單洞雙線高鐵標準隧道空間位移預測分析

楊晉文

摘 要：以鄭西客運專線單洞雙線高鐵隧道為工程背景，采用三維數值模擬對高鐵隧道地層空間位移進行分析；結果表明：①受地層條件、開挖步序和掌子面空間效應的影響，隧道洞周地層空間位移表現出顯著地階段性：先期位移；位移急劇增大；位移基本穩定或無限接近于某固定的位移值。②在黃土地層中的隧道開挖，初期支護應及時支護、及早封閉成環，對控制洞周地層空間位移的發展效果明顯。③無支護條件下，掌子面擠出變形的量值和速率均有較大幅度增長；初期支護應及時支護、及早封閉成環有效控制了掌子面擠出變形的發展。④不同工況條件下，隧道仰拱部位塑性區半徑均較大，這主要是由于客運專線幾何斷面形式決定的，仰拱部位曲率較大。

關鍵詞：單洞雙線；高鐵隧道；地層空間位移；三維數值模擬

中圖分類號：TU443 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）08-0060-03

1 概 況

隧道開挖破壞了地層原有的應力平衡狀態，引發洞周地層產生變形。對已建成鐵路隧道地層變形實測數據進行分析，結果表明：在隧道橫剖面上地表沉降近似服從正態分布，位移最大值隧道中線上方；沿隧道縱向地表沉降反應掌子面空間效應，即隨著掌子面向前推進，掌子面搶房一定范圍內土體產生空間位移，如圖1所示。

目前對于鐵路隧道地層變形主要集中在拱頂沉降與水平收斂，對空間位移研究較少。扈世民對大斷面黃土隧道空間位移進行數值分析與現場實測，得到了一些有益的結論。選取鄭西客運專線標準高鐵單洞雙線隧道為工程背景，如圖2所示，采用三維有限元計算對隧道的空間位移發展規律進行研究，為類似工程提供借鑒與參考。

2 地層空間位移產生機理

隨著隧道掌子面向前推進，洞周地層位移響應表現為不同階段，洞周地層產生機理可概括為：

①地層損失位移。

②土體固結產生位移。

③土體次固結或蠕變產生位移，見表1。

3 數值計算模型分析

選取鄭西客運客運專線某黃土隧道為工程背景，隧道穿越黃土臺塬地區，地下水補給不充分，根據勘察資料圍巖級別確定為Ⅵ級。選取的實驗段拱頂埋深為44～92 m，根據《《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2005）》大于2.5倍塌落拱高度，故屬于深埋隧道。

采用有限元差分程序FLAC3D建立高鐵隧道數值計算模型，黃土地層服從Mohr-Coulomb屈服準側；為保證初期支護與二次襯砌結構安全，支護結構服從彈性屈服準則；假設黃土地層滿足均勻、各向同性、水平層狀分布；以隧道標準橫剖面水平方向為X軸，長60 m；以隧道線路方向為y軸，長140 m；以重力方向為z軸，長90 m；不考慮地下水和構造應力場作用。

隧道計算模型采用位移邊界條件，上表面為自由邊界、左、右兩側約束水平方向位移、底部約束水平方向、豎直方向位移；為重點關注隧道洞周位移響應，隧道洞周及加固圈范圍網格局部加密；計算模型包括74 580個單元和79 422個節點，如圖3所示。

4 數值計算結果

根據地勘資料確定地層物理力學參數，隧道初期支護采用φ6 mm@150 mmX150 mm掛網噴射混凝土和型鋼鋼架聯合支護樣式，計算時采用等剛度原則將型鋼拱架折算至噴射混凝土中，如式1所示。模型計算參數見表2。

EC=E0+■（1）

4.1 地層空間位移分析

隧道開挖過程中，伴隨著每個步序開挖洞周地層均有不同應力釋放，相應的產生一定位移。受地層條件、開挖步序和掌子面空間效應的影響，隧道洞周地層空間位移表現出顯著的地階段性：

①先期位移。

②位移急劇增大。

③位移基本穩定或無限接近于某固定的位移值。

Ⅴ級黃土地層條件下隧道空間位移曲線如圖4所示，在無支護條件下，先期位移站空間位移總量值的24.4%；及時支護條件下先期位移站空間位移總量值的74.6%；可見在黃土地層中的隧道開挖，初期支護應及時支護、及早封閉成環，對控制洞周地層空間位移的發展效果明顯。

Ⅴ級黃土地層條件下掌子面擠出變形位移曲線如圖5所示，可得結論：當距隧道中心距離減小時，掌子面的擠出變形隨之增大，呈負相關性。無支護條件下，掌子面擠出變形的量值和速率均有較大幅度增長；初期支護應及時支護、及早封閉成環有效控制了掌子面擠出變形的發展。

Ⅴ級地層無、有支護變形矢量圖如圖6與圖7所示。

4.2 地層擾動分析

Ⅴ級黃土地層條件下隧道開挖對洞周地層擾動范圍分布如圖8所示，在無支護條件下，隧道開挖對地層擾動范圍約為2.5D，D為隧道開挖等效直徑，沿隧道洞周分布較為均勻；及時支護條件下，隧道開挖對地層擾動范圍大幅度較小，最大值位移仰拱處，塑性區半徑約0.6 D，其次拱頂部位，塑性區半徑約0.3 D，其他部位塑性區半徑均較小。

不同工況條件下，隧道仰拱部位塑性區半徑均較大，這主要是由于客運專線幾何斷面形式決定的，仰拱部位曲率較大。

5 結 語

①受地層條件、開挖步序和掌子面空間效應的影響，隧道洞周地層空間位移表現出顯著地階段性：先期位移；位移急劇增大；位移基本穩定或無限接近于某固定的位移值。

②在黃土地層中的隧道開挖，初期支護應及時支護、及早封閉成環，對控制洞周地層空間位移的發展效果明顯。

③無支護條件下，掌子面擠出變形的量值和速率均有較大幅度增長；初期支護應及時支護、及早封閉成環有效控制了掌子面擠出變形的發展。

④不同工況條件下，隧道仰拱部位塑性區半徑均較大，這主要是由于客運專線幾何斷面形式決定的，仰拱部位曲率較大。

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