新建黄土隧道开挖及支护对既有隧道影响的数值模拟分析

文章编号:1672

7479(2019)02

0056

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铁摇道摇勘摇察2019年第2期

新建黄土隧道开挖及支护对既有

隧道影响的数值模拟分析

杨摇凯摇戚摇铁

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,山西太原摇030013)

摇摇摘摇要:新建隧道临近既有隧道时,隧道施工会引起围岩的应力重分布,从而对既有隧道产生影响。为了研究新建隧道施工对既有隧道的影响,以黄土地区某隧道工程为依托,利用有限元软件,通过数值模拟计算,分析开挖方法及支护措施对既有隧道最终位移场、应力场分布及围岩塑性区演化的影响,得2郾56mm,均出现在拱顶处,总体位移较小;采用3种不同的支护措施时,最大应力均出现在距离最近既3种支护方案对应的整体模型最大总位移分别为80郾3mm、77郾8mm和郾2mm,管棚超前支护对变形控制效果明显。

关键词:隧道;黄土;数值模拟;变形;应力

中图分类号:U455郾43摇摇文献标识码:A摇摇DOI:10.19630/j.cnki.tdkc.201812270001

出如下结论:采用台阶法时会对既有隧道产生扰动,引起既有两隧道的最大位移分别为0郾97mm和有隧道的仰拱处(不超过600kPa);塑性区主要分布在最近既有隧道的仰拱处,但不会引起塑性破坏;

NumericalSimulationAnalysisofNewLoessTunnel

ExcavationandSupporttoExistingTunnel

(TaiyuanDesignInstitute,ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.,Ltd.,Taiyuan030013,China)

YangKai摇QiTie

收稿日期:20181227

第一作者简介:杨摇凯(1986—),男,2009年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学学士,工程师。

Abstract:Whenanewtunnelisconstructednearanexistingtunnel,becauseofthefactthattheconstruction

ofthetunnelwillcausethestressredistributionof

surroundingrock,thenewtunnelwillhaveanimpactontheexistingtunnel.Anewtunnelnearthe

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新建黄土隧道开挖及支护对既有隧道影响的数值模拟分析:杨摇凯摇戚摇铁

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existingtunnelinloessareaisusedasanexampleinthispaper.Inordertoreducetheimpactofthefield,stressfielddistributionlawandplasticzoneevolutionlawofsurroundingrockofexistingtunnelsare

constructionofthenewtunnelontheexistingtunnel,byusingfiniteelementsoftware,thefinaldisplacementsimulatedbydifferentexcavationmethodsandsupportingmeasures.Theconclusionsaredrawnasfollows:whenbenchmethodisadoptedintheconstructionofatunnel,disturbancewilloccurtoexistingtunnels,resultinginthemaximumdisplacementofexistingtwotunnelsbeing0郾97mmand2郾56mm,respectively,bothofwhichappearatthevaulttopwiththeoveralldisplacementbeingasmallvalue;whenthreedifferentsupportingmeasuresareadopted,themaximumstresswillallappearattheinvertedarchofthenearestexistingtunnel,themaximumofwhichislessthan600kPa;theplasticzonemainlydistributesattheinvertedarchofthenearestexistingtunnel,butitwillnotcauseplasticdamage;themaximumtotaldisplacementofthewhichshowsthattheeffectofpipeshedadvancedsupportondeformationcontroliseffective;iftheconstructionofpipeshedisdifficult,thentheisolationpilewillbeusedtogetherasaprotectionmethod.Keywords:Tunnel;Loess;Numericalsimulation;Deformation;Stress摇摇随着我国交通建设事业特别是铁路建设的快速发展[1],新建隧道与既有隧道的设计距离变得越来越小。隧道开挖后将引起围岩应力的重分布[2],必然对既有隧道产生不利的影响,严重时可能引起既有隧道较大的变形或不均匀沉降,甚至衬砌结构的开裂、剥落,危及行车安全[3]。

目前,国内许多学者对临近既有隧道的施工进行

wholemodelcorrespondingtothethreesupportingschemesis80郾3mm,77郾8mmand郾2mm,respectively,

2所示。

瓦日铁路和肖家洼煤矿铁路专用线中间,如图1、图

了研究。王清标等[4]运用FLAC3D软件分析了台阶法、CRD法及眼镜法3种不同开挖方式下既有隧道衬砌及周围交叠岩体的应力-应变规律;包德勇[5]采用得出了既有隧道衬砌结构受力及位移的变化规律;刘镇[6]利用MIDAS/GTS软件建模,分析新建盾构隧道正交下穿施工对既有隧道沉降的影响;仇[7]等采用FLAC3D软件对深圳地铁交叉隧道施工进行模拟,计算相应的应力场及位移场;杨永波[8]等对邻近既有隧道施工参数进行了优化分析;王剑晨[9]等利用经验公式,分析浅埋暗挖施工对既有隧道的变形影响;黄德中[10]和李磊[11]等采用离心模拟、现场监测、数值计算等方法对既有隧道的变形进行了研究。但以往研究对黄土地区隧道开挖及支护的分析较少,以下通过数值模拟的方法,对某黄土隧道开挖支护进行研究,探讨合理的工法及支护方案,以期对类似工程提供借鉴。

摇

图2摇工程现场照片

摇,ANSYS软件模拟新建线路下穿高速公路的施工过程

图1摇新建隧道与既有隧道的位置关系

“肖家洼隧道冶)全长908郾27m,设计为单线隧道,最大埋深约70郾7m,采用新奥法施工,其内部为带仰拱的衬砌结构形式,受影响范围内为V级围岩,二次衬砌拱墙厚40cm,仰拱厚45cm(均为C35钢筋混凝土)。根据现场调查,既有肖家洼隧道衬砌完好,无病害。

既有瓦日铁路安家庄2号明洞全长100m,采用放坡明挖法施工,整体式衬砌,受影响范围内为吁级围岩,拱墙、仰拱厚度均为70~80cm(C35钢筋混凝土)。根据现场调查,既有瓦日铁路安家庄2号明洞

既有肖家洼煤矿铁路专用线安家庄隧道(简称

1摇工程概况

拟建山西通昌能源集团有限公司煤炭铁路专用线安家庄隧道(简称“通昌隧道冶)位于山西省兴县境内,隧道全长367郾0m,最大埋深约38郾2m,隧道形式为双线渐变为单线,洞口双线段长约40m。通昌隧道位于

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衬砌完好,无病害。

2摇工程地质条件

根据调查及勘探,隧道处地质条件较为简单。洞

身上层为第四系上更新统坡风积砂质黄土(Q褐黄色,稍湿,稍密,结构松散,具针状孔隙,土质较均3dl+eol),匀,层厚10~25m;洞身下层及路肩以下主要为第三系上新统(N黏粒为主,土质不均匀2)粉质黏土。

,褐黄-红褐色,坚硬-硬塑,以本次勘察钻孔内未见地下水,雨季新黄土与粉质黏土分界处有少量层间渗水。

3摇计算假定

组合工况考虑(1)施工隧道期间。

,既有铁路隧道结构按照非震变形协调原则(2)假定既有铁路隧道与新建隧道间的土体符合[12](3)隧道开挖施工完毕后。

因此,可不考虑边坡防护施工过程中岩土体随时间的,应立即施作边坡防护。流变变形(4)将地层岩土体视为均质各向同性材料。

物理力学参数准确可靠。

,且其

4摇数值分析

新建通昌隧道与既有肖家洼隧道的间隔距离从进口到出口逐渐增大D12K0+650增大至10郾1处m。(共计,新建隧道进口D12K0+57080m),两隧道间距从D12K0~D12K0+605段采用双线1郾+5701m直至逐渐断面,隧道间隔最大处仅为4郾0m。

新建通昌隧道与既有瓦日2号明洞基本平行,间隔距离从新建隧道D12K0+585处的19郾7m逐渐增大至D12K0+685处的30郾0m。

计算选用的物理力学参数见表1。

表1摇物理力学参数

土层名称质量密度压缩模量内摩擦黏聚力角/(毅)砂质黄土/(g1郾/cm352)10郾/MPa7320郾4/kPa泊松比200郾30粉质黏土1郾9910郾0826郾7

35

0郾25隧道衬砌2郾4310000郾2喷混凝土

2郾2

11000

0郾2

4郾1摇为了减少通昌能源专用线隧道开挖对既有瓦日铁

支护方案的数值分析

路明洞与肖家洼铁路隧道的影响淤洞口D12K0+570~D12K0+605,考虑段拱顶3种支护方案180毅范围采

:用大管棚超前加固及拱脚斜拉桩支护D12K0D12K0+605+670采用隔离桩支护;于D12K0,D12K0++605570~~D12K0+570加固,D12K0+605段拱顶与直墙~D12K0240毅+670范围采用大管棚超前采用隔离桩支护;盂

计算模型的范围边界如下~D12K0+670段均采用隔离桩支护。

。

模型范围:里程D12K0+570~D12K0+690;50m;底部界面:从通昌能源专用线隧道向下延伸50m;左侧边界:从瓦日铁路隧道左侧边墙向外约50m;

右侧边界:从肖家洼铁路隧道右侧边墙向外约顶部界面:至地面高程。

采用快速有限差分软件FLAC3D[13]进行计算分析,通过MidasGTS[14]和ANSYS软件辅助建立计算网25格模4型个节点,导入,124到FLAC3D296中。整个三维模型共有表按自由表面考虑,底部采用固定约束个单元。计算模型的上边界地,四周的外边界通过约束边界面法向位移来实现。土体采用四节点四面体实体单元模拟,土体结构计算采用Mohr鄄Coulomb本构模型[15]开挖隧道管棚和隔离桩支护采用。

FLAC3D结构单3元中的桩单元模拟种支护方案的支护结构如图,既有隧道衬砌采用壳单元模拟3~图5所示。

。

图3摇支护方案1的支护结构模型

图4摇支护方案2的支护结构模型

根据经验,隧道变形及应力变化主要发生在拱顶及拱墙连接处,选取隧道拱顶、左拱腰、右拱腰、左侧墙、右侧墙、拱底共6个关键点作为研究对象,按顺序依次编号。其中,瓦日铁路明洞关键点编号为Z01~

摇

摇

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图5摇支护方案3的支护结构模型

摇

Z06,能源专用线隧道关键点编号为肖家洼铁路隧道关键点编号为T01~T04(Y01~如图Y06,6)。

通昌图6摇隧道关键点布置

(1)整体模型最终总位移支护方案淤计算

7~图9所示,关键点位移情况如表、塑性区及应力云图如图

2所示。

图7摇整体模型总位移

摇

图8摇整体模型塑性区分布

摇

图9摇整体模型竖直应力

摇

最大总位移出现在通昌能源专用线隧道拱底(约为80mm)。

表2摇D12K0+605段既有隧道关键点位移对比

mm

隧道名称

关键点Z01水平位移Z02

0郾竖直位移0郾0690郾瓦日铁路隧道

Z03Z040郾0470郾078Z050郾3860郾00郾1250郾448Y01Z06

0郾4200郾085Y02

0郾3580940郾450肖家洼铁路隧道

Y03Y04-0郾0郾060

0郾4840郾063Y05-0郾0220郾062Y06-0郾0950郾015T01-0郾1460郾0560190郾210-0郾0郾027

通昌能源专用线隧道

T02T03-1郾1郾0014191郾958102摇7郾145099-0郾36郾137201为正摇注。

:水平方向位移以边坡外部指向内部为正T04

,垂直方向位移以向上(2)支护方案于计算

10~图整体模型最终总位移12所示,关键点位移情况如表、塑性区及应力云图如图

3所示。

图10摇整体模型总位移

图11摇整体模型塑性区分布

图12摇整体模型竖直应力

最大总位移出现在通昌能源专用线隧道拱底(约为78mm)。

摇

摇

摇

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铁摇道摇勘摇察2019年第2期

表3摇D12K0+610段既有隧道关键点位移对比

mm

隧道名称

关键点Z01水平位移竖直位移Z02

0郾0郾1010郾0郾013瓦日铁路隧道

Z03Z040郾0390郾071Z050郾3250郾0810郾2950郾069Y01Z06

0郾3050郾301Y02

0郾2110郾1270郾350肖家洼铁路隧道

Y03Y040郾081-0郾0郾011033Y05-0郾002

0郾023

061Y06-0郾004-0郾T01-0郾093-0郾141-0郾056-1郾047通昌能源专用线隧道

T02T037郾2730072郾282T04

-0郾5郾3109020郾4003摇为正摇注。

:水平方向位移以边坡外部指向内部为正,垂直方向位移以向上48郾420

(3)支护方案盂计算

13~图整体模型最终总位移15所示,关键点位移情况如表、塑性区及应力云图如图

4所示。

图13摇整体模型总位移

图14摇整体模型塑性区分布

图15摇整体模型竖直应力

最大总位移出现在通昌能源专用线隧道拱底(约为mm)。

表4摇D12K0+610段既有隧道关键点位移对比

mm

隧道名称

关键点Z01水平位移竖直位移Z02

0郾0郾331-0郾0郾瓦日铁路隧道

Z03Z041郾1370郾039214Z050郾0720郾6060郾035Y01Z06

1郾2990郾059Y02

0郾6880郾6300郾1060530郾760017肖家洼铁路隧道

Y03Y04-0郾0郾049

Y05-0郾0郾060

0郾046014Y060郾007003-0郾T01-0郾0430郾021011-6郾通昌能源专用线隧道

T02T0329郾0郾74626郾T04

-0郾9029郾58050郾035884245摇48郾675为正摇注。

:水平方向位移以边坡外部指向内部为正,垂直方向位移以向上4郾2摇3种支护方案对应的整体模型中对比分析

应力范围为200~600kPa,最大应力均出现在肖家洼,引既有隧道的

隧道的仰拱处。塑性区主要分布在通昌隧道下台阶靠近肖家洼隧道一侧的仰拱处80郾程D12K0+60533mm、77郾种支护方案对应的整体模型最大总位移分别为

。

8mm和D12K0+610和郾2mm,处均出现在新建隧道里。3种支护方案对应肖家0郾345洼mm、0郾铁路隧326道mm,最大分别出现在里程水平位移分别为D12K00郾257+600、mm、D12K0+0郾083mm、590、0郾D12K0117mm、+5750郾071处;mm,最大分竖别直出位现移在分别里为D12K0+610、D12K0+575、D12K0+590处。3种支护方程D12K0+0郾案对应瓦日铁路隧道最大水平位移分别为325mm、610、1郾D12K0148mm,+605出处现;在最大里竖程直D12K00郾513位移分+别610、mm、

0郾510mm、0郾350mm、0郾851mm,分别出现在里为D12K0+610、D12K0程

析可知,管棚对控制新建隧道和既有隧道的变形效果+610、D12K0+605处。由以上分较好,但是新建隧道与肖家洼隧道间距过小,管棚施工存在较大难度。因此,实际采用的支护方案为于和盂,即在新建隧道周围部分使用管棚支护,在新建隧道与4郾肖家洼隧道之间采用隔离桩支护3摇台阶法数值分析

。

选取D12K0+615断面,在未采取任何支护形式的情况下,分析上下台阶法施工对既有隧道的影响。

建立的网格模型如图16所示。计算模型尺寸约

摇

摇

摇

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21为318142个网格节点m伊1m伊。模型边界同前述m,模型共计10。

579个单元体,

图16摇隧道施工计算模型

当采用上下台阶法[8]开挖通昌能源专用线隧道时,上台阶高度约为5m,下台阶约4郾5m,得到模型塑性区如图17所示。

图17摇台阶法开挖隧道塑性区分布

提取既有瓦日铁路安家庄隧道2号明洞与肖家洼铁路隧道关键点的水平和竖直位移值,得到如表5所示的计算结果。

表5摇对应关键点位移

mm

关键点瓦日铁路隧道肖家洼铁路隧道水平位移竖直位移关键点水平位移竖直位移Z01Z02-0郾0郾56

Y01Z03-0郾8030郾Y02-1郾83

-1郾-1郾Z04-0郾137Z050郾620郾0810郾219Y03-0郾Z06

0郾1160郾013292

0郾077Y040郾9410郾041-0郾6568180郾233161Y05Y06

0郾7051郾74767-0郾-1郾9-1郾69601

通昌隧道台阶法开挖后,引起瓦日铁路明洞水平最大位移和竖直最大位移mm,位移分别为引起肖家洼铁路隧道的水平最大位移和竖直最大分别为0郾80mm和0郾560郾97mm和2郾1郾5683mm和1郾90mm,整体最大位移为

用台阶法施工时,mm(会对既有隧道产生扰动均位于拱顶处)。由此可见,但总位移,采较小。

5摇结论

数值计算结果表明:采用台阶法施工[16]时,会对既有隧道产生扰动,引起既有隧道的最大位移均出现在拱顶处,实际施工中应注意控制施工步距;新建隧道采用不同的支护措施时,最大应力均出现在距离最近的肖家洼隧道的仰拱处,塑性区主要分布在下台阶靠近肖家洼隧道一侧的仰拱处,塑性区不贯通,不会引起塑性破坏。管棚超前支护对既有隧道和新建隧道的变形控制效果明显,若管棚施工困难,可采用隔离桩的防护方式。

参

考

文

献

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正演模

摇

摇