大斷面黃土隧道預留變形量的動態優化MAZhaolin;WANGYue【摘要】隧道在開挖施工過程中必定產生變形和凈空收縮,應提前設置預留變形量,以保證支護結構厚度,并避免結構侵限.本文依托寶蘭客專古城嶺隧道的勘察設計資料、施工工藝和監測數據利用ANSYS和FLAC-3D軟件建立了符合工程實際的數值模型,并根據施工情況動態調整模型參數,預測了隧道不同區段的初支結構變形,偏差率小于10%,在此基礎上對隧道的設計預留變形量進行優化,減少了2.43萬m3的開挖量,節約出渣和混凝土材料費用約900萬元,取得了良好的經濟效益.期刊名稱】《低溫建筑技術》年(卷),期】2018(040)012【總頁數】6頁(P121-125,137)關鍵詞】大斷面黃土隧道;預留變形量;數值模擬;變形預測【作者】MAZhaolin;WANGYue作者單位】;正文語種】中文中圖分類】TU430引言近年來，我國西北黃土高原地區進行了大量的鐵路和公路建設，隧道的工程量穩步增加，經濟投入巨大，工期安排緊張。其中，對隧道開挖引起的施工變形，應根據地勘資料和設計情況進行估算，開挖時往往設置了過大的預留變形量，增加了工程量和混凝土材料的消耗。因此，對隧道變形進行更加準確的分析與計算，優化設計初步估算的預留變形量，具有十分現實的意義。對于預留變形量的設置，多位學者進行了相關研究，孫國凱等［1］通過既有監測資料，總結了預留變形量的不足；趙東平等［2］通過統計分析實測變形，對某黃土隧道預留變形量提出了優化建議；馮志華等［3］通過變形和時空效應分析，確定了福建某公路隧道的合理預留變形量；曹海靜等［4］通過對蒙華鐵路54座黃土隧道的現場實測變形進行統計分析，建議了黃土隧道的合理預留變形量;王鵬［5］通過監測數據分析了中下臺階開挖對預留變形量的影響；吳勇［6］等綜合了監測數據和質量保證率的分析手段，提出香麗高速某隧道的預留變形量。以上研究側重于監測數據和統計分析的方法，對于預留變形量的估算存在較大誤差，取值往往偏于保守。隨著數值模擬軟件的不斷發展，亦有學者將其應用于隧道變形預測，杜鵬毅等［7］通過midas/GTS模擬分析了崤山隧道的變形規律，結合理論分析與工程經驗對比確定預留變形量；王小軍等［8］利用經驗公式輔以數值模擬，對新疆某TBM輸水涵洞進行了預留變形量的設置；金美海等［9］利用ANSYS二維模擬，結合回歸分析的手段，對小凈距淺埋黃土偏壓的孫家溝隧道，進行了預留變形量研究，并給出了建議值；李自強［10］等利用FLAC-3D軟件，對虹梯關硬巖隧道進行模擬，給出了預留變形量參考值；劉小偉等［11］采用理論計算+數值模擬的方法，預估了引洮工程紅層軟巖隧洞的預留變形量。以上研究往往只研究少數特定截面條件，建模為短距離的橫截面切片，在施工開始之前給出了隧道全線的預留變形量參考值，仍有較大的優化余地。本文以寶蘭客專14標古城嶺隧道為背景工程，根據其水文地質、隧道結構、施工工藝和監測數據，建立了符合實際的數值模型，緊密結合現場實際，對隧道前方每一區段的變形量都進行了預測，具有很強的準確性和實時調整性，最大限度的對預留變形量進行區段細化，節約了大量土方開挖，產生了巨大的經濟效益。工程概況新建鐵路寶雞~蘭州客運專線站前工程BLTJ-14標段位于甘肅省蘭州市榆中縣境內，起訖里程為：DK1012+435.5~DK1028+332，全長15.897km。工程地理位置見圖1。站前工程主要有隧道2座15817.4m，橋梁1座99m，無砟軌道31.8km。其中古城嶺隧道10364.6m和蘭山隧道5452.8m為重點工程。圖1工程地理位置圖工程地質情況：①標段地處隴西黃土高原西北部，沿線地形起伏較大，位于黃土高原梁峁、溝壑縱橫區。洞身主要為沖積砂質黃土局部夾砂巖及礫巖，局部為碎石類土。均為IV、V級圍巖；②標段線路經過的地區地表水主要為溝谷內季節性流水及灌溉用水，枯水期幾乎斷流，水量不大。未見地下水發育；③標段不良地質主要為黃土陷穴，主要分布于陡坎處，特殊巖土主要為濕陷性黃土、松軟土及膨脹土，濕陷土層20~30m,砂（黃）質黃土屬松軟土，層厚5~15m。寶蘭客專古城嶺隧道的正洞采用七步三臺階法法施工，為單洞雙線大斷面隧道。其斷面情況見圖2。圖2隧道正洞襯砌斷面圖（單位：cm）動態優化流程根據設計，其規定的預留變形量為200~250mm，而在前期實際施工過程中的初支結構變形往往在100mm以內，故應對預留變形量進行合理優化，可以減少土方開挖量和混凝土材料用量，加快工期，節約成本。利用數值模擬軟件，結合地勘資料和現場實測數據，對初支結構的預留變形量進行優化，流程如下：圖3動態優化流程圖建模與復核建立模型利用ANSYS建立三維隧道模型，導入FLAC-3D進行模擬計算分析。建模范圍選在軸向（y方向）取80m，橫向（x方向）取100m，上覆土體厚度取50m，下部土層取50m。采用七步三臺階法開挖，按施工方案，每榀拱架設置超前小導管支護和鎖腳錨管。因模型過大，應做適當合理的簡化計算，其中，超前小導管和鎖腳錨管均按錨桿單元計算；初支層的鋼架和噴射混凝土厚度較小，按殼單元計算；工程全長基本沒有遭遇地下水，所以模型未涉及滲流計算，未設置防水層，在初支殼結構和二襯之間設置了接觸面單元（其力學參數取圍巖參數的1/2），確保其可以相對滑動，符合復合式襯砌初支和二襯間不傳遞剪力的實際情況。計算采用的土體、二襯及仰拱的數值模擬為實體單元，本構關系選取的為摩爾-庫倫準則，圍巖土體參數依據地勘和設計資料，結合現場實測修正；混凝土材料參數參考前人學者研究，確定參數范圍后，結合現場實際進行調整；其它單元參考前人學者研究設置。各單元參數經初步設置計算后，算值收斂，規律符合實際，計算結果最主要的影響因素為“主體單元力學參數”，其中：（1） 隧道地勘探孔數量充足，開挖地層情況相對簡單基本為新黃土、粉質黃土和砂質黃土，各土層性質差異較小，取各探孔資料平均值，后續基本無調整。（2） 混凝土單元參數在范圍內取值變化，對計算結果的變形規律基本沒有影響，變形量也與現場實測基本相符，在“定量復核”時，根據試驗斷面的實測變形，在取值范圍內對混凝土單元強度進行調整，使模型計算的變形值與實測變形值相符。（3）其它單元影響很小，未作調整。資料顯示最終取值見表1。表1模型主體單元基本力學參數主體單元內聚力/MPa圍巖20000.20.300.170.77260.56二襯2500280.2518.611.2401.2仰拱2500280.2518.611.2401.2密度/（kg?m-3）彈性模量/GPa泊松比v體積模量/GPa剪切模量/GPa內摩擦角/（°）錨桿單元采用的是FLAC3D軟件中自帶的Cable單元進行模擬分析，分析參數見表2。表2錨桿單元力學參數抗拉強度/MPa錨桿4.906e-428GPa0.255360322.43描述橫截面積/m2彈性模量/GPa泊松比v水泥漿剛度/MPa水泥漿粘結力/kPa水泥漿摩擦角/（°）初襯采用的shell單元，對于shell單元的的本構關系，采用的彈性的本構關系。見表3。表3襯砌力學參數巖性描述抗拉強度/MPa襯砌2500280.2518.611.21.78密度/（kg?m-3）＞/GPa泊松比v體積模量/GPa彈性模剪切模量/GPa圖4模型示意圖模型計算復核3.2.1定性復核在基本模型建立完畢后，根據工程實際，從圍巖條件、工法工藝、監測數據等方面考慮，選取了能工程初期具有代表性的DK1019+347斷面，其仰拱步距為22m，圍巖級別均為V級，覆土厚度均為90m左右，按工法方案，模擬從開挖至二襯施作全周期過程，得到了初支結構的受力變形情況與數值模擬計算結果見圖5~圖9。圖5位移場云圖（單位：m）圖6豎向位移云圖（單位：m）圖7速度場云圖（單位：m/step）圖8最大主應力云圖（單位：Pa）圖9張拉與剪切塑性區示意圖（本圖各色塊表示單元塑性狀態，無單位，none--無塑性變形，shear--剪切塑性變形，tension--拉伸塑性變形，n--現在發生，p--之前發生）根據模擬結果：（1）如圖5和圖6所示，隧道圍巖土體最大位移變形發生在拱頂部位（下沉）和底部（隆起），均達到50mm，緊貼初支結構的圍巖變形稍小，約40mm，水平收斂變形介于30~40mm，二襯結構基本無變形。（2）如圖7所示，圍巖土體的快速變形，主要發生在開挖臺階區域，待下臺階開挖支護完畢，速率明顯降低，仰拱施作完畢，初支結構閉合成環后，變形趨于穩定（3）如圖8所示，最大主應力最大值位于模型的底部，在臺階區域因開挖應力釋放，臨空面處最小主應力接近于零。因開挖擾動的在隧道開挖斷面上也存在一定較大的最大主應力集中區，但是在襯砌支護后，最大主應力集中區消失。（4）如圖9所示，張拉破壞和剪切破壞區域主要出現在隧道開挖斷面周圍以及開挖過程中的臺階上，隧道的破壞區隨著隧道開挖深度的增加，以表層拉破壞為主，頂板的塑性區范圍明顯較小，說明超前小導管和鎖腳錨桿對隧道周圍土體起到了良好的支護作用。在初支結構完成后，破壞單元基本消失。綜上，模型的變形、變形速率、最大主應力、張拉剪切破壞區情況均與現場實際相符。定量復核隧道在開采過程中會因為產生的位移量過大而導致失穩。模擬中每次開挖選取的計算步長為200步/每開挖，通過對模擬過程中隧道頂板、上臺階兩側、中臺階兩側下臺階布置監測點，進行模擬監測，開挖推進完成一個周期后監測結果見圖10。圖10模擬監測結果將模擬監測值與實際監測值對比，見圖11。圖11DK1019+347斷面初支變形情況對比圖根據圖表，選取斷面的初支變形模擬計算值與實測值變化趨勢趨同，數據差值小于10%，說明本模型的邊界條件、土體參數、結構參數與工程的實際條件比較符合，通過變化頂部荷載，可以模擬覆土厚度變化，通過模型調整，可以模擬不同臺階及仰拱步距參數、支護數量等，根據地勘資料和施工方案設計，模擬不同區段的隧道施工情況，并可以結合實測數據，不斷修正模型，預測不同區段的隧道變形。其中，利用頂部荷載代替部分覆土厚度，可以簡化模型計算流程，滿足現場指導施工的時效性要求。這種做法會影響到模擬結果，并不同于真實土層厚度的情況，但對隧道支護結構和3倍洞徑范圍內地層變形，影響十分微小，經建模計算驗證，120m覆土厚度的情況下，利用頂部荷載代替部分覆土厚度，產生的變形差異，小于3%（模型覆土厚度為39m，隧道85%區段實際覆土厚度為41~65m,15%區段實際覆土厚度為65~127m）。應用與效益4.1現場應用根據古城嶺隧道的地勘資料和施組設計，結合開挖揭示地層和監測數據，對基本模型的地質參數（本模型中變化不大）、覆土厚度、支護參數（如臺階長度、仰拱步距、超前和鎖腳數量等）不斷調整，從而預測下一階段的隧道初支變形量。之后，根據預測變形量，結合現場實際情況，儲備一定的計算誤差，擬定優化后的預留變形量，同時加強超前地質預報和監測工作，針對可能出現的特殊情況，及時做好應急準備，確保隧道安全。古城嶺隧道全程的預留變形量優化情況見表4。表4預留變形量優化結果注：在局部富水和涌水區段，由于黃土具有濕陷性特征，其變形具有很大的不確定性，故未進行計算預測，現場根據四方及專家會議意見，放大預留變形量，以監控量測數據為指導進行動態優化里程圍巖級別地質情況區段長度/m設計預留變形/mm模擬變形/mm優化預留變形/mm備注實測最大累計變形/mm拱頂收斂DK1012+435~DK1012+570V新黃土、粉質黃土13525060~952007239洞口段DK1012+570~DK1016+750IV新黃土、粉質黃土、砂質黃土418020040~501004227DK1016+750~DK1019+300V新黃土、粉質黃土255025060~801007442DK1019+300~DK1019+379IV新黃土、粉質黃土7920030~801008257DK1019+379~DK1019+662IV新黃土、砂夾礫石283200一250216162富水段DK1019+662~DK1019+982V砂質黃土、礫石、卵石320200—500401179涌水段DK1019+982-DK1020+225IV新黃土、粉質黃土24320040~701005852DK1020+225-DK1020+360IV新黃土、砂質黃土135200一25023293富水段DK1020+360-DK1022+700IV粉質黃土、砂質黃土234020040~601004532DK1022+700~DK1022+800V粉質黃土、砂質黃土10025070~902007347洞口段效益分析古城嶺隧道為近似圓形，其初支結構斷面直徑為14.2m，通過數值模擬優化，實際預留變形量大為減少，可以節約的開挖凈空量見表5。表5節約方量計算注：此統計不含富水段和涌水段里程區段長度/m斷面直徑/m設計預留變形/mm實際預留變形/mm節約方量/m3DK1012+435~DK1012+57013514.2250200153DK1012+570~DK1016+750418014.22001009417DK1016+750~DK1019+300255014.22501008633DK1019+300-DK1019+3797914.2200100178DK1019+982-DK1020+22524314.2200100547DK1020+360~DK1022+700234014.22001005272DK1022+700~DK1022+80010014.2250200113總計24313預留變形量優化后，主要可以減少開挖出渣量和二襯混凝土用量。由于本工程地處山區，隧道斜井坡度大，施工便道曲折，路況差、坡度陡，運輸風險高，故相關費用較高。其中，出渣費用約20元/m3（含油料、維修、人工），混凝土費用約350元/m3（原料運輸遠、砂石料稀缺）?？晒澕s費用總計：結語古城嶺隧道全線以新黃土、粉質黃土、砂質黃土為主，地層均一性較好，數值模擬的預測準確性較高，其變形預測具有良好的參考和指導價值。（1） 利用FLAC-3D中的摩爾-庫倫模型，可以較好的模擬黃土隧道（含水率低于15%）的施工情況，其地層變形、應力分布和塑性區分布等特征和變化趨勢，與現場施工十分吻合。（2） 在基本數值模型建立完畢并經復核后，以地勘和設計資料為依據，結合開挖和監測，不斷調整模型參數，其模擬計算變形與