大斷面黃土隧道變形特征及力學模型分析

冷希喬,陳禮偉

(中國鐵道科學研究院,北京 100081)

國內很多學者對黃土結構進行了深入的研究,如文獻[2]及文獻[3]從黃土節理方面對黃土的力學性質進行了分析,認為黃土節理是造成黃土結構性破壞的重要原因。文獻[4]對黃土構造節理進行了調查分析,認為黃土隧道的開挖造成節理面在隧道中發育,對黃土隧道穩定性影響較大。文獻[5]從土力學角度對黃土隧道進行研究,但其假設認為干燥黃土壓力為豎向,一般不計側壓力,顯然與實際情況不符。文獻[6]采用連續介質有限元原理計算襯砌與周圍地層的作用關系,并應用彈塑性有限元對施工過程進行三維模擬分析。由于隧道內存在節理發育情況,黃土隧道開挖后結構由各向同性變為各向異性,應用連續介質有限元方法值得商榷。目前國內對于大斷面黃土隧道的設計和施工尚處于總結和積累經驗階段,無相應的設計、施工技術規范,因此,開展黃土隧道的設計及施工優化研究顯得尤為重要。

1 現場監測分析

1.1 工程概況

鄭西客運專線東起鄭州,終至西安,線路全長 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,毛洞開挖面積達到 168m2。本次監測的秦東隧道試驗斷面位于 Q1(老黃土)砂質地層中,隧道埋深為 30m,隧道斷面凈寬約 14.8m,試驗段內測試斷面采用CRD法施工。

1.2 監測項目與監測結果

秦東隧道試驗段測試的內容為施工階段變形測試,根據現場監測的凈空周邊位移(拱頂、拱腳及水平收斂)數據,將監測數據與監測時間描繪成曲線圖,具體參見圖 1。

圖1 凈空位移曲線

由圖 1可以看出,開挖隧道右上臺階時,拱頂下沉量增加,水平收斂量增大,但無突變趨勢;說明此時黃土隧道在開挖斷面寬度較小情況下,黃土的結構性并沒有被破壞,即無破裂面產生,因而黃土隧道變形特征符合連續介質模型。

隨著開挖隧道右下臺階,拱頂下沉量繼續增加,但增加的速率呈減緩趨勢;水平收斂量增大,但增加的速率呈增大趨勢;此時可以認為隧道在開挖擾動情況下,隧道開挖斷面寬度仍然較小,隧道內節理破裂面還沒有形成,但開挖后臨空面的形狀為長軸豎直方向的橢圓形,因而產生上述變形特征,隧道變形特征仍符合連續介質模型。

在開挖左上臺階時,拱頂下沉量繼續增大,但增加的速率呈增大趨勢;水平收斂量則出現拐點(收斂值減小);此時可以認為隧道內由于開挖斷面寬度的增大,致使隧道內節理破裂面開始發育并形成一定的規模,故拱頂下沉速率呈增大趨勢,破裂面形成后導致豎向力過大,由于右上橫撐的作用,使上部開挖面趨向長軸為水平方向的橢圓狀變形,因而水平收斂量出現拐點,此時隧道的穩定狀態已經受到影響;甚至節理破裂面嚴重發育時,可能發生坍塌事故。

2 數值模擬分析

2.1 計算模型

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為內摩擦角)

2.2 計算結果及其與監測對比分析

計算分析主要包括模擬隧道初始開挖——節理破裂面發育——拆除中隔壁——節理破裂面繼續發育過程,得出隧道拱頂、拱腳及水平收斂的變形位移曲線圖。本算例假設節理破裂面由垂直節理及構造斜節理共同產生,由于構造斜節理其破裂面傾角一般較大,故以垂直節理破壞為主進行分析,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,模擬計算中隧道右上臺階和右下臺階開挖完成后,與現場監測數據變化趨勢相比基本相同,開挖右上臺階時,拱頂下沉量增加,水平收斂量增大,開挖右下臺階時,拱頂下沉量增加,增加的速率同樣呈減緩趨勢;水平收斂量增大,增加的速率同樣呈增大趨勢,說明在開挖斷面寬度較小情況下,采用連續介質為基礎的模型進行分析符合實際情況。當開挖左上臺階時,計算數據曲線與現場監測數據變化趨勢相比基本相同,拱頂下沉量繼續增大,增加的速率同樣呈增大趨勢;水平收斂量同樣出現拐點(收斂值減小),說明此時隨著開挖斷面寬度的擴大,采用非連續介質模型進行計算符合實際情況。對橫撐拆除后,繼續模擬節理帶發育情況時,拱頂下沉量顯著增加,水平收斂量呈現平緩趨勢,這與試驗段內對現場測試數據分析情況相符合。

3 結論與建議

(1)在隧道埋深較淺的條件下,隧道斷面大小、形狀的不同對隧道內節理破裂面的發育程度有著重要的影響。因此,建議在隧道施工中應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盡量采用雙側壁法,而且盡少采用弧形導坑法;在施工中,一定要及時施做初期支護及臨時支護,同時使隧道及早封閉成環,防止節理破裂面進一步發育,完善結構受力體系,確保施工安全。

(2)在施工中采用CRD法,CD法、雙側壁導坑時由于節理破裂面的存在,在拆除臨時支護時應給予足夠的重視,嚴格控制拆撐時機和長度,防止節理破裂帶嚴重發育使應力突然釋放,導致結構失穩,嚴重時引起隧道坍塌。

(3)當隧道節理破裂面地層被水浸入后,節理破裂面發育更快,導致隧道結構的安全性迅速降低。因此建議對于隧道內由節理破裂面發育產生的裂縫,應嚴格防止外界水浸入裂縫內部,阻止節理破壞面進一步發育。

(4)關于大斷面黃土隧道中是否噴射錨桿,由于節理破裂面的臨界狀態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,而在邊墻處應加大噴射錨桿的密度。

[1]謝定義.黃土力學特性與應用研究的過去、現在與未來[J].地下空間,1999,19(4):273-284

[2]王景明,倪玉蘭,孫建中.黃土構造節理研究及其應用[J].工程地質學報,1994,2(4):31-42

[3]王景明,張駿.論黃土節理[J].西安地質學院學報,1985,7(2):31

[4]鐘世航.黃土中的構造節理及其對黃土隧道穩定性的影響[J].巖土工程學報,1983,5(4)

[5]蘭州鐵道學院五七鐵路工程處.黃土隧道設計中幾個問題的討論[J].鐵道標準設計,1972(8)

[6]張金柱,郝文廣.鄭西大斷面黃土隧道施工方法模擬分析[J].隧道建設,2007(z2)

[7]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005

[8]宋冶.鄭西客運專線大斷面黃土隧道施工方法與監測技術研究力學特性現場測試階段成果報告[R].中鐵西南科學研究院有限公司,2007