大斷面黃土隧道變形特征及力學(xué)模型分析

冷希喬,陳禮偉

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,北京 100081)

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)黃土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究,如文獻(xiàn)[2]及文獻(xiàn)[3]從黃土節(jié)理方面對(duì)黃土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析,認(rèn)為黃土節(jié)理是造成黃土結(jié)構(gòu)性破壞的重要原因。文獻(xiàn)[4]對(duì)黃土構(gòu)造節(jié)理進(jìn)行了調(diào)查分析,認(rèn)為黃土隧道的開挖造成節(jié)理面在隧道中發(fā)育,對(duì)黃土隧道穩(wěn)定性影響較大。文獻(xiàn)[5]從土力學(xué)角度對(duì)黃土隧道進(jìn)行研究,但其假設(shè)認(rèn)為干燥黃土壓力為豎向,一般不計(jì)側(cè)壓力,顯然與實(shí)際情況不符。文獻(xiàn)[6]采用連續(xù)介質(zhì)有限元原理計(jì)算襯砌與周圍地層的作用關(guān)系,并應(yīng)用彈塑性有限元對(duì)施工過程進(jìn)行三維模擬分析。由于隧道內(nèi)存在節(jié)理發(fā)育情況,黃土隧道開挖后結(jié)構(gòu)由各向同性變?yōu)楦飨虍愋?應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)有限元方法值得商榷。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于大斷面黃土隧道的設(shè)計(jì)和施工尚處于總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)階段,無相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范,因此,開展黃土隧道的設(shè)計(jì)及施工優(yōu)化研究顯得尤為重要。

1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

1.1 工程概況

鄭西客運(yùn)專線東起鄭州,終至西安,線路全長(zhǎng) 485 km。其間有隧道 38座,其中秦東、潼洛川、高橋、鳳凰嶺 4座雙線隧道為黃土隧道,毛洞開挖面積達(dá)到 168m2。本次監(jiān)測(cè)的秦東隧道試驗(yàn)斷面位于 Q1(老黃土)砂質(zhì)地層中,隧道埋深為 30m,隧道斷面凈寬約 14.8m,試驗(yàn)段內(nèi)測(cè)試斷面采用CRD法施工。

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與監(jiān)測(cè)結(jié)果

秦東隧道試驗(yàn)段測(cè)試的內(nèi)容為施工階段變形測(cè)試,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的凈空周邊位移(拱頂、拱腳及水平收斂)數(shù)據(jù),將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)時(shí)間描繪成曲線圖,具體參見圖 1。

圖1 凈空位移曲線

由圖 1可以看出,開挖隧道右上臺(tái)階時(shí),拱頂下沉量增加,水平收斂量增大,但無突變趨勢(shì);說明此時(shí)黃土隧道在開挖斷面寬度較小情況下,黃土的結(jié)構(gòu)性并沒有被破壞,即無破裂面產(chǎn)生,因而黃土隧道變形特征符合連續(xù)介質(zhì)模型。

隨著開挖隧道右下臺(tái)階,拱頂下沉量繼續(xù)增加,但增加的速率呈減緩趨勢(shì);水平收斂量增大,但增加的速率呈增大趨勢(shì);此時(shí)可以認(rèn)為隧道在開挖擾動(dòng)情況下,隧道開挖斷面寬度仍然較小,隧道內(nèi)節(jié)理破裂面還沒有形成,但開挖后臨空面的形狀為長(zhǎng)軸豎直方向的橢圓形,因而產(chǎn)生上述變形特征,隧道變形特征仍符合連續(xù)介質(zhì)模型。

在開挖左上臺(tái)階時(shí),拱頂下沉量繼續(xù)增大,但增加的速率呈增大趨勢(shì);水平收斂量則出現(xiàn)拐點(diǎn)(收斂值減小);此時(shí)可以認(rèn)為隧道內(nèi)由于開挖斷面寬度的增大,致使隧道內(nèi)節(jié)理破裂面開始發(fā)育并形成一定的規(guī)模,故拱頂下沉速率呈增大趨勢(shì),破裂面形成后導(dǎo)致豎向力過大,由于右上橫撐的作用,使上部開挖面趨向長(zhǎng)軸為水平方向的橢圓狀變形,因而水平收斂量出現(xiàn)拐點(diǎn),此時(shí)隧道的穩(wěn)定狀態(tài)已經(jīng)受到影響;甚至節(jié)理破裂面嚴(yán)重發(fā)育時(shí),可能發(fā)生坍塌事故。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

式中:kn為法向剛度,ks為切向剛度,K為彈性模量,G為剪切模量,ΔZmin為法向方向連接帶的最小寬度。

(注:E為彈性模量、μ為泊松比、γ為重度、c為粘聚力、φ為內(nèi)摩擦角)

2.2 計(jì)算結(jié)果及其與監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

計(jì)算分析主要包括模擬隧道初始開挖——節(jié)理破裂面發(fā)育——拆除中隔壁——節(jié)理破裂面繼續(xù)發(fā)育過程,得出隧道拱頂、拱腳及水平收斂的變形位移曲線圖。本算例假設(shè)節(jié)理破裂面由垂直節(jié)理及構(gòu)造斜節(jié)理共同產(chǎn)生,由于構(gòu)造斜節(jié)理其破裂面傾角一般較大,故以垂直節(jié)理破壞為主進(jìn)行分析,凈空位移曲線圖參見圖2。

圖2 凈空位移曲線

由圖2可以看出,模擬計(jì)算中隧道右上臺(tái)階和右下臺(tái)階開挖完成后,與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相比基本相同,開挖右上臺(tái)階時(shí),拱頂下沉量增加,水平收斂量增大,開挖右下臺(tái)階時(shí),拱頂下沉量增加,增加的速率同樣呈減緩趨勢(shì);水平收斂量增大,增加的速率同樣呈增大趨勢(shì),說明在開挖斷面寬度較小情況下,采用連續(xù)介質(zhì)為基礎(chǔ)的模型進(jìn)行分析符合實(shí)際情況。當(dāng)開挖左上臺(tái)階時(shí),計(jì)算數(shù)據(jù)曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相比基本相同,拱頂下沉量繼續(xù)增大,增加的速率同樣呈增大趨勢(shì);水平收斂量同樣出現(xiàn)拐點(diǎn)(收斂值減小),說明此時(shí)隨著開挖斷面寬度的擴(kuò)大,采用非連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算符合實(shí)際情況。對(duì)橫撐拆除后,繼續(xù)模擬節(jié)理帶發(fā)育情況時(shí),拱頂下沉量顯著增加,水平收斂量呈現(xiàn)平緩趨勢(shì),這與試驗(yàn)段內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析情況相符合。

3 結(jié)論與建議

(1)在隧道埋深較淺的條件下,隧道斷面大小、形狀的不同對(duì)隧道內(nèi)節(jié)理破裂面的發(fā)育程度有著重要的影響。因此,建議在隧道施工中應(yīng)縮小隧道開挖的徑空斷面面積,即在大斷面黃土隧道施工中應(yīng)盡量采用雙側(cè)壁法,而且盡少采用弧形導(dǎo)坑法;在施工中,一定要及時(shí)施做初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù),同時(shí)使隧道及早封閉成環(huán),防止節(jié)理破裂面進(jìn)一步發(fā)育,完善結(jié)構(gòu)受力體系,確保施工安全。

(2)在施工中采用CRD法,CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑時(shí)由于節(jié)理破裂面的存在,在拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)應(yīng)給予足夠的重視,嚴(yán)格控制拆撐時(shí)機(jī)和長(zhǎng)度,防止節(jié)理破裂帶嚴(yán)重發(fā)育使應(yīng)力突然釋放,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn),嚴(yán)重時(shí)引起隧道坍塌。

(3)當(dāng)隧道節(jié)理破裂面地層被水浸入后,節(jié)理破裂面發(fā)育更快,導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的安全性迅速降低。因此建議對(duì)于隧道內(nèi)由節(jié)理破裂面發(fā)育產(chǎn)生的裂縫,應(yīng)嚴(yán)格防止外界水浸入裂縫內(nèi)部,阻止節(jié)理破壞面進(jìn)一步發(fā)育。

(4)關(guān)于大斷面黃土隧道中是否噴射錨桿,由于節(jié)理破裂面的臨界狀態(tài)形成位于開挖斷面徑空較大處。因此建議在拱頂及拱腰位置處可不噴射錨桿,而在邊墻處應(yīng)加大噴射錨桿的密度。

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