浅埋暗挖大断面黄土地铁隧道荷载作用特征的分析

浅埋暗挖大断面黄土地铁隧道荷载作用特征的分析

戴克程

中交路桥南方工程有限公司北京市101100

摘要：我国广大西北地区具有众多浅埋暗挖大断面黄土。在这些地区开展地铁隧道建设具有较大难度。本文主要以西安某地铁实体工程为依据，就浅埋暗挖大断面黄土地铁隧道特征、荷载作用特征现场测试分析、荷载作用特征数值分析等内容进行论述，提升地铁隧道工程应用质量和水平。

关键词：大断面黄土；地铁隧道；荷载作用特征

引言：

开展地铁区间隧道工程时较为常用方法是浅埋暗挖法、盾构法。其中，浅埋暗挖法主要应用新奥法原理，依据城市土质特征、充分考虑地铁隧道工程成本和经济效益，在具有特殊地质条件和环境下提升铁道隧道工程设计质量，降低对周边环境破坏程度，不对周边交通造成较大影响，实现良好经济效益和社会价值。

一、浅埋暗挖大断面黄土地铁隧道特征

（一）浅埋暗挖法

浅埋暗挖法主要应用在地质条件、地下水条件非常复杂地区，可以在多种断面形式与断面尺寸等环境下开展地铁隧道工程开挖、辅助式施工，有效控制地铁隧道工程施工过程中出现的地表裂缝和沉降问题。浅埋暗挖法与盾构法相比较，具有应用灵活方便、不需要太多专业化设备设施、可以在各种断面和各种跨度地质中应用的优势，降低了应用成本。

例如在西安地铁三号线某段实体工程施工过程中，专业化人员可以严格依照《铁路隧道设计规范》计算出黄土深浅分界值为37.44米。而从现场测量结果进行分析，当黄土隧道埋深超过60米的情况下不会出现地表裂缝问题。因此，需要建议专业化人员在新老黄土极浅埋藏分界取值为30米，深度埋藏分界取值为60米。

（二）断面黄土地铁隧道特征

1.隧道断面等级

断面黄土地铁隧道依据横断面积不同，可以分为五个层面。第一，横断面积小于3平方米为极小断面。第二，横断面积在3到10平方米之间的为小断面。第三，横断面积保持在10到50平方米之间为中等断面。第四，横断面积在50到100之间为大断面。第五，当横断面积大于100平方米为特大断面。

2.断面黄土地铁隧道特征

断面黄土地铁隧道具有埋深浅、断面大、地质条件差、周边环境复杂、风险管理难度大等特征。在此特征下需要专业化人员充分协调好各个方面工作、应用高质量施工材料，保障施工质量和水平[1]。

二、荷载作用特征现场测试分析

（一）测试目的与实施方案

开展现场测试主要目的是：有效掌握围岩和支护受力操作，对土质动态信息及时反馈，并且对设计施工情况进行有效判断、进行适当修改。为更好研究荷载作用特征现场测试，需要建立起更加科学合理的隧道设计流程、施工方法。

测试实施方案为：专业化人员应用钢弦式测试元件，提升测试质量和水平。这种测试元件应用内部的一根钢筋，使钢筋振动频率、元件受力大小之间具有良好函数关系，然后发挥出频率仪作用开展钢弦振动频率测试，最终用一定公式来计算出转换后钢弦振动元件测试受力。

在整个现场测试过程中，需要保障各个测试元件埋设质量，使测试数据信息具有精确可靠效果。具体来讲，第一，压力盒。专业测试人员需要保证压力盒接触平稳紧密，主要承压面可以充分发生变形挠曲，防止滑移问题出现，不会损伤到引线、压力盒使用。比如：专业化人员在完成格栅拱架架立、导洞开挖后，需要将埋设位置深挖2到3厘米，形成一个园坑，将压力盒放置其中，填满新开挖黄土。对压力盒施加压力，使其频率值增加到5到8个赫兹。开展二次衬砌，贴紧防水层，进行混凝土浇筑。第二，钢筋计。专业人员严格依照钢筋应力传感器长度截断一段格栅主筋，应用帮焊方式将钢筋计焊接上去。在整个焊接过程中，不要保持探头温度稳定，应用流水冷却方式进行钢筋计降温。在钢筋计安装过程中，需要保持钢筋计处于不受力状态中，保持元件应用读数准确。第三，表面应变计。在主要测试点位置表面应用应变计，可以有效将支座、原件分开，使支座安装、焊接定位磨具在一起开展焊接，在一个轴线上确保两个固定端板稳定，保持应变计标距一致。而混凝土应变计需要绑扎在既定部位二衬内侧环向钢筋上，尽量使混凝土应变计、二衬外侧表面切线平行。第四，加强引线保护。需要传感器在每一个施工步骤安装完成完毕后开展导线保护，为下一步工作打好基础。比如：需要有关方面人员将各个开挖部分测点测试的元件引线在各个部门开挖边角处汇集，并且在旁边初支钢筋网木盒里面固定。所有引线铺设工作需要得当，不可发生拉断、压断等问题。最终，有关人员需要应用防水布或者是其它纺工织物等有效堵住箱子开口处，在整个混凝土喷射过程中更好开展导线保护。

（二）测试结果分析

专业化人员应用高质量仪器测试出三个测试断面最大应力均出现在墙脚与边墙，压力值为80.24kPa。大部分压力盒读数随着时间增长而不断增大，在之后增幅减小后趋于稳定[2]。

三、荷载作用特征数值分析

（一）数值模拟基本原理

西安具有典型的黄土地质特征，在这样的地区的隧道工程中开展支护、开挖工作需面临极为复杂的地质问题。随着网络信息技术进步，专业人员可以应用有限元数值方法模拟隧道围岩非线性或者是线性开挖，保持围岩整体稳定，更好开展隧道支护评价。具体来讲，第一，有限元分析流程为：决定分析项目几何结构、外力获得材料性质、边界条件等，建立起有限元模型进行有效数据信息有效加载求解，输出分析结果，并且判断结果是否合理。在结果不合理情况下需要进行结果改进，使荷载作用获得最佳。第二，应用大型有限元软件ANSYS开展浅埋暗挖大断面黄土地铁隧道工程施工力学数值模拟，即开展初始地点应力模拟、支护结构与围岩开挖模拟、连续施工方式模拟等，提升每一道工序计算求解准确性。

（二）计算模型与参数

1.计算假定

假定所有材料均为各向、连续、均质同性。隧道工程围岩材料力学特性需要遵照D-P屈服准则，使变形和受力在弹性范围内变化。同时，不需要考虑隧道变形、受力、开挖空间效应、仅考虑围岩自重应力。

2.计算模型与参数选取

应用二维有限元计算方式，2D弹性梁单元Beam3模拟临时钢支撑、格栅拱架等。在整个二维实体单元中，应用平面单元Plane42开展围岩模拟、二次衬砌、混凝土初喷。专业化人员可以将围岩视为各自同性体，在计算过程中采用弹塑性德鲁克-普拉格（DP）屈服准则提升计算质量和水平。在整个计算中，边界约束条件为：在模型下边界施加Y方面约束，在两侧边界施加X方向约束。保持总地层高度为60米，向下需要提取3倍洞高，保持12米埋深，横向两端需要各提取38米3倍跨径。

（三）计算结果分析

对计算模拟导洞开挖支护后格栅拱架方式进行分析，整个格栅拱架整体轴力较小，其最大值为23.627kN、在拱肩部位出现。临时应用的竖撑受压明显，具有明显受弯特点。在右下导洞支护开挖中，在边墙部位出现了格栅拱架最大轴力，为28.228kN。在其余部位与导洞开挖时具有较大差别，在整个右下格栅拱架施工操作中可以有效降低应力释放，使部分开挖方式降低对围岩偏压，并且有效传递隧道上部围岩压力。经过有效计算，格栅拱架方式最大弯矩值出现在临时横撑、边墙、拱部结合位置，为106.379KN/m。左上导洞开挖支护对右上开挖支护方式影响较少，但是格栅拱架轴力与弯矩在数值上较上一个施工步骤有所增大。新开挖的洞室具有较小受力，在应用了高质量施工技术后可以降低外部因素影响，保持良好应用状态[3]。

结论：

综上所述，有效掌握围岩和支护受力操作，并且对土质动态信息及时反馈是开展现场测试重要内容。专业人员在完成格栅拱架架立、导洞开挖后，需要将埋设位置深挖2到3厘米，形成一个园坑，将压力盒放置其中。应用大型有限元软件ANSYS开展浅埋暗挖大断面黄土地铁隧道工程施工力学数值模拟，在计算过程中采用弹塑性德鲁克-普拉格（DP）屈服准则提升计算质量和水平。

参考文献

[1]罗世明.浅埋暗挖大断面黄土地铁隧道荷载作用特征研究[D].长安大学，2014.

[2]来弘鹏，郑甲佳，谢永利.黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征研究[J].铁道学报，2012，03：99-104.

[3]贺农农，李攀，邵生俊，李佳坤，焦阳阳.西安地铁隧道穿越饱和软黄土地段的地表沉降监测[J].地球科学与环境学报，2012，01：96-103.