欽 嘯，倪小平，錢曉燕

(湖州吳興恒元公路養(yǎng)護中心)

復(fù)雜環(huán)境條件下黃土隧道施工力學分析

欽 嘯，倪小平，錢曉燕

(湖州吳興恒元公路養(yǎng)護中心)

重點闡述了公路隧道在淺埋黃土地區(qū)穿越窯洞等復(fù)雜環(huán)境條件下的施工程序，同時運用ANSYS有限元對施工過程進行數(shù)值模擬分析，結(jié)合施工監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)，對施工方案進行了充分論證和驗證，研究成果將對以后的類似隧道的施工具有非常重要的指導意義。

復(fù)雜環(huán)境;黃土隧道;施工力學;數(shù)值模擬;監(jiān)控量測

1 工程概況

趙家莊隧道位于新建鐵路太原至中衛(wèi)(銀川)山西省呂梁市境內(nèi)，隧道起訖里程為K178+392～K178+580，全長188 m。主體隧道拱頂埋深1.5～6.6 m，為淺埋隧道，穿越地層均為黃土地質(zhì)，開挖面積42 m2。隧道主體為曲墻拱形結(jié)構(gòu)，拱墻為C25鋼筋混凝土，初期襯砌斷面厚度60 cm，二期襯砌斷面厚度為80 cm。

出洞前15 m處(K178+565)有三間窯洞與隧道正交，洞口處有五間窯洞，其地面以低于隧道路面標高與隧道重合，加大了開挖、支護難度;洞口位于居民生活區(qū)，窯洞較為密集，洞口正上方、右上方、左側(cè)、右側(cè)、下方均有窯洞，施工過程中可能會對窯洞造成影響;洞口段屬于淺埋黃土地質(zhì)，洞頂與地表最小距離僅1.5 m，黃土具有很強的濕陷性。

2 有限元模擬與結(jié)果分析

計算區(qū)域為橫向100 m，豎向為50 m，即左右兩側(cè)計算邊界為三倍隧道總跨度，下部邊界為3倍隧道總高度。本次計算所采取的材料的物理力學參數(shù)取自地質(zhì)工作者提供的本工程隧道參數(shù)。

2.1 計算假定

(1)采用的模型假定為均質(zhì)、各向同性。

(2)模型的屈服準則采用較為適用巖土材料的Mohr-Coulomb準則。

(3)邊界選取離隧道中心約4-6D距離，從計算結(jié)果的位移場來看，邊界條件對計算結(jié)果的影響可以忽略。

(4)假定變形模量、巖體密度、摩擦角、粘聚力等物理參量在計算過程中保持不變，即不考慮巖體的變形致密效果。

(5)系統(tǒng)錨桿、超前小導管注漿的效果采用提高加固圈物理參數(shù)的辦法來模擬其作用效果。

2.2 計算結(jié)果與分析

從圖1～圖3可知，利用有限元模擬計算，按預(yù)加固后的設(shè)計方案進行施工開挖，地面最大沉降為2.09 cm;開挖支護后洞周最大變形為5.6 mm;錨桿最大軸力出現(xiàn)在拱頂，為18.9 kN;噴射混凝土剪力最大值出現(xiàn)在拱鉸處，為95.393 kN，最大軸力為1 840 kN，混凝土不受拉?？梢悦黠@看出，設(shè)計方案支護強度完全可以滿足受力和變形要求，如何解決施工過程可能出現(xiàn)的圍巖穩(wěn)定問題，將是解決問題的關(guān)鍵所在。

3 施工方案

經(jīng)過多次現(xiàn)場走訪、實地勘察，發(fā)現(xiàn)出口段窯洞普遍已有上百年的歷史，窯洞周圍的圍巖經(jīng)過長年的風吹晾曬，質(zhì)地十分堅硬，根據(jù)實驗測得窯洞周圍土質(zhì)壓強在4～6 MPa之間。本著“經(jīng)濟、進度、環(huán)保、早進晚出”的原則，特提出如下方案。拆除線路上窯洞，施工時居民臨時撤離;超前支護采用藥包小導管;加強洞口段邊墻藥包錨桿，必要處設(shè)置托梁;暫時撤離未拆遷處窯洞居民;沿洞頂?shù)乇硭淼垒S線方向每5 m布置一個沉降觀測點(共3個)，出洞過程中隨時觀測地表沉降情況;提前完成藥包小導管的場外加工。

圖1 錨桿軸力圖

圖2 噴射混凝土軸力圖

3.1 主線正上方窯洞處理

K178+565處三間窯洞的軸線與隧道軸線近似垂直，且窯洞深入隧道輪廓線以內(nèi)。開挖接近窯洞前，首先在與隧道開挖輪廓交叉處、緊貼隧道初期支護外輪廓線的窯洞內(nèi)滿堂澆注80 cm厚片石混凝土支撐窯洞洞頂圍巖，以避免開挖過程中窯洞與隧道交叉段由于圍巖受力復(fù)雜而發(fā)生坍塌。在片石混凝土內(nèi)，按50 cm×50 cm間距預(yù)埋Φ25鋼筋，預(yù)埋鋼筋靠隧道側(cè)長出隧道初期支護內(nèi)輪廓線20 cm。開挖方法由常規(guī)段的預(yù)留核心土環(huán)形開挖變?yōu)閱蝹?cè)壁導坑法(CRD)分5步開挖。首先開挖窯洞洞頂以上隧道部分，采用挑頂方案施工，沿隧道輪廓線采用臺階開挖。開挖完成后，緊跟初期支護。窯洞頂部以上隧道邊墻部分采用單根長4.5 mΦ25藥包錨桿，按環(huán)向間距40 cm布置，錨桿與工字鋼焊接一定要牢固。隧道與窯洞交接部分，將長出初期支護內(nèi)輪廓線20 cm的鋼筋壓彎并扣在工字鋼上，鋼筋與工字鋼焊接牢固。由于窯洞地面低于隧道路面，架設(shè)工字鋼時，會造成工字鋼處于懸空狀態(tài)。為保證工字鋼的穩(wěn)固，架設(shè)時，在工字鋼腳部加設(shè)托梁，托梁與工字鋼采用鋼板與高強螺栓連接，托梁底部設(shè)置60 cm×60 cm鋼板以增大受力面積，鋼板置于堅實的窯洞地面上，切忌放置在開挖過程中灑落的虛土上。這樣，錨桿的懸吊力與托梁的支撐力避免了工字鋼的下沉。噴射混凝土前，根據(jù)配合比實驗加入適當?shù)乃倌齽┖驮鐝妱?。噴射混凝土時，與片石混凝土交接處一定要噴射密實，這樣可讓初期支護與片石混凝土形成整體受力體系。隨后，在每個開挖臺階上加設(shè)Φ20 cm圓木支撐以穩(wěn)定初期支護，防止混凝土達到預(yù)定強度前拱頂下沉，圓木底部設(shè)置60 cm×60 cm鋼板且置于穩(wěn)定的巖體上。待噴射混凝土強度達到70%以上時，拆除圓木支撐，進行2～5步施工。完成第3步開挖時，拆除托梁，改為原設(shè)計工字鋼進行封閉，并及時完成仰拱施作。

3.2 洞口處窯洞處理

洞口段屬淺埋黃土地質(zhì)，洞頂距地表最小距離僅1.5 m。黃土具有很強的濕陷性，為防止注漿過程中水泥漿軟化地質(zhì)。施工時，超前支護改用單根長3.5 mΦ42藥包小導管。為增強剛度，小導管壁厚采用5 mm厚，并在小導管內(nèi)植入鋼筋，場外完成注漿。施工時，首先利用Φ60螺旋鉆按測定輪廓線以30 cm間距5°～10°插入角鉆眼，然后植入藥包、小導管。藥包小導管增強了圍巖的凝結(jié)力，使圍巖形成整體受力體系，同時場外注漿的提前制作縮短了工期。初期支護時，工字鋼間距由60 cm變?yōu)?0 cm，進一步加大了安全系數(shù)。

4 監(jiān)控量測結(jié)果及分析

施工過程中，每天上午下午各進行一次地表沉降、初期支護拱頂沉降及水平收斂觀測、鋼筋應(yīng)力監(jiān)測，為施工提供數(shù)據(jù)保障。具體觀測結(jié)果如下圖表所示:

從圖3監(jiān)測曲線可知，有左右導坑開挖引起的地面沉降為0.9 cm，水平收斂和拱頂沉降分別為0.7 cm和0.9 cm，核心土和下臺階開挖最終引起的變形分別為地面沉降為1.9 cm、水平收斂 0.8 cm、拱頂沉降1.5 cm;從表1 可知，開挖核心土時引起初期支護最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱頂，為108 MPa;最大壓應(yīng)力發(fā)生在左拱腳，為122 MPa。施工監(jiān)控數(shù)據(jù)基本與有限元數(shù)據(jù)分析接近，同時說明施工方案可靠性是足夠的。

圖3 沉降與收斂監(jiān)數(shù)據(jù)測曲線圖

表1 鋼筋應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù) MPa

5 結(jié)語

趙家莊隧道采用以上施工方案，是建立在對地質(zhì)條件有足夠了解的基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值模擬作為理論依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測作為指導，靈活采取符合施工現(xiàn)場實際的措施。趙家莊隧道方案的成功實施，不但節(jié)約了工程投資，加快了施工進度，同時洞口周圍的生態(tài)得以最大限度的保護，這也是現(xiàn)代工程施工所提倡和注重的，也為窯洞密集區(qū)的隧道施工儲備了寶貴的經(jīng)驗。

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2011-09-29