基于FLAC3D的山区铁路隧道施工阶段分析

李华快

摘要：文章基于有限差分软件FLAC3D，建立在上下台阶法施工工况下的IV级围岩隧道在各个施工阶段中的有限元模型，分析隧道变形受力特点。研究结果显示：隧道竖向位移呈现先增大后趋于稳定的特点，应力z方向呈现拱底无明显变化而拱顶变化较大的情况，增大29%，而x方向应力则与z方向应力结果相反，呈现拱顶变化不大而拱底明显降低，减小了19%。对于这种现象，提出了相应的处理措施，为类似工程施工提供参考。

关键词：隧道工程;施工阶段;拱顶沉降;拱底隆起

中图分类号：U459.1文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.042

文章编号1673-4874（2021）01-0155-03

0引言

我國铁路建设呈现起步较晚但发展速度较快的特点，截至2019年年底，我国运营铁路隧道16084座，总里程达到13.9万km。在隧道建设过程中，存在很多问题，许多专家学者进行了相关的研究[1-3]。黄海斌[4]等对双线公路隧道下穿铁路隧道的施工工法理论进行了研究，通过运用有限元摩尔库伦原理建立CD法、CRD法和双侧壁导坑法三种工法的下穿模型，分析隧道不同部位的稳定性和沉降，得出双侧壁导坑法对下穿铁路隧道的影响最小的结论。孙毅[5]等对高速铁路隧道二次衬砌的变形特性和极限承载能力进行了系统分析，得出在临界破坏状态下，隧道不同部位塑性区的分布范围受侧压力系数的影响较大，随着侧压力系数的增大，洞形由扁平逐渐变为竖直，且当侧压力系数为1.4时，二衬的承载效果最好的结论。杨家松[5]对单线铁路隧道微台阶法一次开挖爆破的施工技术进行了优化研究，通过实际调研、理论分析得出在IV、V围岩条件下的新微台阶带仰拱一次开挖爆破技术，通过实际工程的应用，在实例工程管理常态化的同时还能提升标准化管理水平和工程进度，节约成本的结论。本文针对山区铁路隧道的地形地质特点，运用有限差分软件FLAC3D对隧道施工阶段的受力变形特点进行分析，为类似工程施工提供参考。

1工程概况

模型选取山区某隧道，由于山区特有地形地质、水文、气候条件复杂，对隧道施工的要求很高。该隧道围岩主要由二叠、三叠系长石、石英砂岩、泥岩、泥质砂岩及页岩组成，围岩偏破碎，地质条件较差，主要为IV级围岩。现场地下水变化较大，主要由地表降水补给，隧道埋深在15～200m。其中隧道初期支护采用C20混凝土，厚度为25cm，二衬采用C30混凝土，厚度为50cm。模型参数见下页表1。

2施工工法

由于隧道围岩岩体破碎，节理、裂隙发育，地质构造、断层分布复杂，在穿过软弱围岩时，为了保证施工、运营的安全及减少后期维修的成本，施工必须选取对围岩稳定性影响较小、初支二衬及仰拱能及时封闭且受力合理的工法，控制围岩的松弛变形，同时综合考虑工期的影响，本文采用台阶法模拟隧道模型的施工（见图1）。

3有限元模型的建立

有限元计算区域根据圣维南原理采用横向100m、竖向40m即计算边界为3～4倍洞径的隧道模型，围岩参数性质根据摩尔库伦强度准则确定，初支、二衬采用壳单元模拟，围岩、加固圈采用实体单元即四边形四节点网格模拟。有限元网格见图2。

4有限元分析结果

隧道施工顺序为开挖1→初期支护→开挖2→初期支护→二衬施工。通过各阶段的隧道受力变形结果，对铁路隧道的施工阶段状况进行分析。

4.1位移结果分析

根据位移云图（见图3～6），可知在隧道开挖前，隧道初始自重应力场是均匀的，开挖上台阶并施加初期支护后，隧道呈现拱顶沉降拱底隆起的特点。在下台阶施工及二衬施作完毕整个施工过程中，拱顶沉降值呈现先增大后趋于稳定的趋势，最大值达到2mm;仰拱隆起值呈现先增大后减小的趋势，最大值达到1.5mm。因此在施工过程中，应采取一定的临时加固措施，防止出现隧道围岩失稳坍塌事故，造成人员伤亡。

4.2应力分析

根据施工阶段应力云图（见图7～10），可以看出在隧道开挖上台阶时，隧洞z方向应力呈现拱顶较大拱底较小的趋势，而在下台阶施工完成仰拱封闭后，拱底应力变化不大，但是拱顶应力出现较大变化，增大了29%。对应竖向位移云图可知，大应力是由于开挖完成后隧道拱顶的较大位移使得拱顶应力场发生较大的变化。而对于x方向的应力，与z方向应力呈现相反的特点，开挖上台阶时，隧道拱顶应力较大而拱底较小，但当下台阶施工完仰拱封闭后，拱顶应力变化不大，拱底应力存在较大的下降趋势，减小了13%。对应位移结果，可知是因为在仰拱封闭及二衬施作后，隧道与支护结构形成整体承载，应力分布更均匀，受力更合理。

5处理措施

对于拱顶沉降的问题，可以采取洞外地表水引流及土体加固+洞内强支护+工法优化综合运用的方案减缓沉降速率。洞外措施主要通过地表截排水使土体免受地下水的渗流影响，影响土体的固结性，并注入10%的水泥土封闭流动面及流动裂隙，提升隧道上方土体整体稳定性;洞内强支护主要通过支设水平锚杆使拱墙与岩土体形成整体，同时对于沉降较大的位置施作临时仰拱及中隔墙，施工过程中做好保温措施，确保结构整体性;工法优化要求在隧道施工过程中，做到实时监测，动态施工，根据出现的实际情况制定合理的工法。

对于拱底隆起的问题，可以采用基角锚杆+刚柔层卸压的工法，同时做好疏排水及时封闭来控制隆起值。

6结语

通过对山区铁路隧道施工阶段的受力变形状况及隧道开挖过程中的位移及应力结果的分析，得出以下结论：

（1）在隧道开挖前，隧道初始自重应力场是均匀的，随着隧道开挖，拱顶沉降值呈现先增大后趋于稳定的特点，最大值达到2mm;仰拱隆起值呈现先增大后减小的趋势，最大值达到1.5mm。因此在施工过程中，应采取一定的临时加固措施，防止出现隧道围岩失稳坍塌事故，造成人员伤亡。随着隧道开挖，使隧洞z方向应力呈现拱顶较大拱底较小的趋势，拱底应力变化不大，但是拱顶应力增大了29%，而对于x方向的应力，与z方向应力呈现相反的特点，拱顶应力变化不大，拱底应力存在较大的下降趋势，减小了13%。

（2）对于拱顶沉降采用锚管、地表水引流、及时封闭及工法优化等措施;对于拱底隆起，采用基角锚杆+刚柔层卸压，同时做好疏排水及时封闭仰拱来解决。

参考文献

[1]JTGD70-2004，公路隧道设计规范[S].

[2]贾仁辉，隧道工程[M]，重庆：重庆大学出版社，2011.

[3]习仲伟.我国交通隧道工程及施工技术进展[J].北京工业大学学报，2005，31（2）：141-146.

[4]黄海斌，周平，陈鹏，等.双线公路隧道下穿铁路隧道不同施工工法理论研究[J].铁道标准设计，2016，60（11）：104-109.

[5]孙毅，张顶立，于富才，等.高速铁路隧道二次衬砌的变形特性与极限承载能力[J].中国铁道科学，2016，37（1）：60-70.

[6]杨家松.单线铁路隧道新微台阶带仰拱一次爆破开挖施工技术研究[J].隧道建设（中英文），2020（1）：83-89.