开挖而由裂隙流出。

3．2 力学指标
要掌握隧道开挖过程中围岩的动态力学特征，就必须了解围岩的力学性质，但由于隧道围岩风化极其严重，现场取样极其困难而无法取到较为完整的岩样，因而对于围岩的力学指标采取现场试验的方法进行。

在已经获得围岩物理指标的条件下，在现场进行不同法向荷载条件下剪切试验，以确定围岩的粘聚力c和内摩擦角φ。

3．2．1 试验方法
在靠近下穿公路段的隧道施工过程中，当隧道上台阶开挖并进行支护稳定后，先在上台阶表面清理出一平面，面积约20cm×20cm。

从远至近，用手锯、切刀先慢慢切出一个边长约为20cm的土墩，然后再小心切割成15cm×15cm×15cm的立方体。

在其上表面铺一层2～3mm的细砂，以保证立方体受力均匀。

清除加工好的岩样附近的土层。

在岩样上表面放置一块15cm×15cm的钢板以保证立方体受压及变形均匀。

通过标定过的小型油压千斤顶来对岩样施加竖向压应力。

在上方钢板上安装两个位移计，量测在正应力作用下的竖向位移。

在立方体岩样一侧再垫一块与上方钢板尺寸相同的钢板，侧面安装一标定过的小型千斤顶，用以施加水平剪切荷载。

并在此钢板荷载点上方对称布置两个位移计，量测岩样在水平剪切荷载作用下的水平位移。

水平荷载的施加通过地锚提供支撑。

现场剪切加载试验的情况如图1所示。

图1 现场试验情况图
3．2．2 试验结果分析
分别将竖直方向和水平方向的两个百分表测得的位移进行平均作为竖直方向和水平方向的位移，再分别除以竖直和水平方向上岩样的实际尺寸，得到竖向和水平方向上的应变。

图2为正应力分别为0kPa、40kPa、80kPa和110kPa作用下剪切应力与剪切应变之间的关系曲线。

从图2可以看出：
图2 剪应力—剪应变曲线
（1）在不同法向应力作用下的剪应力—剪应变曲线的形态基本一致。

在法向应力不变的条件下，随着剪应力的增加，剪应变成近似线性增加，到达一定剪应力水平后，剪应力—剪应变曲线转而开始向下弯曲，呈现类似非线性增长，增长速率明显下降。

随着变形的继续增加，达到峰值强度以后岩样被剪坏，由于现场试验装置的限制，无法得到峰值剪切应力后的剪应力—应变曲线。

（2）随着正应力的增加，岩样被剪断时的剪应力也增大，即随着正应力的增大、岩样的抗剪强度也相应增加。

这符合Mohr-Coulumb抗剪强度准则。

不同法向应力条件下的抗剪强度绘制于图3中，进行曲线拟合得到抗剪强度与正应力之间的关系式：τ＝0．912σ＋197．56，相关系数R2 ＝0．992。

图3 岩样正应力与抗剪强度的关系
由此得到：粘聚力c＝197．6kPa，内摩擦角φ＝tan-10．912＝42．36°。

4 隧道施工过程的数值模拟
4．1 隧道设计参数
在全风化花岗岩地层，为了保证施工安全，在隧道开挖之前，在隧道拱部150°范围内打设∅108mm的大管棚，长35m，环向间距0．4m，注水灰比1∶1的水泥浆，注浆压力控制在0．5～1MPa。

初期支护为喷C25混凝土，厚度为22cm，I18钢架，纵向间距1m，锚杆为∅22mm注浆锚杆，环向间距1m，纵向间距1．2m，锚杆长度3m，二衬为50cm厚的C30钢筋混凝土。

4．2 数值模拟过程
4．2．1 地面公路荷载确定
鹰窝山隧道下穿锦赤运煤公路，因此，在隧道施工过程中，需要考虑地面公路运营车辆荷载的作用。

为简单起见，将地面公路车辆荷载考虑为等效均布荷载。

在城市地下铁道建设中，地面车辆等效静力荷载一般取为10kPa［1］。

为考虑锦赤公路运煤车辆的超载作用，将车辆的等效静力荷载取为20 kPa，沿模型中部从左至右分布，宽度10m。

4．2．2 下穿重载公路的计算模型
隧道下穿锦赤公路段的地面坡度较小，所以为建模方便，将地表取为水平面。

从地表向下地层依次为砂质黄土、粘质黄土层、砾砂层及全风化花岗岩和强风化花岗岩地层。

在隧道开挖之前，进行大管棚超前支护，然后进行开挖，考虑到开挖断面高
度较大，采用三台阶法施工，并用FLAC3D对隧道下穿公路的施工过程力学动态
进行数值模拟。

为了简化建模，将大管棚加固效果的模拟简化为等效加固区，在数值建模时各种地层、大管棚等效加固区及支护结构均采用实体单元模拟。

计算范围按左右边界距隧道中心线距离3～5倍洞径（D）考虑［2］，即x方向；底部边界距隧道底部的距离按2～5倍隧道高度考虑，即z方向；隧道轴线开挖方向为y轴正向。

整个计算模型在x、y、z三个方向尺寸为50m×50m×48．14m （隧道拱顶到模型地表的距离为19m）。

模型左、右、前、后和下部边界均施加
法向约束，地表为自由边界。

实体单元均采用八节点六面体单元来模拟，模型由
58 050个单元、61 965个节点、5 400个壳结构单元和2 754个结构单元节点组成。

隧道施工三维计算模型、局部网格及模拟施工步序见图4。

上台阶长6m、高2．85m，中台阶长4m、高2．35m，下台阶长6m，下穿段支护封闭距开挖面
距离控制在20m之内。

图4 鹰窝山隧道台阶法施工计算模型
各个围岩地层及加固区视为摩尔—库仑理想弹塑性材料，支护结构视为弹性材料。

支护采用锚喷混凝土，喷混凝土强度为C25，钢筋网格20cm×20 cm，拱顶锚杆采用∅22mm中空锚杆、长度为3m，边墙锚杆采用∅22mm砂浆锚杆、长度为
3m，环向间距1．0m。

围岩物理力学参数参照地质资料、现行设计规范［3］及
现场试验结果选取，隧道超前支护采用大管棚加固，初支中钢架的作用通过适当提高喷层的力学指标来间接考虑［4］。

地层和支护的物理力学指标见表2。

表2 地层和支护的物理力学性能指标材料类型重度／（kN·m-3）弹性模量／MPa 泊松比内聚力／kPa 内摩擦角／° 剪胀角／°1 800 100 0．40 30 12 5粉质黄土 1 850 200 0．38 72 16 5砾砂层 2 000 480 0．36 96 26 5全风化花岗岩 2 290 1 000 0．32 120 35 5强风化花岗岩 2 300 1 500 0．30 180 38 4大
管棚加固区 2 300 1 200 0．30 220 35 4初期支护 2 300 23 700 0．2 ———二衬 2 400 31 500 0．2砂质黄土———
4．2．3 模拟结果分析
为便于分析隧道断面变形特点，在模型目标研究面（即模型中部断面）处设置了上、中和下台阶中部水平收敛及拱顶下沉等变形监测点。

（1）洞周位移变化特征。

三台阶开挖施工过程中，隧道断面各台阶中部水平收敛，拱顶沉降变形随到开挖面距离的变化曲线如图5所示。

由图5可以看出：①在隧
道施工过程中，在隧道前方的研究断面处，当开挖断面（上台阶）尚未到达时，隧道监测断面的变形已经出现，并随着开挖面的逐渐靠近而逐渐增大，随着开挖面逐渐离开，变形逐渐趋于稳定。

隧道拱顶沉降主要发生在开挖面在监测断面前后1D 范围之内。

当隧道开挖面达到监测断面时刻，隧道拱顶沉降量占总的稳定沉降量的比例为34．8%，拱顶沉降最大为7．1mm。

②由于隧道断面形状窄而高，上台
阶（测线1）水平收敛量最小；而测线2位于隧道最大跨度处，收敛变形也最大；下台阶收敛（测线3）居中。

下台阶除了拱顶沉降曲线外，水平收敛曲线都受到后续台阶开挖面到达的显著影响，在后续开挖面到达时刻，水平收敛速率都明显增加。

图5 三台阶支护位移变化与距开挖面距离关系曲线
（2）支护结构内力分析。

施工完成后研究断面处初期支护的最大主应力和最小主应力如图6所示。

图6 三台阶法施工完成后初期支护的最大主应力（单位：Pa）
从图6可以看出：除了在支护两侧墙角直角连接处出现的应力集中之外，在隧道
的拱顶内侧处及仰拱底部都出现了拉应力，拱顶内侧拉应力的量值1．12 MPa。

同样在支护结构的两侧墙脚处出现压应力集中，但最大值也仅有2．65MPa，支
护结构是安全的。

（3）围岩塑性区分析。

施工过程中的围岩塑性区分布见图7，围岩塑性区分布图
取半侧模型部分。

图7 施工过程中围岩塑性区分布
由图7可看出，三台阶法施工过程中隧道塑性区的大小和分布差别不是很大，周
边围岩形成的塑性区延伸与四周塑性范围皆不大，向前延伸仅有2 m，主要是由
于刚度较大的大管棚超前支护的作用，因此可以保证施工过程的安全。

5 施工过程中变形监测
下穿锦赤公路处隧道埋深仅19m，且下穿区段隧道围岩为全风化花岗岩，手指可
揉碎，车压过后即为砂粒，围岩稳定性极差。

为了使锦赤铁路鹰窝山隧道安全施工，保证重载公路安全，在隧道下穿公路段进行断面变形及地表沉降量测，以了解隧道变形特点，测点布置如图8所示。

5．1 地表沉降
在隧道地表布置了5个测点，中线上1个，两侧各2个测点，测点间距3m。

隧
道趋于稳定时地表横向沉降槽如图9所示。

从图9可以看出，地表最大沉降没有发生在隧道拱顶地面测点，而是偏向一侧，
最大沉降量仅有13mm。

图9 隧道施工完成后地表沉降槽曲线
5．2 断面收敛
隧道开挖后，隧道断面的变形是隧道稳定性的最直接反应。

图10为监测断面几条测线的收敛变形规律曲线，图中收敛值以测线缩短为正。

从图10可看出，隧道开挖过程中的上部断面的四条斜向测线（O—Z1、O—Z2、O—Y1和O—Y2）的收敛值都不大，最大值也仅有9．03mm，而两条水平测线（Z1—Y1和Z2—Y2）的收敛量值都是比较大的，其中两侧拱腰（Z1—Y1）之间的收敛达19mm，而最大跨度处测线（Z2—Y2）的收敛值达42．6 mm。

因此，在窄而高的铁路单线隧道断面，水平变形直接影响和控制隧道的稳定性。

实测断面
的收敛变形与数值模型的计算结果相比相差较大，原因可能是数值模型没有考虑隧道施工的时间效应，而实际的隧道施工是一个缓慢的力学过程。

图10 监测断面各条测线的收敛变化曲线
6 结论
锦赤铁路鹰窝山隧道浅埋段下穿以行驶运煤车辆为主的锦赤公路，地层为全风化花岗岩，围岩稳定性极差。

通过现场试验获得了围岩物理力学参数，利用数值方法对隧道下穿公路的施工方案进行了三维数值模拟，数值计算结果、隧道施工过程中地表沉降监测及断面收敛变形监测结果均表明，采用大管棚进行超前支护和三台阶法下穿公路的隧道施工方案是合理的，保证了隧道施工安全和下穿公路的安全。

参考文献
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