单洞双线高铁标准隧道空间位移预测分析

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1、单洞双线高铁标准隧道空间位移预测分析摘要：以郑西客运专线单洞双线高铁隧道为工程背景，采用三维数值模拟对高铁隧道地层空间位移进行分析；结果表明：①受地层条件、开挖步序和掌子面空间效应的影响，隧道洞周地层空间位移表现出显著地阶段性：先期位移；位移急剧增大；位移基本稳定或无限接近于某固定的位移值。②在黄土地层中的隧道开挖，初期支护应及时支护、及早封闭成环，对控制洞周地层空间位移的发展效果明显。③无支护条件下，掌子面挤出变形的量值和速率均有较大幅度增长；初期支护应及时支护、及早封闭成环有效控制仰拱部位塑性区半径均较大，这主要是由于客运专线几何断面形式决定的，仰拱部位

2、曲率较大。了掌子面挤出变形的发④不同工况条件下，隧道关键词：单洞双线；尚铁隧道；地层空间位移；三维数值模拟中图分类号：TU443文献标识码：A文章编号:1006-8937(2015)08-0060-031概况隧道开挖破坏了地层原有的应力平衡状态，引发洞周地层产生变形。对已建成铁路隧道地层变形实测数据进行分析，结果表明：在隧道横剖面上地表沉降近似服从正态分布，位移最大值隧道中线上方；沿隧道纵向地表沉降反应掌子面空间效应，即随着掌子面向前推进，掌子面抢房一定范围内土体产生空间位移，如图1所示。目前对于铁路隧道地层变形主要集中在拱顶沉降与水平收敛，对空间位移研宄较

3、少。扈世民对大断面黄土隧道空间位移进行数值分析与现场实测，得到了一些有益的结论。选取郑西客运专线标准高铁单洞双线隧道为工程背景，如图2所示，采用三维有限元计算对隧道的空间位移发展规律进行研宄，为类似工程提供借鉴与参考。2地层空间位移产生机理随着隧道掌子面向前推进，洞周地层位移响应表现为不同阶段，洞周地层产生机理可概括为：①地层损失位移。②土体固结产生位移。③土体次固结或蠕变产生位移，见表1。3数值计算模型分析选取郑西客运客运专线某黄土隧道为工程背景，隧道穿越黄土台塬地区，地下水补给不充分，根据勘察资料围岩级别确定为VI级。选取的实验段拱顶埋深为44〜92m，

4、根据《《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)»大于2.5倍塌落拱高度，故属于深埋隧道。采用有限元差分程序FLAC3D建立高铁隧道数值计算模型，黄土地层服从Mohr-Coulomb屈服准侧；为保证初期支护与二次衬砌结构安全，支护结构服从弹性屈服准则；假设黄土地层满足均匀、各向同性、水平层状分布；以隧道标准横剖面水平方向为X轴，长60m;以隧道线路方向为y轴，长140m;以重力方向为z轴，长90m;不考虑地下水和构造应力场作用。隧道计算模型采用位移边界条件，上表面为自由边界、左、右两侧约束水平方向位移、底部约束水平方向、竖直方向位移;为重点关注隧道洞周

5、位移响应，隧道洞周及加固圈范围网格局部加密；计算模型包括74580个单元和79422个节点，如图3所示。4数值计算结果根据地勘资料确定地层物理力学参数，隧道初期支护采用小6mm@150mmX150mm挂网喷射混凝土和型钢钢架联合支护样式，计算时采用等刚度原则将型钢拱架折算至喷射混凝土中，如式1所示。模型计:fjEC=EO+H(1)4.1地层空间位移分析隧道开挖过程中，伴随着每个步序开挖洞周地层均有不同应力释放，相应的产生一定位移。受地层条件、开挖步序和掌子面空间效应的影响，隧道洞周地层空间位移表现出显著的地阶段性：①先期位移。②位移急剧增大。③位移基本稳定或

6、无限接近于某固定的位移值。V级黄土地层条件下隧道空间位移曲线如图4所示，在无支护条件下，先期位移站空间位移总量值的24.4%;及时支护条件下先期位移站空间位移总量值的74.6%；可见在黄土地层中的隧道开挖，初期支护应及时支护、及早封闭成环，对控制洞周地层空间位移的发展效果明显。V级黄土地层条件下掌子面挤出变形位移曲线如图5所示，可得结论：当距隧道中心距离减小时，掌子面的挤出变形随之增大，呈负相关性。无支护条件下，掌子面挤出变形的量值和速率均有较大幅度增长;初期支护应及时支护、及早封闭成环有效控制了掌子面挤出变形的发展。V级地层无、有支护变形矢量图如图6与图7

7、所4.2地层扰动分析V级黄土地层条件下隧道开挖对洞周地层扰动范围分布如图8所示，在无支护条件下，隧道开挖对地层扰动范围约为2.5D，D为隧道开挖等效直径，沿隧道洞周分布较为均匀；及时支护条件下，隧道开挖对地层扰动范围大幅度较小，最大值位移仰拱处，塑性区半径约0.6D，其次拱顶部位，塑性区半径约0.3D，其他部位塑性区半径均较小。不同工况条件下，隧道仰拱部位塑性区半径均较大，这主要是由于客运专线几何断面形式决定的，仰拱部位曲率较大。5结语①受地层条件、开挖步序和掌子面空间效应的影响，隧道洞周地层空间位移表现出显著地阶段性：先期位移；位移急剧增大；位移基本稳定或

8、无限接近于某固定的位移值。②在黄土地层中的隧道开挖，