淺埋大跨徑黃土公路隧道弧形導(dǎo)坑法施工數(shù)值模擬

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1、淺埋大跨徑黃土公路隧道弧形導(dǎo)坑法施工數(shù)值模擬　　摘要：采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)淺埋大跨徑黃土公路隧道進(jìn)行施工開(kāi)挖過(guò)程模擬，監(jiān)控隧道各部位位移、地表沉降和圍巖應(yīng)力，通過(guò)對(duì)比分析得到由于開(kāi)挖引起的位移和應(yīng)力的變化規(guī)律，進(jìn)而分析弧形導(dǎo)坑法對(duì)淺埋大跨徑黃土公路隧道的控制效果，并針對(duì)針對(duì)施工中易出現(xiàn)安全事故的薄弱環(huán)節(jié)提出一些針對(duì)性和具體的施工處理措施，為工程施工提高依據(jù)和參考。關(guān)鍵字：淺埋大跨公路隧道弧形導(dǎo)坑法數(shù)值模擬中圖分類(lèi)號(hào)：U45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1.引言黃土在我國(guó)西北地區(qū)廣泛分布，但黃土隧道的建設(shè)并沒(méi)有一個(gè)非常適用合理的標(biāo)準(zhǔn)。

2、尤其是大跨徑黃土隧道較一般隧道更加扁坦，圍巖應(yīng)力集中程度高，襯砌的壓力、圍巖的位移沉降較大，而黃土隧道的淺埋因素對(duì)隧道的施工更不利，施工方法的選擇也更為復(fù)雜，對(duì)弧形導(dǎo)坑法開(kāi)挖淺埋大跨徑黃土隧道中力學(xué)規(guī)律進(jìn)行研究，分析其中易出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)規(guī)律正確選擇支護(hù)手段，指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。2.計(jì)算假定6由于黃土自身的性質(zhì)較復(fù)雜，全部考慮并完全模擬施工步驟難度很大。因此在建模和計(jì)算的過(guò)程中，考慮主要因素，次要因素簡(jiǎn)化處理。（1）將圍巖視為單一土體，看成均質(zhì)、連續(xù)、各向同性介質(zhì)。（2）只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮地表降水和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響。（3）不考慮時(shí)間效

3、應(yīng)，認(rèn)為開(kāi)挖、支護(hù)、加固等行為一步到位。3.模擬計(jì)算與分析3.1模型的建立取Vb級(jí)別圍巖中Q3砂質(zhì)黃土模擬圍巖，隧道開(kāi)挖跨徑16.69m，開(kāi)挖高度12.16m，埋深10m，計(jì)算區(qū)域：向下取3倍隧道高度35m，左右取4倍隧道跨徑68m，縱向取60m。采用M-C模型模擬圍巖、加固區(qū)，彈性模型模擬初期支護(hù)、二次襯砌、臨時(shí)支護(hù)。將超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管、注漿加固的范圍等效為均質(zhì)材料對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整提高。圍巖及支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)。通過(guò)改變步長(zhǎng)來(lái)模擬開(kāi)挖過(guò)程，每次開(kāi)挖3m。3.2計(jì)算結(jié)果及分析3.2.1豎向位移規(guī)律分析對(duì)豎向位移進(jìn)行綜合分析：61

4、、隧道上部圍巖發(fā)生整體沉降，沉降區(qū)域呈倒U狀，邊界近乎垂直，一直延伸到隧道的拱腳處，拱頂沉降與拱腳沉降相差不大。2、在弧形導(dǎo)坑掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)面前，隧道上方圍巖已發(fā)生少量沉降。地面受遠(yuǎn)處圍巖條件變化反應(yīng)明顯，沉降最大，隨著埋深的增加，沉降越來(lái)越小。此階段未發(fā)生明顯應(yīng)力狀態(tài)的改變，埋深越淺累計(jì)沉降越多。當(dāng)開(kāi)挖掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)面后，隧道上方圍巖產(chǎn)生卸荷，而離隧道洞室越近圍巖受到影響越大，變形從拱頂向地表發(fā)展，從隧道周邊到地表處沉降越來(lái)越小。3、當(dāng)掌子面距離監(jiān)測(cè)面一倍跨徑（16m）以上時(shí)，監(jiān)測(cè)面位移很小，當(dāng)距離減小到一倍跨徑以?xún)?nèi)時(shí)，監(jiān)測(cè)面地表和拱

5、頂開(kāi)始產(chǎn)生明顯沉降。說(shuō)明隧道的開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響區(qū)域?yàn)檎谱用媲胺揭槐犊鐝椒秶?、掌子面到達(dá)時(shí)發(fā)生的拱頂沉降為38.22mm，占拱頂總沉降量的33.18%，仰拱底部上揚(yáng)22.87mm，占上揚(yáng)總量的25.64%，仰拱開(kāi)挖時(shí)，沉降突然增大，沉降量為18.4mm，支護(hù)封閉前拱頂沉降達(dá)到總沉降的87%，仰拱施工完畢后沉降值和拱部上揚(yáng)值增加不大。5、隨著掌子面的接近，監(jiān)測(cè)面圍巖沉降速度越來(lái)越大，掌子面到達(dá)時(shí)，達(dá)到頂峰，在初支封閉之前，沉降變化速度緩慢減小。仰拱開(kāi)挖時(shí)，拱頂沉降變化速度發(fā)生顯著增加，當(dāng)初支封閉仰拱回填后，變化速度很快減小并趨于零。66

6、、地表沉降隨著地面與隧道中心線(xiàn)距離的減小而增大，且在距離35m（約2倍隧道跨徑）范圍內(nèi)影響明顯，在距隧道中心線(xiàn)19m（約1倍隧道跨徑）處，沉降的變化趨勢(shì)顯著增大，在中心線(xiàn)處的地表沉降達(dá)到最大。7、開(kāi)挖穩(wěn)定后，隧道拱頂沉降雖徑向深度的逐漸衰減，但衰減的趨勢(shì)不大，地表沉降值是拱頂沉降值的83%，體現(xiàn)了上部土體的整體沉降性。3.2.2水平位移規(guī)律分析對(duì)水平位移進(jìn)行分析：1、在弧形導(dǎo)坑掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)面前，隧道圍巖僅發(fā)生少量水平收斂，最大值僅有4.3mm，說(shuō)明開(kāi)挖對(duì)掌子面前方土體的水平位移影響不大。2、掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)面開(kāi)始，拱腳和拱腰的收斂逐漸增

7、加。拱腰收斂增加趨勢(shì)持續(xù)到下臺(tái)階通過(guò)（掌子面離開(kāi)監(jiān)測(cè)面15m）后趨于穩(wěn)定，此時(shí)拱底未開(kāi)挖，初支未封閉。拱腳收斂主要在各臺(tái)階通過(guò)監(jiān)測(cè)面階段完成，在下臺(tái)階通過(guò)后仍有少量增長(zhǎng)，此增長(zhǎng)趨勢(shì)在初支封閉（掌子面離開(kāi)監(jiān)測(cè)面24m）后趨于穩(wěn)定。3、掌子面到達(dá)監(jiān)控面開(kāi)始，拱腳和拱腰的收斂速率逐漸增大。拱腰的收斂速率在中臺(tái)階通過(guò)時(shí)達(dá)到最大，且一直持續(xù)到各臺(tái)階全部通過(guò)。拱腳的收斂速率在下臺(tái)階通過(guò)監(jiān)控時(shí)達(dá)到最大，且當(dāng)下臺(tái)階通過(guò)后，收斂速率迅速減小。64、在開(kāi)挖弧形導(dǎo)坑時(shí)，拱腰作為弧形導(dǎo)坑的拱腳，便開(kāi)始產(chǎn)生收斂，且收斂明顯，中下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱腰收斂進(jìn)一步發(fā)展。3

8、.2.3圍巖應(yīng)力規(guī)律分析對(duì)圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析：1、弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖后，水平應(yīng)力不大，達(dá)到最大水平應(yīng)力的12%，而豎向應(yīng)力則有很發(fā)展，達(dá)到最大豎向應(yīng)力的74%。開(kāi)挖面各臺(tái)階通過(guò)監(jiān)測(cè)面時(shí)，水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力增加很快，