基于FLAC3D的山區鐵路隧道施工階段分析

李華快

摘要：文章基于有限差分軟件FLAC3D，建立在上下臺階法施工工況下的IV級圍巖隧道在各個施工階段中的有限元模型，分析隧道變形受力特點。研究結果顯示：隧道豎向位移呈現先增大后趨于穩定的特點，應力z方向呈現拱底無明顯變化而拱頂變化較大的情況，增大29%，而x方向應力則與z方向應力結果相反，呈現拱頂變化不大而拱底明顯降低，減小了19%。對于這種現象，提出了相應的處理措施，為類似工程施工提供參考。

關鍵詞：隧道工程;施工階段;拱頂沉降;拱底隆起

中圖分類號：U459.1文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.042

文章編號1673-4874（2021）01-0155-03

0引言

我國鐵路建設呈現起步較晚但發展速度較快的特點，截至2019年年底，我國運營鐵路隧道16084座，總里程達到13.9萬km。在隧道建設過程中，存在很多問題，許多專家學者進行了相關的研究[1-3]。黃海斌[4]等對雙線公路隧道下穿鐵路隧道的施工工法理論進行了研究，通過運用有限元摩爾庫倫原理建立CD法、CRD法和雙側壁導坑法三種工法的下穿模型，分析隧道不同部位的穩定性和沉降，得出雙側壁導坑法對下穿鐵路隧道的影響最小的結論。孫毅[5]等對高速鐵路隧道二次襯砌的變形特性和極限承載能力進行了系統分析，得出在臨界破壞狀態下，隧道不同部位塑性區的分布范圍受側壓力系數的影響較大，隨著側壓力系數的增大，洞形由扁平逐漸變為豎直，且當側壓力系數為1.4時，二襯的承載效果最好的結論。楊家松[5]對單線鐵路隧道微臺階法一次開挖爆破的施工技術進行了優化研究，通過實際調研、理論分析得出在IV、V圍巖條件下的新微臺階帶仰拱一次開挖爆破技術，通過實際工程的應用，在實例工程管理常態化的同時還能提升標準化管理水平和工程進度，節約成本的結論。本文針對山區鐵路隧道的地形地質特點，運用有限差分軟件FLAC3D對隧道施工階段的受力變形特點進行分析，為類似工程施工提供參考。

1工程概況

模型選取山區某隧道，由于山區特有地形地質、水文、氣候條件復雜，對隧道施工的要求很高。該隧道圍巖主要由二疊、三疊系長石、石英砂巖、泥巖、泥質砂巖及頁巖組成，圍巖偏破碎，地質條件較差，主要為IV級圍巖?，F場地下水變化較大，主要由地表降水補給，隧道埋深在15～200m。其中隧道初期支護采用C20混凝土，厚度為25cm，二襯采用C30混凝土，厚度為50cm。模型參數見下頁表1。

2施工工法

由于隧道圍巖巖體破碎，節理、裂隙發育，地質構造、斷層分布復雜，在穿過軟弱圍巖時，為了保證施工、運營的安全及減少后期維修的成本，施工必須選取對圍巖穩定性影響較小、初支二襯及仰拱能及時封閉且受力合理的工法，控制圍巖的松弛變形，同時綜合考慮工期的影響，本文采用臺階法模擬隧道模型的施工（見圖1）。

3有限元模型的建立

有限元計算區域根據圣維南原理采用橫向100m、豎向40m即計算邊界為3～4倍洞徑的隧道模型，圍巖參數性質根據摩爾庫倫強度準則確定，初支、二襯采用殼單元模擬，圍巖、加固圈采用實體單元即四邊形四節點網格模擬。有限元網格見圖2。

4有限元分析結果

隧道施工順序為開挖1→初期支護→開挖2→初期支護→二襯施工。通過各階段的隧道受力變形結果，對鐵路隧道的施工階段狀況進行分析。

4.1位移結果分析

根據位移云圖（見圖3～6），可知在隧道開挖前，隧道初始自重應力場是均勻的，開挖上臺階并施加初期支護后，隧道呈現拱頂沉降拱底隆起的特點。在下臺階施工及二襯施作完畢整個施工過程中，拱頂沉降值呈現先增大后趨于穩定的趨勢，最大值達到2mm;仰拱隆起值呈現先增大后減小的趨勢，最大值達到1.5mm。因此在施工過程中，應采取一定的臨時加固措施，防止出現隧道圍巖失穩坍塌事故，造成人員傷亡。

4.2應力分析

根據施工階段應力云圖（見圖7～10），可以看出在隧道開挖上臺階時，隧洞z方向應力呈現拱頂較大拱底較小的趨勢，而在下臺階施工完成仰拱封閉后，拱底應力變化不大，但是拱頂應力出現較大變化，增大了29%。對應豎向位移云圖可知，大應力是由于開挖完成后隧道拱頂的較大位移使得拱頂應力場發生較大的變化。而對于x方向的應力，與z方向應力呈現相反的特點，開挖上臺階時，隧道拱頂應力較大而拱底較小，但當下臺階施工完仰拱封閉后，拱頂應力變化不大，拱底應力存在較大的下降趨勢，減小了13%。對應位移結果，可知是因為在仰拱封閉及二襯施作后，隧道與支護結構形成整體承載，應力分布更均勻，受力更合理。

5處理措施

對于拱頂沉降的問題，可以采取洞外地表水引流及土體加固+洞內強支護+工法優化綜合運用的方案減緩沉降速率。洞外措施主要通過地表截排水使土體免受地下水的滲流影響，影響土體的固結性，并注入10%的水泥土封閉流動面及流動裂隙，提升隧道上方土體整體穩定性;洞內強支護主要通過支設水平錨桿使拱墻與巖土體形成整體，同時對于沉降較大的位置施作臨時仰拱及中隔墻，施工過程中做好保溫措施，確保結構整體性;工法優化要求在隧道施工過程中，做到實時監測，動態施工，根據出現的實際情況制定合理的工法。

對于拱底隆起的問題，可以采用基角錨桿+剛柔層卸壓的工法，同時做好疏排水及時封閉來控制隆起值。

6結語

通過對山區鐵路隧道施工階段的受力變形狀況及隧道開挖過程中的位移及應力結果的分析，得出以下結論：

（1）在隧道開挖前，隧道初始自重應力場是均勻的，隨著隧道開挖，拱頂沉降值呈現先增大后趨于穩定的特點，最大值達到2mm;仰拱隆起值呈現先增大后減小的趨勢，最大值達到1.5mm。因此在施工過程中，應采取一定的臨時加固措施，防止出現隧道圍巖失穩坍塌事故，造成人員傷亡。隨著隧道開挖，使隧洞z方向應力呈現拱頂較大拱底較小的趨勢，拱底應力變化不大，但是拱頂應力增大了29%，而對于x方向的應力，與z方向應力呈現相反的特點，拱頂應力變化不大，拱底應力存在較大的下降趨勢，減小了13%。

（2）對于拱頂沉降采用錨管、地表水引流、及時封閉及工法優化等措施;對于拱底隆起，采用基角錨桿+剛柔層卸壓，同時做好疏排水及時封閉仰拱來解決。

參考文獻

[1]JTGD70-2004，公路隧道設計規范[S].

[2]賈仁輝，隧道工程[M]，重慶：重慶大學出版社，2011.

[3]習仲偉.我國交通隧道工程及施工技術進展[J].北京工業大學學報，2005，31（2）：141-146.

[4]黃海斌，周平，陳鵬，等.雙線公路隧道下穿鐵路隧道不同施工工法理論研究[J].鐵道標準設計，2016，60（11）：104-109.

[5]孫毅，張頂立，于富才，等.高速鐵路隧道二次襯砌的變形特性與極限承載能力[J].中國鐵道科學，2016，37（1）：60-70.

[6]楊家松.單線鐵路隧道新微臺階帶仰拱一次爆破開挖施工技術研究[J].隧道建設（中英文），2020（1）：83-89.