富水黃土地層隧道開挖破壞的有限元分析

胡建剛,董小恒,牛寶琪

（陜西地礦綜合地質(zhì)大隊,陜西 渭南 714000）

富水黃土地層隧道開挖破壞的有限元分析

胡建剛,董小恒,牛寶琪

（陜西地礦綜合地質(zhì)大隊,陜西 渭南 714000）

我國西北地區(qū)高速鐵路建設(shè)已經(jīng)開始面臨著富水黃土層隧道開挖問題，雖然我國在對黃土隧道的研究已經(jīng)進(jìn)行了半個多世紀(jì)，但其理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實踐，并沒有形成真正考慮黃土特性的完整設(shè)計方法。因此，本文用有限元方法對富水黃土地層隧道開挖進(jìn)行分析，對實踐的中隧道開挖破壞計算有著重要意義。

富水黃土地層;隧道開挖;有限元分析

0　前言

隨著我國高速鐵路建設(shè)工程的飛速發(fā)展，西北地區(qū)的高速鐵路已逐步開始建設(shè)，在黃土地區(qū)建設(shè)高鐵工程，必然要考慮黃土濕陷性問題，特別是修建穿越大型灌溉地區(qū)的黃土隧道，富水黃土地層會產(chǎn)生地層的不均勻沉降，隧道頂部的浸水塌方等等，所以富水黃土地層隧道施工中的問題研究具有重要的意義。

1　工程概況及數(shù)值模型

寶蘭客運專線穿越了陜西省的西部以及甘肅省的東部地區(qū)，沿線地貌單元較為復(fù)雜，分別有關(guān)中盆地，隴南山與西秦嶺北緣過渡帶山區(qū)，天理盆地低山–丘陵區(qū)，黃土高原溝壑及黃河河谷蘭州盆地區(qū)等五個地貌單元。線路全長400公里，隧道工程總計73座，隧線比高達(dá)68%，其中有特長隧道6座，長度共計74.5km，長隧道28座，長度共計145.2km，中長隧道23座，長度共計45.3km，短隧道15座，長度共計7.2km。

根據(jù)工程狀況，采用有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立尺寸為60m×100m×60m模型，隧道斷面為馬蹄形，寬10m，高11m，覆土深度10m，富水區(qū)位置為隧道縱向50m處，富水帶土層受擾動狀況下黃土的粘聚力衰減較快開挖土體模型采用莫爾庫倫模型，土體模擬參數(shù)見表1：

表1　土體模擬參數(shù)表

2　隧道圍巖塑區(qū)域分析

圍巖塑性區(qū)判據(jù)是從巖土材料強度理論的研究發(fā)展而來的,土體某一點發(fā)生屈服時,表明土體該點由彈性狀態(tài)過渡到塑性狀態(tài)。塑性區(qū)的大小能反映圍巖的受力情況,因而以計算出來的塑性區(qū)大小作為破壞的判據(jù)。

由圖1述將黃土隧道自然黃土地層和飽和含水地層條件下的開挖過程圍巖塑性區(qū)云圖進(jìn)行對比，在自然黃土（即含水率恒定）地層的開挖過程中，隧道圍巖隨著開挖進(jìn)尺的推進(jìn)，影響區(qū)域并沒有發(fā)生較大的變化，黃土隧道開挖進(jìn)尺對圍巖穩(wěn)定性影響較小，黃土體有較強的水敏性，隨著隧道開挖進(jìn)尺的推進(jìn)，圍巖影響范圍趨于穩(wěn)定，而當(dāng)開挖上臺階觸到50m區(qū)域（即富水區(qū)域）時，隧道影響區(qū)域迅速擴大，圍巖自承能力不足，從圍巖塑性區(qū)發(fā)展云圖可以看出，在開挖至50m時，圍巖塑性區(qū)云圖變化較大，承載力降低，導(dǎo)致圍巖可能出現(xiàn)病害破壞。

塑性區(qū)的大小與圍巖破壞狀態(tài)無嚴(yán)格的力學(xué)關(guān)系，黃土隧道在開挖推進(jìn)過程中，地表張力以及圍巖受影響區(qū)域接近一致，飽和黃土隧道在開挖過程至50m時，隧道塑性區(qū)云圖圍巖影響范圍發(fā)生突變，地表張力增大，圍巖有發(fā)生病害的趨勢，說明黃土隧道主要受水的影響，在富水區(qū)域隧道圍巖將發(fā)生突變。

3　隧道圍巖沉降位移分析

由圖3述黃土隧道開挖過程位移圖的對比可得：在富水條件下隧道開挖推進(jìn)至50m時，隧道拱頂沉降量突然增大，可能導(dǎo)致病害的發(fā)生。

由圖4述對比可知，黃土隧道在開挖過程中，對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響較小，而在富水區(qū)域時，拱頂沉降量會發(fā)生突變，急劇增大，會導(dǎo)致掌子面的涌泥塌方破壞。黃土隧道開挖過程位移圖的對比可得：在恒定含水率條件下隧道開挖進(jìn)尺的推進(jìn)對地表沉降量的影響較小，地表沉降在可控制范圍。在富水條件下隧道開挖推進(jìn)至50m時，隧道拱頂沉降量突然增大，可能導(dǎo)致病害的發(fā)生。

4　結(jié)語

黃土地層隧道開挖的破壞方式進(jìn)行分析，針對10m埋深隧道開挖過程的塑性區(qū)云圖以及位移圖進(jìn)行對比，以確定水作用下圍巖穩(wěn)定性的影響以及破壞方式，從位移云圖定性的分析在富水狀態(tài)下拱頂?shù)某两盗?。通過比較說明黃土這種水敏性地層，在水存在的作用下，承載能力會發(fā)生突變，從而應(yīng)該加強防護措施，做好監(jiān)控量測。

[1]吉武軍.黃土隧道工程問題調(diào)查分析[S].中鐵七局集團第三工程有限公司.

[2]楊曉華,謝永利.公路隧道塌方綜合處置技術(shù)[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,24(01).

[3]楊慧林.隧道病害原因分析及加固方案[J].公路,2004(08).

[4]陳亞林.隧道塌方原因與處理[J].西部探礦工程,2006(10).

[5]康軍.黃土公路隧道工程[M].北京人民交通出版社,2011.

[6]李強.淺埋，富水黃土隧道塌方成因及預(yù)防對策[J].山西交通科技,2008(06):53-55.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.112