铁路营业线行车影响下新建黄土隧道施工的力学特征及受力变形机制研究

铁路营业线行车影响下新建黄土隧道施工的力学特征及受力变形机制研究

刘凤超 

中交一公局第八工程有限公司 天津市  300000

摘 要：在临近既有铁路线新建隧道施工时，铁路营业线行车振动会导致新建隧道围岩力学性质变化，受力变形机制改变影响施工安全。本文针对临近既有铁路营业线新建黄土隧道施工期围岩振动变形问题，通过拟定三维数值计算条件，设定了围岩稳定性分析指标FAI，通过计算结果得到临近既有线施工期新建隧道的围岩力学特征，最终对受力变形机制进行分析，为隧道施工安全提供数据支撑，从而确保新建隧道施工安全稳定。

关键词：黄土隧道；围岩稳定性分析指标；力学特征；受力变形机制

0 引言

针对营业线行车振动下新建黄土隧道围岩的受力特性，国内外开展了大量的研究，现有研究针对行车振动特性、黄土力学特性以及振动荷载对隧道围岩结构受力的影响等方面进行分析，为保障新建隧道施工安全提供了基础。然而，新建黄土隧道临近既有铁路营业线时，行车振动对新建隧道的施工安全性影响，现有研究对此还很少涉及。

新建山西兴鹤铁路新建隧道工程位于两条铁路运营线中间，隧道洞口端与两侧隧道近接，营业线行车对新建隧道施工安全影响较大。隧道建设中，施工工法的合理选取是确保其快速安全施工的关键前提。本文以台阶法施工为例，对临近铁路营业线不同间距下新建隧道施工的力学特征及受力变形机制研究。

1 工程概况

新建隧道位于吕梁山西坡黄土梁茆区，全长367m。新建隧道进口端紧邻既有线隧道，洞门最小横净距为1.1m。隧道采用拟采用台阶法施工。

图1平面位置关系图

2 三维数值计算条件

本次计算模拟了台阶法施工，考虑了6中不同工况，综合考虑洞体埋深、隧道净距及安全步距等因素，具体工况如下表所示。

表1 台阶法施工计算工况

同时，为模拟现场施工情况，数值模型建立考虑了初期支护、二次衬砌，数值计算采用围岩受力应变硬-软力学模型，依据工程地勘报告、土工试验结果和施工经验来进行综合取定。计算时土体采用M-C准则，隧道模型边墙和拱地设定为法向约束，拱顶设定为自由边界，考虑自重应力。模拟参照台阶法仰拱一循环施工长度。

表2 新建隧道计算参数

选取开挖过程中围岩变形最不利截面为分析对象，结果分析主要针对已开挖的洞壁位置，而不考虑待开挖台阶部位的受力情况，通过分析台阶法施工下最不利截面洞壁围岩的位移、最大拉应力、最大压应力与破坏接近度（FAI）等计算结果，以此评价台阶法施工下围岩的力学特征。

4  围岩稳定性分析指标-FAI

隧道洞身开挖时，洞身围岩的受力变形与破坏时动态变化的。对围岩变形与破坏开展研究前，将建立一个隧道围岩稳定性分析指标，命名为FAI。

在整个应力空间内，当以应力分量作为变量作为分析对象时，则应力屈服面为六维应力空间内的超曲面。当以主应力分量表示时，则为主应力空间内一个曲面，称为屈服曲面。初始屈服面或后继屈服面将应力空间分成两个部分，应力点在屈服面内属弹性状态，此时屈服函数；在屈服面上，材料开始屈服，。在分析主应力空间内，初始屈服面与未屈服应力点的相互关系分析的基础上提出了屈服接近度(YAI)的新概念，可广义的表述为：描述一点的现时状态与相对最安全状态的参量的比，。相对于某一强度理论则可以定义为：空间应力状态下的一点沿最不利应力路径到屈服面的距离与相应的最稳定参考点在相同罗德角方向上沿最不利应力路径到屈服面的距离之比。由此可以看出，屈服接近度YAI的值域为[0，1]，在时，应力点在屈服面上，发生屈服，在时，应力点在等倾线上，处于相对最安全状态。

另外，由于材料强度弱化的根本机制是其力学性质的恶化，在塑性力学中，塑性剪应变唯象地描述了这种恶化（即损伤）。通过塑性剪应变来定义一个评价材料变形破坏过程中损伤程度的指标，称之为破坏度（FD）：

                              （4.1）

式中：为塑性剪应变，，塑性偏应变；为材料的极限塑性剪应变，但目前还没有规范给出的针对不同岩石的破坏判据的参考值。

为了分析方便，令屈服接近度的相补参量，称其为危险系数。于是，我们定义一个新的参量，称为破坏接近度，即

               （4.2）

式（4.2）表示，在初始屈服之前，以表示应力状态的危险性，可随加卸载状况变化；在初始屈服后，以()来表示材料的损伤程度，不反映加卸载情况。

5 力学特征

本次计算考虑了隧道不同横净距和洞体埋深等因素，研究各个因素在台阶法施工时对隧道围岩受力变形的影响。隧道采用新奥法施工，设计为复合式衬砌，挖宽为11.6m，挖高11.1m，初期支护厚度0.25m，二次衬砌厚度0.5m。施工工序和三维数值模型如下图所示。

图2 施工工序和三维数值模型

选取模拟隧道施工时轴向围岩变形最大处为研究目标，通过分析最不利截面隧道洞身围岩的位移、应力应变及损伤率等计算结果，分析围岩的力学特征。

表3工法计算结果

6 受力变形机制分析

选取新建黄土隧道洞身围岩的位移max、压应力max以及损伤面积三个指标。受力变形机制分析仅考虑开挖完成的台阶洞身围岩，并拟定围岩损伤程度FAI＞0.8为限值。

图 3  围岩损伤面积（FAI>0.8）

综合研究证明，在临近铁路营业线采用台阶法施工新建黄土隧道围岩的受力变形机制包括了有以下规律：

（1）洞身埋深h越大和隧道间距w变小时，隧道洞身围岩变形变大。

（2）隧道洞身的压应力与隧道埋深h、间距w想关。经研究证明采用台阶法施工优于其他功法。

（3）掌子面附近围岩的损伤面积与隧道埋深h正相关。

（4）由上可知，洞身埋深越大和横净距越小时，围岩力学特性的变化越明显；反之，变化较小。因此，洞身埋深越大和横净距较小时，施工功法选取应首先考虑围岩的力学特性，然后兼顾施工成本；而洞身埋深较浅和横净距较大时，在采取必要的安全防护措施下，施工工法的选取可侧重于施工进度、成本。

[1] 王鑫, 韩煊, 周宏磊. 黄土地区地铁行车荷载作用下地表响应的数值计算研究[J]. 现代隧道技术, 2014, 51(3)。

[2] 潘昌实, G.N. Pande. 黄土隧道列车动荷载响应有限元初步数定分析研究[J]. 土木工程学报, 1984, 17(4)。