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了掌子面挤出变形的发展。④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。

关键词：单洞双线；高铁隧道；地层空间位移；三维数值模拟

1 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，对空间位移研究较少。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究，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

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60 m；以隧道线路方向为y轴，长140 m；以重力方向为z轴，长90 m；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74 580个单元和79 422个节点，如图3所示。

4 数值计算结果

EC=E0+■

（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所示。

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0.6 D，其次拱顶部位，塑性区半径约0.3 D，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了掌子面挤出变形的发展。

④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。