大断面黄土隧道预留变形量的动态优化

MA Zhaolin;WANG Yue

【摘 要】隧道在开挖施工过程中必定产生变形和净空收缩,应提前设置预留变形量,以保证支护结构厚度,并避免结构侵限.本文依托宝兰客专古城岭隧道的勘察设计资料、施工工艺和监测数据,利用ANSYS和FLAC-3D软件建立了符合工程实际的数值模型,并根据施工情况动态调整模型参数,预测了隧道不同区段的初支结构变形,偏差率小于10％,在此基础上对隧道的设计预留变形量进行优化,减少了2.43万m3的开挖量,节约出渣和混凝土材料费用约900万元,取得了良好的经济效益. 【期刊名称】《低温建筑技术》 【年(卷),期】2018(040)012 【总页数】6页(P121-125,137)

【关键词】大断面黄土隧道;预留变形量;数值模拟;变形预测 【作 者】MA Zhaolin;WANG Yue 【作者单位】; 【正文语种】中 文 【中图分类】TU43 0 引言

近年来，我国西北黄土高原地区进行了大量的铁路和公路建设，隧道的工程量稳步增加，经济投入巨大，工期安排紧张。其中，对隧道开挖引起的施工变形，应根据

地勘资料和设计情况进行估算，开挖时往往设置了过大的预留变形量，增加了工程量和混凝土材料的消耗。因此，对隧道变形进行更加准确的分析与计算，优化设计初步估算的预留变形量，具有十分现实的意义。

对于预留变形量的设置，多位学者进行了相关研究，孙国凯等[1]通过既有监测资料，总结了预留变形量的不足；赵东平等[2]通过统计分析实测变形，对某黄土隧道预留变形量提出了优化建议；冯志华等[3]通过变形和时空效应分析，确定了福建某公路隧道的合理预留变形量；曹海静等[4]通过对蒙华铁路座黄土隧道的现场实测变形进行统计分析，建议了黄土隧道的合理预留变形量;王鹏[5]通过监测数据分析了中下台阶开挖对预留变形量的影响；吴勇[6]等综合了监测数据和质量保证率的分析手段，提出香丽高速某隧道的预留变形量。以上研究侧重于监测数据和统计分析的方法，对于预留变形量的估算存在较大误差，取值往往偏于保守。 随着数值模拟软件的不断发展，亦有学者将其应用于隧道变形预测，杜鹏毅等[7]通过midas/GTS模拟分析了崤山隧道的变形规律，结合理论分析与工程经验对比确定预留变形量；王小军等[8]利用经验公式辅以数值模拟，对某TBM输水涵洞进行了预留变形量的设置；金美海等[9]利用ANSYS二维模拟，结合回归分析的手段，对小净距浅埋黄土偏压的孙家沟隧道，进行了预留变形量研究，并给出了建议值；李自强[10]等利用FLAC-3D软件，对虹梯关硬岩隧道进行模拟，给出了预留变形量参考值；刘小伟等[11]采用理论计算+数值模拟的方法，预估了引洮工程红层软岩隧洞的预留变形量。以上研究往往只研究少数特定截面条件，建模为短距离的横截面切片，在施工开始之前给出了隧道全线的预留变形量参考值，仍有较大的优化余地。

本文以宝兰客专14标古城岭隧道为背景工程，根据其水文地质、隧道结构、施工工艺和监测数据，建立了符合实际的数值模型，紧密结合现场实际，对隧道前方每一区段的变形量都进行了预测，具有很强的准确性和实时调整性，最大限度的对预

留变形量进行区段细化，节约了大量土方开挖，产生了巨大的经济效益。 1 工程概况

新建铁路宝鸡～兰州客运专线站前工程BLTJ-14标段位于甘肃省兰州市榆中县境内，起讫里程为：DK1012+435.5～DK1028+332，全长15.7km。工程地理位置见图1。

站前工程主要有隧道2座15817.4m，桥梁1座99m，无砟轨道31.8km。其中古城岭隧道103.6m和兰山隧道52.8m为重点工程。 图1 工程地理位置图

工程地质情况：①标段地处陇西黄土高原西北部，沿线地形起伏较大，位于黄土高原梁峁、沟壑纵横区。洞身主要为冲积砂质黄土局部夹砂岩及砾岩，局部为碎石类土。均为Ⅳ、Ⅴ级围岩；②标段线路经过的地区地表水主要为沟谷内季节性流水及灌溉用水，枯水期几乎断流，水量不大。未见地下水发育；③标段不良地质主要为黄土陷穴，主要分布于陡坎处，特殊岩土主要为湿陷性黄土、松软土及膨胀土，湿陷土层20～30m，砂（黄）质黄土属松软土，层厚5～15m。

宝兰客专古城岭隧道的正洞采用七步三台阶法法施工，为单洞双线大断面隧道。其断面情况见图2。

图2 隧道正洞衬砌断面图（单位：cm） 2 动态优化流程

根据设计，其规定的预留变形量为200～250mm，而在前期实际施工过程中的初支结构变形往往在100mm以内，故应对预留变形量进行合理优化，可以减少土方开挖量和混凝土材料用量，加快工期，节约成本。

利用数值模拟软件，结合地勘资料和现场实测数据，对初支结构的预留变形量进行优化，流程如下： 图3 动态优化流程图

3 建模与复核 3.1 建立模型

利用ANSYS建立三维隧道模型，导入FLAC-3D进行模拟计算分析。建模范围选在轴向（y方向）取80m，横向（x方向）取100m，上覆土体厚度取50m，下部土层取50m。采用七步三台阶法开挖，按施工方案，每榀拱架设置超前小导管支护和锁脚锚管。

因模型过大，应做适当合理的简化计算，其中，超前小导管和锁脚锚管均按锚杆单元计算；初支层的钢架和喷射混凝土厚度较小，按壳单元计算；工程全长基本没有遭遇地下水，所以模型未涉及渗流计算，未设置防水层，在初支壳结构和二衬之间设置了接触面单元（其力学参数取围岩参数的1/2），确保其可以相对滑动，符合复合式衬砌初支和二衬间不传递剪力的实际情况。

计算采用的土体、二衬及仰拱的数值模拟为实体单元，本构关系选取的为摩尔-库伦准则，围岩土体参数依据地勘和设计资料，结合现场实测修正；混凝土材料参数参考前人学者研究，确定参数范围后，结合现场实际进行调整；其它单元参考前人学者研究设置。各单元参数经初步设置计算后，算值收敛，规律符合实际，计算结果最主要的影响因素为“主体单元力学参数”，其中：

（1）隧道地勘探孔数量充足，开挖地层情况相对简单基本为新黄土、粉质黄土和砂质黄土，各土层性质差异较小，取各探孔资料平均值，后续基本无调整。 （2）混凝土单元参数在范围内取值变化，对计算结果的变形规律基本没有影响，变形量也与现场实测基本相符，在“定量复核”时，根据试验断面的实测变形，在取值范围内对混凝土单元强度进行调整，使模型计算的变形值与实测变形值相符。 （3）其它单元影响很小，未作调整。资料显示最终取值见表1。

表1 模型主体单元基本力学参数主体单元内聚力/MPa围岩 2000 0.2 0.30 0.17 0.77 26 0.56二衬 2500 28 0.25 18.6 11.2 40 1.2仰拱 2500 28 0.25 18.6 11.2

40 1.2密度/（kg·m-3）弹性模量/GPa泊松比ν体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦角/（°）

锚杆单元采用的是FLAC3D软件中自带的Cable单元进行模拟分析，分析参数见表2。

表2 锚杆单元力学参数抗拉强度/MPa锚杆4.906e-4 28GPa 0.25 53 60 32 2.43描述横截面积/m2弹性模量/GPa泊松比v水泥浆刚度/MPa水泥浆粘结力/kPa水泥浆摩擦角/（°）

初衬采用的shell单元，对于shell单元的的本构关系，采用的弹性的本构关系。见表3。

表3 衬砌力学参数岩性描述抗拉强度/MPa衬砌 2500 28 0.25 18.6 11.2 1.78密度/（kg·m-3）量/GPa泊松比v体积模量/GPa弹性模 剪切模量/GPa 图4 模型示意图 3.2 模型计算复核 3.2.1 定性复核

在基本模型建立完毕后，根据工程实际，从围岩条件、工法工艺、监测数据等方面考虑，选取了能工程初期具有代表性的DK1019+347断面，其仰拱步距为22m，围岩级别均为Ⅴ级，覆土厚度均为90m左右，按工法方案，模拟从开挖至二衬施作全周期过程，得到了初支结构的受力变形情况与数值模拟计算结果见图5～图9。 图5 位移场云图（单位：m） 图6 竖向位移云图（单位：m） 图7 速度场云图（单位：m/step） 图8 最大主应力云图（单位：Pa）

图9 张拉与剪切塑性区示意图（本图各色块表示单元塑性状态，无单位，none--无塑性变形，shear--剪切塑性变形，tension--拉伸塑性变形，n--现在发生，p--

之前发生） 根据模拟结果：

（1）如图5和图6所示，隧道围岩土体最大位移变形发生在拱顶部位（下沉）和底部（隆起），均达到50mm，紧贴初支结构的围岩变形稍小，约40mm，水平收敛变形介于30～40mm，二衬结构基本无变形。

（2）如图7所示，围岩土体的快速变形，主要发生在开挖台阶区域，待下台阶开挖支护完毕，速率明显降低，仰拱施作完毕，初支结构闭合成环后，变形趋于稳定。 （3）如图8所示，最大主应力最大值位于模型的底部，在台阶区域因开挖应力释放，临空面处最小主应力接近于零。因开挖扰动的在隧道开挖断面上也存在一定较大的最大主应力集中区，但是在衬砌支护后，最大主应力集中区消失。

（4）如图9所示，张拉破坏和剪切破坏区域主要出现在隧道开挖断面周围以及开挖过程中的台阶上，隧道的破坏区随着隧道开挖深度的增加，以表层拉破坏为主，顶板的塑性区范围明显较小，说明超前小导管和锁脚锚杆对隧道周围土体起到了良好的支护作用。在初支结构完成后，破坏单元基本消失。

综上，模型的变形、变形速率、最大主应力、张拉剪切破坏区情况均与现场实际相符。

3.2.2 定量复核

隧道在开采过程中会因为产生的位移量过大而导致失稳。模拟中每次开挖选取的计算步长为200步/每开挖，通过对模拟过程中隧道顶板、上台阶两侧、中台阶两侧、下台阶布置监测点，进行模拟监测，开挖推进完成一个周期后监测结果见图10。 图10 模拟监测结果

将模拟监测值与实际监测值对比，见图11。 图11 DK1019+347断面初支变形情况对比图

根据图表，选取断面的初支变形模拟计算值与实测值变化趋势趋同，数据差值小于

10%，说明本模型的边界条件、土体参数、结构参数与工程的实际条件比较符合，通过变化顶部荷载，可以模拟覆土厚度变化，通过模型调整，可以模拟不同台阶及仰拱步距参数、支护数量等，根据地勘资料和施工方案设计，模拟不同区段的隧道施工情况，并可以结合实测数据，不断修正模型，预测不同区段的隧道变形。 其中，利用顶部荷载代替部分覆土厚度，可以简化模型计算流程，满足现场指导施工的时效性要求。这种做法会影响到模拟结果，并不同于真实土层厚度的情况，但对隧道支护结构和3倍洞径范围内地层变形，影响十分微小，经建模计算验证，120m覆土厚度的情况下，利用顶部荷载代替部分覆土厚度，产生的变形差异，小于3%（模型覆土厚度为39m，隧道85%区段实际覆土厚度为41～65m，15%区段实际覆土厚度为65～127m）。 4 应用与效益 4.1 现场应用

根据古城岭隧道的地勘资料和施组设计，结合开挖揭示地层和监测数据，对基本模型的地质参数（本模型中变化不大）、覆土厚度、支护参数（如台阶长度、仰拱步距、超前和锁脚数量等）不断调整，从而预测下一阶段的隧道初支变形量。之后，根据预测变形量，结合现场实际情况，储备一定的计算误差，拟定优化后的预留变形量，同时加强超前地质预报和监测工作，针对可能出现的特殊情况，及时做好应急准备，确保隧道安全。古城岭隧道全程的预留变形量优化情况见表4。

表4 预留变形量优化结果注：在局部富水和涌水区段，由于黄土具有湿陷性特征，其变形具有很大的不确定性，故未进行计算预测，现场根据四方及专家会议意见，放大预留变形量，以监控量测数据为指导进行动态优化里程 围岩级别 地质情况 区段长度/m设计预留变形/mm模拟变形/mm优化预留变形/mm 备注实测最大累计变形/mm拱顶 收敛DK1012+435～DK1012+570 Ⅴ 新黄土、粉质黄土 135 250 60～95 200 72 39 洞口段DK1012+570～DK1016+750 Ⅳ 新黄土、粉质

黄土、砂质黄土 4180 200 40～50 100 42 27 DK1016+750～DK1019+300 Ⅴ 新黄土、粉质黄土 2550 250 60～80 100 74 42 DK1019+300～DK1019+379 Ⅳ 新黄土、粉质黄土 79 200 30～80 100 82 57 DK1019+379～DK1019+662 Ⅳ 新黄土、砂夹砾石 283 200 — 250 216 162 富水段DK1019+662～DK1019+982 Ⅳ 砂质黄土、砾石、卵石 320 200 — 500 401 179 涌水段DK1019+982～DK1020+225 Ⅳ 新黄土、粉质黄土 243 200 40～70 100 58 52 DK1020+225～DK1020+360 Ⅳ 新黄土、砂质黄土 135 200 — 250 232 93 富水段DK1020+360～DK1022+700 Ⅳ 粉质黄土、砂质黄土 2340 200 40～60 100 45 32 DK1022+700～DK1022+800 Ⅴ 粉质黄土、砂质黄土 100 250 70～90 200 73 47 洞口段 4.2 效益分析

古城岭隧道为近似圆形，其初支结构断面直径为14.2m，通过数值模拟优化，实际预留变形量大为减少，可以节约的开挖净空量见表5。

表5 节约方量计算注：此统计不含富水段和涌水段里程 区段长度/m 断面直径/m 设计预留变形/mm 实际预留变形/mm 节约方量/m3 DK1012+435～

DK1012+570 135 14.2 250 200 153 DK1012+570～DK1016+750 4180 14.2 200 100 9417 DK1016+750～DK1019+300 2550 14.2 250 100 8633 DK1019+300～DK1019+379 79 14.2 200 100 178 DK1019+982～

DK1020+225 243 14.2 200 100 7 DK1020+360～DK1022+700 2340 14.2 200 100 5272 DK1022+700～DK1022+800 100 14.2 250 200 113总计 24313

预留变形量优化后，主要可以减少开挖出渣量和二衬混凝土用量。由于本工程地处山区，隧道斜井坡度大，施工便道曲折，路况差、坡度陡，运输风险高，故相关费用较高。其中，出渣费用约20元/m3（含油料、维修、人工），混凝土费用约

350元/m3（原料运输远、砂石料稀缺）。 可节约费用总计： 5 结语

古城岭隧道全线以新黄土、粉质黄土、砂质黄土为主，地层均一性较好，数值模拟的预测准确性较高，其变形预测具有良好的参考和指导价值。

（1）利用FLAC-3D中的摩尔-库伦模型，可以较好的模拟黄土隧道（含水率低于15%）的施工情况，其地层变形、应力分布和塑性区分布等特征和变化趋势，与现场施工十分吻合。

（2）在基本数值模型建立完毕并经复核后，以地勘和设计资料为依据，结合开挖和监测，不断调整模型参数，其模拟计算变形与现场实测值的误差在10%以内。 （3）数值模拟的预测结果，为预留变形量的优化提供了依据，节约了开挖方量约2.43m3，大大减少了出渣和混凝土费用，在本工程中产生了约900万元的经济效益。 参考文献

【相关文献】

[1] 孙国凯，等.公路隧道软弱围岩预留变形量的研究[J].公路，2016（2）：213-218.

[2] 赵东平，等.大断面黄土隧道变形规律及预留变形量研究.现代隧道技术[J]，2009（6）：-69. [3] 冯志华，等.考虑时空效应的浅埋软弱隧道预留变形量确定方法[J].公路，2018（1）：2-261. [4] 曹海静，等.铁路黄土隧道施工变形规律及预留变形量研究[J].铁路标准设计，2018（3）：85-.

[5] 王鹏.台阶法施工中下台阶开挖对预留变形量的影响[J].地下空间与工程学报，2010，6（5）：1077-1081.

[6] 吴勇.香丽高速某破碎围岩隧道预留变形量研究[J].桥隧工程，2018（6）：176-178.

[7] 杜鹏毅.崤山隧道软弱围岩台阶法施工预留变形量预测原理及变形控制技术[J].隧道建设，2018（38）：148-155.

[8] 王小军.输水隧洞TBM开挖段围岩预留变形量确定方法[J].水利工程与科学技术，2017（1）：67-69.

[9] 金美海，等.不同坡度偏压黄土隧道预留变形量的研究[J].现代隧道技术，2017（1）：130-137. [10] 李自强，等.基于有限元分析的隧道预留变形量设置研究[J].公路隧道，2015（1）：25-28. [11] 刘小伟.引洮工程红层软岩隧洞TBM施工预留变形量分析[J].地下空间与工程学报，2010（6）：1207-1213.