CN111946357A - 一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法，包括以下步骤：构建用于修筑双侧壁导坑隧道的土体模型；在土体模型的基础上指定隧道位置，生成隧道模型，并确定卸荷影响区范围；对模型进行网格划分；在土体模型内根据隧道结构模拟施工，开挖土体完成隧道施工；在土体开挖过程中实时监测隧道下部红黏土的受力变化；计算隧道开挖导致土体卸荷的红黏土卸荷膨胀率；分析隧道开挖过程中红黏土体卸荷膨胀对隧道结构及隧道周围地表环境的影响。本发明的有益效果为：本发明能够更加切实地模拟土体及结构的相互作用，为红黏土地区隧道开挖施工提供了参考，利于后续处理措施的跟进。

Description

一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法。

技术背景

城市地下工程建设的特点是地质条件复杂，地下管网密集，地面建筑林立，相邻扰动显著，地下工程施工技术复杂、周期长、投资大、不可预见风险因素多，对社会环境影响大，是不可避免的高风险建设工程。城市地下管网是一个“看不见”的世界，与市民生活息息相关，是市民能切身感受到的重要网络，更是现代城市的骨骼与血管。

红黏土是一种棕红或褐黄色，一般覆盖于碳酸盐系之上的特殊性土类，具有高液限、高塑指、高孔隙比等基本特征，在我国的贵州、广西、云南、湖南等省(区)分布最为广泛和典型。

红黏土主要为蜂窝状结构和絮凝状结构，由于游离氧化铁与水作用形成溶胶胶体，充填在黏土矿物颗粒形成的絮凝结构孔隙中，故以铁质或铝质凝结胶结为主，形成具有较高连接强度的稳定团粒结构，并具有稳定的结晶格架，其结构为层状或链状，并含不同数量的结合水。红黏土的矿物结构直接影响土体的性质，故红黏土具有含水率高、孔隙大、塑性高、压缩性中-高、承载力大等特点。

变形是导致工程灾害的一大根源。胀缩性及其引起的土体开裂，均会为在建工程带来重大隐患。红黏土的变形主要有湿化变形、胀缩变形和固结沉降变形。

同样的，在矿山法隧道的开挖过程中，地下水位的变化及上覆土压力的变化均会导致红黏土产生胀缩变形，可能进一步导致隧道结构的不均匀沉降，给地下工程造成重大安全隐患。

目前，我国地下工程建设飞速发展。实际工程中，由于隧道等的开挖，往往会导致红黏土产生卸荷。然而，目前针对红黏土在固有压力下胀缩稳定后，再逐级减压，观察减压过程中土体胀缩情况的成果很少。同样地，现阶段针对考虑土体胀缩情况下的实际隧道工程数值模拟研究，多采用温度场模拟渗流场，考虑增湿条件下膨胀土隧道衬砌破坏情况，而基于土体卸荷情况对隧道工程的影响成果则很少。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法。

本发明采用的技术方案为：一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法，包括以下步骤：

步骤一、构建用于修筑双侧壁导坑隧道的土体模型，设定地下水位，并将土体的相关参数导入到对应的土层中；

步骤二、在土体模型的基础上指定隧道位置，生成隧道模型，并确定卸荷影响区范围；

步骤三、对模型进行网格划分；

步骤四、在土体模型内根据隧道结构模拟施工，开挖土体完成隧道施工；在土体开挖过程中实时监测隧道下部红黏土的受力变化；

步骤五、计算隧道开挖导致土体卸荷的红黏土卸荷膨胀率；

步骤六、设置土体体应变，将步骤五获得的卸荷膨胀率赋值到红黏土体的体应变中，继而计算隧道衬砌变形、地表沉降，并将计算结果与未考虑红粘土卸荷膨胀影响时的计算结果对比，分析隧道开挖过程中红黏土体卸荷膨胀对隧道结构及隧道周围地表环境的影响。

按上述方案，在步骤一中，土体模型的土层自地表向下依次分布填土、粘土、红黏土和灰岩。

按上述方案，在步骤三中，卸荷影响区分布在隧道下覆红黏土层中，卸荷影响区边缘距左右隧道边缘的距离均为0.25倍隧道洞径。

按上述方案，在步骤五中，卸荷膨胀率的计算公式如下：

式(1)中：δ_c为卸荷膨胀率，V₁为土体初始体积，V₂为卸荷膨胀稳定后的体积。

本发明的有益效果为：现有技术中未考虑土体卸荷膨胀的影响。本发明能够更加切实地模拟土体及结构的相互作用，为红黏土地区隧道开挖施工提供了参考，利于后续处理措施的跟进，为实际工程的设计和施工提供更加切实的意见和建议。

附图说明

图1为本实施例中双侧壁导坑法隧道横截面及施工支护示意图。

图2为本发明一个具体实施例的土体模型及模型网格划分示意图。

图3为本实施例中基于土体模型创建的隧道模型。

图4为本实施例开挖完成后的整体示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

实施例：国内某双侧壁导坑隧道的勘察资料显示，隧道下方覆盖有一定深度的红黏土体，在后期施工过程中可能由于土体卸荷导致隧道不均匀变形等不利现象。一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法，具体包括以下步骤：

步骤一、构建用于修筑双侧壁导坑隧道的土体模型，设定地下水位，并将土体的相关参数导入到对应的土层中。

在Plaxis软件中设置土体模型几何形状，创建钻孔，结合工程设计资料，在模型中依次添加土层，设定地下水位，随后设置土层相关参数并添加到相应土层中。

本实施例中，如图3所示，土体模型的土层自地表向下依次分布如下：填土(2m厚)、粘土(19m厚)、红黏土(4m厚)和灰岩(25m厚)，地下水位在地面以下2m处。创建钻孔，添加土层，将土层参数输入到软件中，随后将相关参数添加到相应土层中，土层的主要参数有土体重度γ、粘聚力c、内摩擦角

剪胀角ψ、弹性模量E和破松比v，分别见表1。

表1土层参数

步骤二、在土体模型的基础上指定隧道位置，创建隧道形状，设计隧道结构及界面并赋值隧道结构的相关参数，最后确定隧道长度及衬砌环长，生成隧道模型，并确定卸荷影响区范围。

在土体模型中定义双侧壁导坑法隧道，如图1所示。参考设计资料，指定隧道位置，创建隧道形状，设计隧道结构及界面并赋值隧道结构的相关参数，最后确定隧道长度及衬砌环长。

本实施例中，双侧壁导坑法隧道的宽度为13.56m，高度为7.01m。隧道洞身采用复合式衬砌，以锚杆、钢筋网喷混凝土、钢拱架为初期支护，模筑混凝土和钢筋混凝土为二次支护。开挖施工时，全断面分6部分依次开挖并进行支护。施工顺序为Ⅰ(左侧导坑上部)→Ⅱ(左侧导坑下部)→Ⅲ(右侧导坑上部)→Ⅳ(右侧导坑下部)→Ⅴ(中导坑上部)→Ⅵ(中导坑下部)。打开软件中的隧道生成器，确定隧道位置，编辑隧道形状，设置初衬、二衬、锚杆等支护结构及相关参数，生成隧道模型。隧道下覆红黏土层。土体采用实体单元模拟，隧道衬砌采用板单元模拟。衬砌与土体接触面设置接触单元。隧道的相关结构参数主要包括厚度d、重度γ、弹性模量E、泊松比ν，具体见表2。

表2隧道的相关参数

首先，由于表层填土、粘土及灰岩均不具有胀缩性，因此卸荷影响区分布在隧道下覆红黏土层中；其次，通过分析隧道开挖完成后周围土体位移及应力情况，并以隧道等效后的洞径(D＝10.30m)为单位，卸荷影响区边缘距左右隧道边缘的距离均为0.25倍隧道洞径；最后在该影响区内分析红黏土卸荷对隧道工程的影响。

步骤三、对模型进行网格划分。

在网格模式中，可以指定全局或局部粗细度并生成网格。为了得到更精确的结果，需要细化隧道结构周围的网格。点击划分网格按钮以生成网格，一般采用默认选项(中等)生成网格，便于后续有限元计算。

本实施例中，采用15节点高阶三角形单元进行网格划分，点击划分网格按钮以生成网格。点击查看网格按钮以查看生成网格。此时，定义计算阶段所需要的所有输入均已完成。

步骤四、在土体模型内根据隧道结构模拟施工，开挖土体完成隧道施工；在土体开挖过程中实时监测隧道下部红黏土的受力变化。

土体开挖和隧道衬砌建造均在分步施工模式中模拟。因水位保持不变，水位模式可直接跳过。隧道施工时，开挖隧道前方的土体，在隧道掌子面施加支承压力，随后激活前一阶段的隧道衬砌，由此建造一段衬砌环。隧道的具体施工过程如下：

1)、左侧导坑上部土体替换材料模拟混凝土封闭掌子面；

2)、开挖左侧导坑上部土体；

3)、施作左侧导坑上部初期支护及临时支护，左侧导坑下部土体替换材料模拟混凝土封闭掌子面；

4)、开挖左侧导坑下部土体；

5)、施作左侧导坑下部初期支护及临时支护；

6)、右侧导坑上部土体替换材料模拟混凝土封闭掌子面；

7)、开挖右侧导坑上部土体；

8)、施作右侧导坑上部初期支护及临时支护，右侧导坑下部土体替换材料模拟混凝土封闭掌子面；

9)、开挖右侧导坑下部土体；

10)、施作右侧导坑下部初期支护及临时支护；

11)、中导坑上部土体替换材料模拟混凝土封闭掌子面；

12)、开挖中导坑上部土体；

13)、施作中导坑上部初期支护及临时支护，中导坑下部土体替换材料模拟混凝土封闭掌子面；

14)、开挖中导坑下部土体；

15)、施作中导坑下部初期支护及临时支护；

16)、拆除临时支撑，施作二次衬砌。

原则上，每一部分开挖完成后均需要考虑土体卸荷影响。但是，在实际计算过程中，仅当隧道完全开挖完成后，卸荷效用显著。因此，这里仅考虑开挖完成后红黏土卸荷效应的影响。

步骤五、计算隧道开挖导致土体卸荷的红黏土卸荷膨胀率。

考虑隧道工程下覆红黏土情况下，由于隧道开挖导致土体卸荷对红黏土胀缩性的影响，定义卸荷膨胀率，卸荷膨胀率为卸荷膨胀后体积与初始体积之差所占初始体积的百分比，具体计算公式如下：

式中：δ_c为卸荷膨胀率，V₁为土体初始体积(mm³)，V₂为卸荷膨胀稳定后的体积(mm³)。

本发明中，根据开挖前后隧道下覆红黏土的上覆压力，结合实际工程，通过土体卸荷回弹试验，获得一定上覆压力下土体初始体积和分级卸荷膨胀稳定后的体积，再由公式1计算得到卸荷膨胀率。土体初始体积和卸荷稳定后的体积计算为现有技术，这里不再赘述。

步骤六、在Plaxis软件中设置土体体应变，将步骤五获得的卸荷膨胀率赋值到红黏土体的体应变中，利用软件计算隧道衬砌变形、地表沉降等参数，并将计算结果与未考虑红粘土卸荷膨胀影响时的计算结果对比，分析隧道开挖过程中红黏土体卸荷膨胀对隧道结构及隧道周围地表环境的影响。

在隧道开挖过程中，红黏土由于深层土体的上覆荷载减少，产生卸荷效应，表现出膨胀特性。开挖过程中，通过Plaxis中设置土体体应变的方法，将卸荷相对膨胀率赋值到红黏土体的体应变中，计算隧道衬砌变形、地表沉降等相关参数(为现有技术，这里不再赘述)，并将计算结果与未考虑红粘土卸荷膨胀影响时的计算结果对比，分析隧道开挖过程中红黏土体卸荷膨胀对隧道结构及隧道周围地表环境的影响。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、构建用于修筑双侧壁导坑隧道的土体模型，设定地下水位，并将土体的相关参数导入到对应的土层中；

步骤二、在土体模型的基础上指定隧道位置，生成隧道模型，并确定卸荷影响区范围；

步骤三、对模型进行网格划分；

步骤四、在土体模型内根据隧道结构模拟施工，开挖土体完成隧道施工；在土体开挖过程中实时监测隧道下部红黏土的受力变化；

步骤五、计算隧道开挖导致土体卸荷的红黏土卸荷膨胀率；

步骤六、设置土体体应变，将步骤五获得的卸荷膨胀率赋值到红黏土体的体应变中，计算隧道衬砌变形、地表沉降，并将计算结果与未考虑红粘土卸荷膨胀影响时的计算结果对比，分析隧道开挖过程中红黏土体卸荷膨胀对隧道结构及隧道周围地表环境的影响。

2.如权利要求1所述的考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法，其特征在于，在步骤一中，土体模型的土层自地表向下依次分布填土、粘土、红黏土和灰岩。

3.如权利要求2所述的考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法，其特征在于，在步骤三中，卸荷影响区分布在隧道下覆红黏土层中，卸荷影响区边缘距左右隧道边缘的距离均为0.25倍隧道洞径。

4.如权利要求2所述的考虑红黏土卸荷影响的矿山法隧道模拟施工方法，其特征在于，在步骤五中，卸荷膨胀率的计算公式如下：

式(1)中：δ_c为卸荷膨胀率，V₁为土体初始体积，V₂为卸荷膨胀稳定后的体积。

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