黃土隧道圍巖壓力拱效應(yīng)分析

劉根學(xué)

摘 要：文章以實際工程為例，首先對黃土壓力拱效應(yīng)數(shù)值進行分析，對其數(shù)值模型的建立、計算結(jié)果分析進行了詳細地闡述，其后對黃土圍巖拱效應(yīng)模型試驗分析展開了探究，通過試驗裝置及相似常數(shù)的確定，順利完成了試驗及得出了相應(yīng)的結(jié)論，保證了施工安全順利的完成，取得了良好的施工效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模型建立 相似常數(shù) 黃土陷穴

1.工程概況

1.1隧道概況

彬縣隧道位于陜西省咸陽市彬縣境內(nèi)，為黃土梁源溝壑區(qū)，進口位于炭店鄉(xiāng)林家堡村東北側(cè)沖溝涇河右岸，出口位于新民鎮(zhèn)東溝村東北側(cè)紅巖溝左岸。隧道起訖里程DK138+326.58～DK152+577.9，全長14251.32m，最大埋深約280m；隧道設(shè)置1座單車道、2座雙車道無軌運輸斜井輔助施工。

隧道圍巖分級情況為：主洞圍巖級別：Ⅳ級11105m，占隧道全長的77.92%、Ⅴ級3346.32m，占隧道全長的22.08%。

1.2地質(zhì)情況

（1）滑坡、錯落及溜坍

a隧道西安端洞口，線路位于1號溜坍與2號滑坡結(jié)合處，線路先斜穿2號滑坡左緣，后穿入到1號溜坍右緣，洞口位于1號溜坍右緣中部；1號溜坍主軸長約113m，寬29m，堆積厚度3～5m，溜坍體物質(zhì)主要為黃土，屬小型淺層溜坍，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)；2號滑坡主軸長約171m，寬125m，堆積體厚10～20m，滑坡物質(zhì)主要為黃土，屬大型中深層滑坡，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）黃土陷穴

線路位于黃土梁源溝壑區(qū)，黃土陷穴發(fā)育，一般位于梁源坎邊、滑坡滑體及后緣及沖溝溝心，直徑4～6m，深5～12m，一般底部有出口，相鄰陷穴相互連通。

隧道西安端洞口DK138+400左線線路中線左側(cè)約1 8 m處、DK138+432右線線路中線處發(fā)育有陷穴，直徑4.0～5.0m，可見深度6.0～8.0m，靠近洞口，對工程產(chǎn)生影響。其它線路附近陷穴底部距拱頂距離>50m，影響較小。

2.黃土壓力拱效應(yīng)數(shù)值分析

2.1數(shù)值模型的建立

計算機技術(shù)及軟件的快速發(fā)展，推動了數(shù)值模擬方法在地下工程的應(yīng)用，且數(shù)值模擬方法取力不受邊界效應(yīng)、模型尺寸、試驗周期等因素影響。為了將其形象化，文章以彬縣隧道為例，依照圣維南理論以及施工現(xiàn)場的具體狀況，討論隧道位移以及內(nèi)力作用的環(huán)節(jié)中，只將距隧道某范圍當(dāng)中的土體性質(zhì)作為研究對象。計算區(qū)間設(shè)置為一個長120m、寬60m、高95m的空間，不考慮上表面，其余各個面邊線條件都設(shè)置為簡支約束，詳見圖1。

2.2計算結(jié)果分析

壓力拱形成的過程就是：圍巖為了抵抗變形自主調(diào)整變化所引起的承重傳遞途徑出現(xiàn)偏離，從而激發(fā)的一種在應(yīng)力層面上所進行的重組。倘若產(chǎn)生了最大值，則該位置就是壓力拱的內(nèi)邊界，將最大主應(yīng)力方向出現(xiàn)偏移的地方作為壓力拱外邊界，并且在界定拱頂、邊墻還有拱底這幾個應(yīng)力路線可將起點設(shè)定成隧道的邊界，將終點設(shè)定成模型的邊界，具體可參照圖2。

經(jīng)分析應(yīng)力路徑徑向/切向應(yīng)力變化曲線，可知：

（1）將3種應(yīng)力路線放在一起來比較，項目工程開始后，隨著工程周邊巖徑向應(yīng)力的減少，切向應(yīng)力不斷地提升，最大主應(yīng)力路徑上出現(xiàn)偏移，而且隨著時間的推移，切向方向上的應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變成為最大主應(yīng)力。

（2）工程在實施過程當(dāng)中徑向應(yīng)力與和切向應(yīng)力曲線出現(xiàn)交點的地方，就是最大主應(yīng)力出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的臨界處。

（3）在隧道工程卸載效應(yīng)的影響下，土層材質(zhì)為了防止變形的出現(xiàn)，進行自主的調(diào)整，一直到再次達到平衡，主要體現(xiàn)在主應(yīng)力路線上的變換上，壓力拱外側(cè)切向應(yīng)力會隨著所受到的載荷數(shù)值上的增多而出現(xiàn)傳遞路徑上的偏轉(zhuǎn)。因為荷載的途徑出現(xiàn)變化，壓力拱的自身狀態(tài)也會伴隨著工程的不斷深入出現(xiàn)有向外擴張的趨勢。

（4）倘若以開挖施工開始前的原巖切向應(yīng)力為標準與徑向應(yīng)力進行比較，那么靠近邊墻的應(yīng)力路線3其實是與其數(shù)據(jù)相差程度最小，邊墻處壓力拱外邊界與隧道邊界兩者之間的直線距離其實基本上在2D左右。

使用最大主應(yīng)力時，把存在極值的地方當(dāng)做是其壓力的內(nèi)邊線，而其出現(xiàn)偏移的地方當(dāng)做是外邊線，依照圖3來就其形狀來對壓力拱的邊線進行描繪。

3.黃土圍巖拱效應(yīng)模型試驗分析

3.1試驗裝置

北京交通大學(xué)隧道與地下工程研究設(shè)計部創(chuàng)造并提出了一個模型試驗基地，這樣一來就可更為便捷地觀察到縱向以及橫向的變化情況。借助氣囊本身的穩(wěn)定性等優(yōu)勢來進行的設(shè)計。

3.2相似常數(shù)的確定

建模過程當(dāng)中要求設(shè)定的變量中最為主要其實就是結(jié)構(gòu)的大小，將其設(shè)定一個具體的數(shù)值，也就是l，其余就是應(yīng)力為σ、彈性模量E、容重γ、泊松比μ，而應(yīng)變就是ε。認定各個物理數(shù)值均符合函數(shù)如式（1）。

借助實驗的具體數(shù)據(jù)與實際結(jié)果，能用重晶石來發(fā)揮出原本骨料、石英砂的作用，而凡士林就可發(fā)揮膠結(jié)劑的作用，依照比例混合，再依照12：4.2：0.5的比重不斷進行壓實操作。并且聯(lián)系試驗臺架的具體情況，確定幾何大小，將幾何相似常數(shù)設(shè)置成α1=80，也就是將隧道模型跨度設(shè)定成17.8cm；將容重相似常數(shù)設(shè)定成α=1。主要的研究對象就是大斷面黃土隧道V級圍巖力學(xué)的相關(guān)參數(shù)，并且具體數(shù)值在表1中已進行了闡述。

4.得出結(jié)論

（1）整個施工過程中要貫穿一個思想：快速和干燥，即循環(huán)快，進尺快；干燥就是要保證隧道內(nèi)部無水狀態(tài)下施工。濕陷性黃土最大的優(yōu)點是：在干燥的狀態(tài)下，粘滯性好，整體穩(wěn)定性好，不容易掉塊，不易在短時間內(nèi)產(chǎn)生坍塌。

（2）在上臺階開挖時保證預(yù)留核心土弧形開挖，機械為主，人工為輔。

（3）在下臺階開挖過程中，單洞左右邊墻一定要錯開開挖。

（4）不同類圍巖交接處，嚴格控制水，開挖后立即進行支護，切寧強勿弱。

5.結(jié)語

綜上所述，黃土隧道，特別是土質(zhì)隧道，雖然有不用爆破的有利條件，但也存在著圍巖自穩(wěn)能力嚴重不足且抵抗施工破壞能力弱的缺點，因此必須針對這些特點，施工前制定可靠、可行的施工組織計劃，切實做好開挖方案的選擇及工序的嚴格執(zhí)行，目的就是要充分利用圍巖有限的自穩(wěn)能力，盡量減少破壞干擾，開挖后及時緊跟支護體系，形成巖體與支護結(jié)構(gòu)盡快整體受力的效果。

參考文獻：

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