李磊，陳光榮,楊燕偉,2

（1.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安710032；2.南京水利科學研究院，江蘇南京210029）

0 引言

淺埋、偏壓黃土隧道的設計和施工一直是黃土隧道建設中的難題。隨著交通事業(yè)的發(fā)展，山區(qū)修建更多的隧道經常出現淺埋偏壓軟弱圍巖，由于圍巖壓力呈明顯不對稱性、不均勻性，使支護受偏壓荷載，施工中稍有不慎將出現塌方的嚴重事故。因此，提出合理的隧道淺埋偏壓段下穿方案，研究施工過程就十分重要。朱家橋等[1]在1988年應用多點位移計對軍都山淺埋黃土鐵路隧道施工中的拱頂垂直位移進行了監(jiān)測，并成功地預報了隧道大塌方。隨著越來越多黃土鐵路隧道的出現，針對黃土隧道大跨度、大斷面的特點進行的研究也越來越多。例如，姜久純[2]對劉家坪3號隧道的初期支護結構進行受力監(jiān)測，同時采用有限元分析軟件對隧道施工過程進行了數值模擬分析，監(jiān)測結果表明噴射混凝土應力均為壓應力，且分布不均。格柵拱架內、外側均為壓應力，分布不均；計算結果和實測結果較為一致。趙占廠等[3]針對礦山法施工的黃土隧道襯砌受力特性，根據埋深和土質情況不同，對3座黃土公路隧道進行了大規(guī)模的現場測試，并利用有限元程序對隧道施工過程進行了動態(tài)模擬。然而，針對三臺階七步開挖法施工的黃土隧道淺埋偏壓段支護結構力學特性的研究甚少。因此，以大西鐵路客用專線2標段內的磨盤山隧道進口淺埋偏壓段為工程依托，進行現場施工監(jiān)測和分析，結合數值模擬的方法研究黃土隧道淺埋偏壓段初期支護結構的力學特性。

1 工程概況

大西鐵路客用專線磨盤山隧道進口里程DK211+605～DK211+625處沖溝溝底坡度約為40°，溝底地形左高右低，沖溝走向與隧道軸線基本垂直，沖溝溝底右側基本與隧道開挖線相切，地形引起的隧道偏壓嚴重。該段隧道圍巖上部為第四系全新統(tǒng)坡積次生黃土，土質疏松，結構松軟，垂直節(jié)理發(fā)育，成洞性能較差，圍巖下部為中更新統(tǒng)老黃土。隧道開挖時易坍塌，處理不當會出現較大坍塌。

該段隧道屬于V級圍巖，最大開挖跨度15.5 m，采用三臺階七步開挖法施工，開挖進尺為一榀鋼拱架（0.6 m），仰拱距離掌子面距離為30 m。地表采取填土反壓措施，緩解地形原因造成的偏壓；同時洞內施加Φ108大管棚超前支護，下穿施工方案示意圖見圖1。

圖1 下穿施工方案Fig.1 Schematic diagram of construction method

2 現場施工監(jiān)測及分析

2.1 監(jiān)測內容及方法

針對磨盤山隧道進口DK211+600～DK211+640段沖溝淺埋偏壓的特點，在里程DK211+608.6、DK211+613及DK211+618處分別安裝應變計對鋼拱架應力進行監(jiān)測，同時，對隧道凈空變化采用全站儀進行監(jiān)測。鋼拱架內力采用差動電阻式應變計進行監(jiān)測，監(jiān)測儀器測點布置示意圖見圖2。隧道凈空變化量測采用全站儀進行。基本測線布置可參照圖3。

圖2 應變計測點布置示意圖Fig.2 Distribution of monitoring points

圖3 基本測線布置示意圖Fig.3 Distribution of surveying lines for tunnel settlement

2.2 監(jiān)測結果及分析

2.2.1 隧道鋼拱架應力

整理各點所測得的鋼拱架外側應力，繪制成外側應力分布圖，如圖4～6所示。

圖4 DK211+608.6鋼拱架應力分布Fig.4 Stress distribution of steel arch in DK211+608.6

圖5 DK211+613鋼拱架應力分布Fig.5 Stress distribution of steel arch in DK211+613

圖6 DK211+618鋼拱架應力分布Fig.6 Stress distribution of steel arch in DK211+618

（1）由圖4可知里程DK211+608.6處鋼拱架上半部分外側應力分布基本對稱，處于受壓狀態(tài)，右下側局部受拉，最大壓應力22.05 MPa，偏壓趨勢不明顯；分析認為由于該里程處位于偏壓段初始位置，受前面非偏壓段支護結構縱向拱效應的影響，沒有表現出明顯的偏壓受力特征。由圖5可知，該偏壓段中心里程DK211+613處，受地形偏壓影響，鋼拱架受力表現出明顯的偏壓特征，鋼拱架左側受壓，最大壓應力34.88 MPa，鋼右側受拉，最大拉應力28.9 MPa，發(fā)生在拱腰部位。從圖6看，里程DK211+618處鋼拱架受力特征與里程DK211+613處基本相似，但鋼拱架應力量值明顯小于DK211+613處，分析這是未開挖的非偏壓段圍巖的縱向拱效應的原因。

（2）從3個監(jiān)測斷面鋼拱架外側應力的量值來看，最大應力遠遠小于鋼拱架的屈服強度（390 MPa），表明鋼拱架強度沒有充分發(fā)揮，其在支護體系中作用不是很明顯；地形偏壓未影響鋼拱架結構整體性的穩(wěn)定。

2.2.2 隧道凈空變化

由里程DK211+608.6、DK211+613、DK211+618處拱頂下沉實測資料整理繪制的監(jiān)測斷面拱頂實測過程線見圖7。

從圖7可以看出DK211+608.6、DK211+613、DK211+618斷面的拱頂沉降測點在歷時30 d的監(jiān)測中累計沉降分別為36.4 mm、37.2 mm和41.7 mm，最大沉降速率分別為8.0 mm/d、4.0 mm/d和5.0 mm/d，仰拱封閉后平均沉降速率0.5～1.5 mm/d，拱頂沉降變化比較緩慢，趨近穩(wěn)定。

3 數值模擬分析

3.1 數值計算模型

根據隧道圍巖的工程地質條件與力學性態(tài)，采用FLAC3D進行模擬計算，計算中采用摩爾-庫倫模型。根據圣維南定理，考慮到尺寸效應引起的計算誤差，隧道中心線兩側取3.5倍洞徑，下邊界為3倍洞徑，上邊界到地表。計算模型如圖8所示。按剛度等效的原則，將鋼拱架的彈性模量折算到噴射混凝土。采用圍巖和支護結構材料參數如表1所示。

圖7 監(jiān)測斷面拱頂下沉實測曲線Fig.7 The curve of vertical displacement of arch crown on monitoring section

圖8 數值模擬計算模型Fig.8 Model for numerical simulation

3.2 計算結果及分析

取拱頂和左右拱腰3個部位為關鍵點，3個關鍵點的計算位移見表2。由表2可見：拱部下沉最大值為41 mm，大于實測值37.2 mm，分析認為是由于受實測條件的限制，未測量核心土開挖前隧道的下沉量；左拱腰下沉最大，拱頂次之，右拱腰最小，這與實測結果規(guī)律一致；左右邊墻均向隧道右側位移，拱頂向右偏移13 mm，說明隧道整體向右偏移13 mm。初期支護受力計算結果見圖9。由圖9可以看出：由于地形偏壓存在，較大彎矩依然出現在左拱腳和右拱頂處；軸力是右側受拉，初期支護受力較大，左側軸力明顯大于右側軸力，與鋼拱架應力實測規(guī)律一致。

表1 圍巖和支護結構材料參數表[4]Table 1:Mechanical properties of surrounding rock and sup?porting structure

表2 各關鍵點計算位移Table 2:Displacement data of key points

4 結語

（1）淺埋偏壓情況下，隧道拱部發(fā)生了平移，應加強對隧道結構水平位移的監(jiān)控量測。

（2）該偏壓段隧道鋼拱架受力較復雜，但由于上覆土薄，鋼拱架總體受力較小，最大應力遠小于鋼拱架屈服強度，表明鋼拱架在支護體系中安全儲備較大。

（3）在該偏壓段，由于上覆土薄，容易發(fā)生塌方，采取長大管棚超前支護并填土反壓措施的作用明顯。建議在黃土隧道淺埋偏壓段施工采取填土反壓措施減緩地形偏壓?！?/p>

圖9 隧道支護結構受力狀態(tài)Fig.9 Stress state of the support structure of the tunnel

[1]朱家橋.朱維申.軍都山隧道黃土試驗段垂直位移觀測及分析[J].巖土力學，1988,9(1):21-25.

[2]姜純久.黃土隧道初期支護結構受力特性研究[J].2008,12(11):38-41.

[3]趙占廠,謝永利,楊曉華,等.黃土公路隧道襯砌受力性測試研究[J].中國公路學報，2004,17(1):66-70.

[4]大西鐵路客用專線磨盤山隧道工程黃土靜力學特性實驗報告[R].西安理工大學水利水電學院巖土工程實驗室.2011.