白明祿

（中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司 重慶 400042）

1 引言

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施及“一帶一路”建設(shè)的推動(dòng)，黃土高原地區(qū)大斷面隧道建設(shè)進(jìn)入跨越式發(fā)展的新時(shí)期。隨著大斷面、超大斷面黃土隧道相繼涌現(xiàn)，國內(nèi)也大量開展了黃土隧道的研究[1-3]。目前，世界上在黃土地區(qū)建成的高速鐵路只有鄭西高鐵和寶蘭高鐵，由于黃土結(jié)構(gòu)與性狀的獨(dú)特性且區(qū)域差異性大，歷來受到工程界和學(xué)術(shù)界的重視。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)黃土隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了一系列的研究與分析，并取得了一定的成果。胡晉川等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值分析，報(bào)道了黃土地區(qū)雙連拱隧道位移特征研究。研究指出，黃土隧道圍巖變形可作為判斷隧道施工安全性的依據(jù)。Zhao Yong等[5]系統(tǒng)總結(jié)了我國高速鐵路大斷面黃土隧道的技術(shù)特點(diǎn)和存在的主要問題。研究發(fā)現(xiàn)，黃土隧道變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形速率快、破壞具有突然性，拱頂圍巖穩(wěn)定差。Xue Yiguo等[6]通過總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，分析了多種因素對(duì)隧道變形的影響程度。通過隧道變形監(jiān)測(cè)，對(duì)黃土隧道的大變形危害進(jìn)行了預(yù)測(cè)和研究。Li Pengfei等[7]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和有限元數(shù)值分析，報(bào)道了黃土地區(qū)高速鐵路隧道位移特征研究。研究表明，在Q4、Q3黃土地層中進(jìn)行隧道施工，在拱部或地表都會(huì)產(chǎn)生明顯的變形。他們建議在黃土地基上采用三臺(tái)階七步開挖法，以限制地表和洞內(nèi)位移。孟德鑫等[8]以寶蘭客運(yùn)專線為依托，對(duì)大斷面黃土隧道變形特征及控制技術(shù)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，Q2、Q3砂質(zhì)黃土大斷面隧道，圍巖自承能力較差，隧道拱頂變形量大，給施工帶來了極大的難度。

上述文獻(xiàn)針對(duì)黃土隧道圍巖變形做出了一定的研究，取得了一定的成果。但在新建銀西高鐵穿越軟塑黃土夾層時(shí)，出現(xiàn)的變形特征表現(xiàn)出與其他隧道不相同，給隧道設(shè)計(jì)和施工帶來較大的困難。本文依托銀西高鐵上閣村隧道，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值計(jì)算、室內(nèi)試驗(yàn)等手段，有針對(duì)性地對(duì)“上硬下軟”二元地層軟塑黃土隧道變形特征進(jìn)行分析，為大斷面軟塑黃土隧道施工提供理論依據(jù)。

2 工程概況

2.1 隧道概況

上閣村隧道位于甘肅省慶陽市寧縣境內(nèi)，是銀西高鐵項(xiàng)目重難點(diǎn)、控制性工程之一，隧道全長(zhǎng)6.78 km，開挖斷面達(dá)到170 m2，屬大斷面黃土隧道。隧道穿越世界最大黃土塬-董志塬，受地形所限及站位控制，隧道工程不可避免穿越軟塑黃土夾層帶[9-10]。隧道在1＃斜井（DK211+200）處分別沿西安方向和銀川方向穿越軟塑黃土層，黃土類型為Q2eol3黏質(zhì)黃土，銀川方向軟塑黃土主要分布于拱頂，采用三臺(tái)階七步開挖法，拱部140°范圍采用φ42單層超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，拱墻設(shè)置25a型鋼鋼架，間距0.6 m/榀，網(wǎng)噴C25混凝土，厚度35 cm。

2.2 地質(zhì)概況

洞身穿越第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土，隧道進(jìn)口端120 m及出口段2 500 m段落范圍內(nèi)，隧道埋深小于50 m，為硬塑狀態(tài)黏質(zhì)黃土，圍巖穩(wěn)定性差，Ⅴ級(jí)圍巖；隧道洞身DK210+567～DK211+350段拱部、洞身呈軟塑狀態(tài)黏質(zhì)黃土，洞身DK207+697～DK210+257段埋深約50～102 m，為硬塑狀態(tài)黏質(zhì)黃土，圍巖穩(wěn)定性較差，Ⅳ級(jí)圍巖，地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 上閣村隧道穿越軟塑黃土層地質(zhì)縱斷面圖

隧道由一號(hào)斜井向銀川方向開挖，軟塑黃土層主要分布于隧底，而隧道拱部處于硬塑黃土層。DK211+322～DK211+920段軟塑黃土的地質(zhì)分布如圖2所示，隨著開挖軟塑黃土在掌子面出現(xiàn)的位置逐漸從洞身向隧底下移，隧底以下軟塑黃土的厚度（H1）逐漸增大，隧底以下軟塑黃土的厚度（H1）最大約為10.7 m。

圖2 軟塑黃土二元地層分布示意

在上閣村隧道1＃斜井大里程方向取原狀土，測(cè)定圍巖含水率、液性指數(shù)等指標(biāo)判斷其狀態(tài)[11]。由表1四個(gè)斷面的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，四個(gè)取樣斷面都處于“上硬下軟”的二元地層范圍。拱部處于硬塑黃土層，仰拱處于軟塑黃土層。隨著隧道的開挖，軟塑黃土位置由上臺(tái)階下移至下臺(tái)階，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況與地勘資料給出的地質(zhì)縱斷面圖相吻合。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

為研究該二元地層下隧道的變形特征，在上閣村隧道一號(hào)斜井大里程段布置了6個(gè)測(cè)試斷面。監(jiān)測(cè)工作包括隧道拱頂下沉量測(cè)和周邊位移量測(cè)。使用全站儀，采用高程傳遞測(cè)量方法進(jìn)行量測(cè)，整理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 隧道圍巖變形結(jié)果分析

選取二元“上硬下軟”地層下的典型斷面對(duì)隧道變形時(shí)間演化規(guī)律進(jìn)行分析，時(shí)態(tài)變形曲線如圖3、圖4所示。

圖3 “上硬下軟”二元地層拱頂下沉及速率統(tǒng)計(jì)圖

隨著隧道從1＃斜井向銀川方向開挖不斷推進(jìn)，隧道埋深逐漸減小。軟塑黃土層位于隧道的位置逐漸下移，拱部圍巖相對(duì)穩(wěn)定，拱頂下沉變形總體平穩(wěn)且緩慢減小，控制在120 mm以內(nèi)。由此可知，“上硬下軟”二元地層中，軟塑黃土對(duì)隧道拱頂沉降的影響減小，拱頂沉降量總體平穩(wěn)。

圖4 “上硬下軟”二元地層凈空收斂及速率統(tǒng)計(jì)

由圖4可知，隨著隧道從1＃斜井向銀川方向開挖，水平收斂值由20 mm左右突增至50 mm以上。在DK211+450及DK211+400斷面附近凈空收斂較大，分別達(dá)到了90 mm左右和60 mm左右，接近于拱頂沉降值。從地質(zhì)因素來看，此時(shí)軟塑黃土分布于隧道邊墻處，圍巖軟弱，軟塑黃土變形量大，變形時(shí)間長(zhǎng)；從施工因素來看，分部開挖工序周期長(zhǎng)，初支尚未封閉成環(huán)造成了凈空收斂較大。隧道開挖至DK211+491斷面，軟塑黃土層已經(jīng)脫離邊墻處，凈空收斂迅速減小。

4 變形特征數(shù)值分析

4.1 模型尺寸

圖5 整體示意

選取圖2所示的DK211+322～DK211+920段進(jìn)行數(shù)值仿真分析。建立三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為80 m×135 m×118 m（長(zhǎng)×寬×高）。圍巖和襯砌均采用實(shí)體單元，邊墻錨桿和鎖腳錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元。模型示意如圖5所示，開挖模擬示意如圖6所示。

圖6 三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖示意

4.2 物理力學(xué)參數(shù)

通過建立與現(xiàn)場(chǎng)條件一致的計(jì)算模型，土體材料采用摩爾庫倫模型，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得軟塑黃土的相關(guān)物理參數(shù)，圍巖采用彈塑性模型，襯砌采用線彈性模型模擬，型鋼架按抗彎剛度等效折算為實(shí)體單元，注漿小導(dǎo)管的加固作用等效成加固區(qū)[12]。采用有限元分析軟件對(duì)二元地層不同階段（軟塑黃土層對(duì)于隧道的位置）模擬。不同材料物理力學(xué)參數(shù)見表2，模型支護(hù)力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表3 數(shù)值模型支護(hù)力學(xué)參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

以隧底以下軟塑黃土的厚度（H1）作為計(jì)算工況（見圖2），以1 m為H1的間隔距離，一共計(jì)算了11種工況。

4.3.1 豎向位移

分別對(duì)不同工況條件的拱頂沉降量和隧底隆起狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值仿真數(shù)據(jù)分析，見圖7～圖9。

圖7 不同工況拱頂沉降計(jì)算曲線

圖8 不同工況隧底隆起計(jì)算曲線

圖9 不同工況拱頂沉降與隧底隆起值

由圖7可知，隨著隧底以下軟塑黃土厚度H1逐漸增大，初支仰拱閉合后的拱頂沉降值占總沉降值的比例緩慢增大，H1＝1 m時(shí)初支仰拱閉合后的沉降值為1.6 cm，占總沉降值的10%左右；H1＝10.7 m時(shí)初支仰拱閉合后的沉降值為1.96 cm，占總沉降值的16%。分析原因:隨著隧底以下軟塑黃土厚度H1的增大，隧底以下圍巖軟弱性提高，承載能力緩慢減小，導(dǎo)致初支仰拱封閉成環(huán)后在上部圍巖荷載作用下隧道整體下沉逐漸增大。

由圖8可知，隧底圍巖隆起值增大幅度主要在上導(dǎo)坑開挖到仰拱閉合階段，仰拱閉合成環(huán)后在上部圍巖壓力作用下隆起值有一定的回落，隨著隧底以下軟塑黃土的厚度H1逐漸增大，隧底圍巖隆起值也逐漸增大。這是由于在隧道開挖后，在隧底深部軟塑黃土圍巖擠壓作用下產(chǎn)生隆起作用明顯。

由圖9可知，隨著隧底以下軟塑黃土厚度H1逐漸增大，拱頂沉降值逐漸減小，隧底隆起值逐漸增大。在H1＝4 m時(shí)隧底隆起值＞拱頂沉降值，這是因?yàn)榇藭r(shí)圍巖呈“上硬下軟”的二元地層狀態(tài)，上部圍巖強(qiáng)度較大，自承能力較強(qiáng)，隧底圍巖軟弱，自承能力差，開挖后在應(yīng)力釋放作用下隧底圍巖隆起值較大。

4.3.2 水平收斂

分別對(duì)隧底以下軟塑黃土厚度H1＝1 m和10.7 m時(shí)的支護(hù)凈空水平收斂值，進(jìn)行了數(shù)值仿真數(shù)據(jù)分析，見圖10～圖12。

圖10 H1=1 m支護(hù)凈空水平收斂

圖11 H1=10.7 m支護(hù)凈空水平收斂

由圖10、圖11可知，H1＝1 m時(shí)中臺(tái)階處水平收斂值最大，隨著隧底以下軟塑黃土厚度H1增大，軟塑黃土主要分布于下臺(tái)階及隧底位置，上、中臺(tái)階處圍巖穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，因此支護(hù)凈空水平收斂最大值呈現(xiàn)出下臺(tái)階＞中臺(tái)階＞上臺(tái)階的分布特征。

圖12 不同工況支護(hù)凈空水平收斂變化曲線

由圖12可知，隨著隧底以下軟塑黃土厚度H1逐漸增大，上、中臺(tái)階處水平收斂值逐漸減小，下臺(tái)階水平收斂值先增大后減小?？傮w來看，下臺(tái)階處水平收斂值相對(duì)較大，在H1＝5 m時(shí)其與支護(hù)凈空拱頂沉降值之比甚至達(dá)到了0.82，這與淺埋黃土隧道水平收斂遠(yuǎn)小于拱頂沉降值的規(guī)律不一致[13]。分析原因?yàn)橄虏窟厜μ庈浰茳S土較軟弱，軟弱圍巖對(duì)下部邊墻的擠壓作用顯著，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)鎖腳錨桿的作用并及時(shí)封閉初支，防止下部邊墻產(chǎn)生過大的內(nèi)擠變形。

5 結(jié)束語

（1）隧道斜上穿越軟塑黃土層時(shí)，圍巖處于“上硬下軟”二元地層的地質(zhì)狀態(tài)。軟塑黃土分布于隧道的不同位置（邊墻、隧底），隧道變形特征差異性大。

（2）由于拱部圍巖土質(zhì)稍密，具有一定的自穩(wěn)能力，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，隨著軟塑黃土層的下移，拱頂累積沉降量基本穩(wěn)定。當(dāng)軟塑黃土分布于邊墻時(shí)，圍巖軟弱，軟塑黃土變形量大，變形時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)軟塑黃土分布于隧底時(shí)，凈空收斂迅速減小，并保持穩(wěn)定。

（3）數(shù)值計(jì)算表明，隨著隧底以下軟塑黃土厚度H1的增大，隧底以下圍巖塑性提高，承載能力緩慢減小，導(dǎo)致初支仰拱封閉成環(huán)后在上部圍巖荷載作用下隧道整體下沉逐漸增大。隨著隧底以下軟塑黃土厚度H1逐漸增大，上、中臺(tái)階處水平收斂值逐漸減小，下臺(tái)階水平收斂值先增大后減小。隧底圍巖隆起值較大，下臺(tái)階水平收斂較大，隧底以下軟塑黃土厚度H1＝5 m時(shí)其與支護(hù)凈空拱頂沉降值之比達(dá)到了0.82。