曹海靜,劉志強(qiáng),吳 劍,李秀華,師亞龍,鄭 波,魏星星

(1.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,成都 611731； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 概述

黃土主要見于西北和華北地區(qū)，涵蓋陜西、河南、山西、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、山東等13省(區(qū))，黃土是西部隧道與地下工程不可回避的工程地質(zhì)背景。黃土隧道設(shè)計(jì)中預(yù)留變形量值的確定對(duì)隧道工程造價(jià)及隧道初期支護(hù)具有一定程度影響。多個(gè)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，李明耿提出在偏壓黃土隧道施工中要適當(dāng)加大開挖預(yù)留變形量，確保黃土隧道支護(hù)穩(wěn)定后不侵限[1]；趙東平等通過(guò)對(duì)鄭西客運(yùn)專線隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，提出了大斷面黃土隧道預(yù)留變形量[2]；席浩等基于寶蘭鐵路黃土隧道的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，提出大斷面隧道開挖預(yù)留變形量[3]；金美海等采用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回歸分析和ANSYS數(shù)值模擬驗(yàn)證的方法，對(duì)偏壓黃土隧道進(jìn)行了研究，提出了不同偏壓黃土隧道預(yù)留變形量的建議值[4]；王鵬研究了臺(tái)階法施工中下臺(tái)階開挖對(duì)預(yù)留變形量的影響[5]；孫國(guó)凱等對(duì)公路隧道軟弱圍巖預(yù)留變形量進(jìn)行了研究[6]；在預(yù)留變形量的研究中，多數(shù)停留在定性的描述，定量的分析不多見[7，10]；我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路黃土隧道技術(shù)規(guī)范》(Q/CR 9511—2014)也對(duì)黃土隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量進(jìn)行了建議[11]，但是該規(guī)范是針對(duì)大斷面黃土隧道(開挖跨度15 m，高度13 m，總面積超過(guò)170 m2)[12]，其建議值是否適用于普通斷面(100 m2左右)的黃土隧道，還有待驗(yàn)證。因此，對(duì)蒙華鐵路黃土隧道量測(cè)數(shù)據(jù)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文依托蒙華鐵路雙線黃土隧道工程，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)黃土隧道變形規(guī)律及設(shè)計(jì)預(yù)留變形量進(jìn)行研究，為后續(xù)類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及工程概況

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于蒙華鐵路蒙陜段和晉豫段54座雙線黃土隧道的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)資料(拱頂下沉和周邊收斂)。涉及的地層主要為Q2砂質(zhì)和黏質(zhì)老黃土、Q3砂質(zhì)新黃土和Q4砂質(zhì)老黃土，圍巖分級(jí)為Ⅳ、Ⅴ級(jí)，埋深在250 m以內(nèi)，施工方法采用三臺(tái)階法(局部采用三臺(tái)階大拱腳臨時(shí)仰拱法)[13，15]。

蒙華鐵路黃土隧道初期支護(hù)參數(shù)及設(shè)計(jì)預(yù)留變形量見表1、表2，開挖寬度(B)為12～13 m，開挖高度(H)為11～12 m。鐵路黃土隧道的深淺埋分界深度[11]取為1.4(H+B)～2.1(H+B)，此處取深淺埋的分界是40 m。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道初期支護(hù)參數(shù)及設(shè)計(jì)預(yù)留變形量

注：圍巖水平成層段拱部160°外邊墻取消砂漿錨桿。

表2 Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道初期支護(hù)參數(shù)及設(shè)計(jì)預(yù)留變形量

注：圍巖水平成層段拱部160°外邊墻取消砂漿錨桿。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本文統(tǒng)計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括蒙華鐵路各黃土隧道(雙線)開工以來(lái)監(jiān)測(cè)時(shí)間達(dá)到1個(gè)月以上監(jiān)測(cè)斷面的數(shù)據(jù)，同時(shí)刪除了部分變形過(guò)小的異常數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)斷面共計(jì)2 496個(gè)。量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目包括：各斷面拱頂下沉最大值、周邊收斂最大值、拱頂下沉速率最大值及斷面埋深。

3.1 Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道

3.1.1 時(shí)態(tài)曲線

圖1 鄭莊隧道DK374+811斷面拱頂下沉曲線

選擇有代表性的Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道時(shí)態(tài)曲線分析，如圖1、圖2所示。由Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道時(shí)態(tài)曲線可知，在Ⅳ級(jí)圍巖條件下，黃土隧道變形具有如下規(guī)律：在仰拱封閉前，拱頂下沉和周邊收斂發(fā)展較快，仰拱封閉后，變形速率減小，變形趨于穩(wěn)定；周邊收斂小于拱頂下沉值。

圖2 鄭莊隧道DK374+811斷面周邊收斂曲線

3.1.2 洞周位移與埋深的關(guān)系

對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道量測(cè)數(shù)據(jù)按埋深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3、圖4所示，可以看出：

(1)Ⅳ黃土分布在25～150 m埋深，拱頂下沉的最大值是77.49 mm，周邊收斂的最大值是47.8 mm，均未超出預(yù)留變形量；對(duì)于同一斷面而言，拱頂下沉普遍大于周邊收斂，拱頂下沉和周邊收斂隨埋深分布離散性較大，無(wú)顯著規(guī)律；

(2)25～150 m埋深隧道拱頂下沉速率分布集中在5 mm·d-1以內(nèi)；深埋時(shí)，12.26%的斷面速率大于5 mm·d-1。因此，對(duì)于深埋隧道的監(jiān)控量測(cè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂下沉變形速率。

圖3 Ⅳ級(jí)圍巖隧道拱頂下沉及周邊收斂隨埋深分布

圖4 Ⅳ級(jí)圍巖隧道拱頂下沉及下沉速率隨埋深分布

3.2 Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道

3.2.1 時(shí)態(tài)曲線

選擇有代表性的Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道時(shí)態(tài)曲線分析，如圖5、圖6所示。

由Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道時(shí)態(tài)曲線可知，在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，黃土隧道變形具有如下規(guī)律：在上、中臺(tái)階開挖時(shí)，下沉急劇增長(zhǎng)，下臺(tái)階開挖完成、仰拱封閉后，變形逐漸趨于平穩(wěn)。此外，隧道封閉前的沉降占全部沉降的95%以上；同Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道一樣，拱頂下沉大于周邊收斂。

圖5 郭旗隧道DK266+240斷面拱頂下沉曲線

圖6 郭旗隧道DK266+240斷面周邊收斂曲線

3.2.2 洞周位移與埋深的關(guān)系

對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道量測(cè)數(shù)據(jù)按埋深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7、圖8所示，可以看出：

(1)深埋時(shí)，拱頂下沉集中分布在50 mm以內(nèi)，占比96.90%；淺埋時(shí)，部分?jǐn)嗝婀绊斚鲁脸鲈O(shè)計(jì)預(yù)留變形量。周邊收斂比較小，主要分布在30 mm以內(nèi)，未超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量。對(duì)于同一斷面而言，拱頂下沉普遍大于周邊收斂。

(2)拱頂下沉速率隨埋深的分布規(guī)律與拱頂下沉隨埋深的分布規(guī)律一樣，深埋時(shí)，下沉速率集中分布在5 mm·d-1以內(nèi)，4.13%的斷面速率大于5 mm·d-1；淺埋時(shí)，下沉速率分布在15 mm·d-1以內(nèi)，5 mm·d-1以上速率斷面占比12.62%。

(3)臺(tái)階法施工在開挖階段對(duì)黃土的擾動(dòng)較大，淺埋黃土隧道拱頂下沉及下沉速率都比較大，因此，對(duì)于淺埋隧道施工要控制周邊位移變形。

(4)拱頂下沉和水平收斂的累計(jì)值普遍都比較小。這是由于黃土隧道地質(zhì)條件的特殊性，各施工單位比較重視，黃土隧道施工技術(shù)日益成熟，施工過(guò)程中對(duì)黃土隧道變形的控制比較好，黃土隧道的變形比較小。

圖7 Ⅴ級(jí)圍巖隧道拱頂下沉及周邊收斂隨埋深分布

圖8 Ⅴ級(jí)圍巖隧道拱頂下沉及下沉速率隨埋深分布

3.3 凈空變形特征值與埋深關(guān)系

Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖條件下，凈空變形特征值(下沉與收斂之比)與隧道埋深分布見圖9?？梢钥闯?，深埋和淺埋隧道，凈空變形特征值普遍大于1，即拱頂下沉大于周邊收斂。對(duì)凈空變形特征值的統(tǒng)計(jì)顯示，該特征值的平均值淺埋時(shí)為4.1，深埋時(shí)為2.2。

圖9 凈空變形特征值隨埋深分布

4 黃土隧道變形預(yù)留變形量研究

通過(guò)以上分析可知，各量測(cè)斷面中拱頂下沉普遍大于周邊收斂，因此最終預(yù)留變形量的確定以拱頂下沉量測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)。

4.1 Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道預(yù)留變形量

Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量是5～8 cm，由圖3可知，當(dāng)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量分別取5、8 cm，拱頂下沉低于5、8 cm的斷面所占百分比分別是96.10%、100.00%?？紤]現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的離散性，同時(shí)兼顧施工安全，建議Ⅳ級(jí)圍巖老黃土隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量取值范圍可為8～10 cm

4.2 Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道預(yù)留變形量

Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量是8～12 cm，由圖7可知，當(dāng)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量分別取8、12、15 cm，拱頂下沉量低于8、12、15 cm的斷面所占百分比分別是97.97%、99.64%、100.00%。考慮現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的離散性，同時(shí)兼顧施工安全，建議Ⅴ級(jí)圍巖新黃土隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量取值范圍可為12～15 cm。

5 結(jié)論

本文依托蒙華鐵路雙線黃土隧道工程實(shí)際，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析得出了以下結(jié)論。

(1)隧道開挖時(shí)，拱頂下沉和周邊收斂發(fā)展較快，仰拱封閉后，變形速率減小，變形趨于穩(wěn)定；周邊收斂普遍小于拱頂下沉值。

(2)Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道深埋時(shí)，12.26%的斷面下沉速率>5 mm·d-1；淺埋時(shí)，拱頂下沉速率小于5 mm·d-1。因此，Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道深埋時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂下沉速率。

(3)Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道深埋時(shí)，拱頂下沉集中分布在50 mm以內(nèi)，速率集中分布在5 mm·d-1以內(nèi)；淺埋時(shí)，部分?jǐn)嗝婀绊斚鲁脸鲈O(shè)計(jì)預(yù)留變形量，速率分布在15 mm·d-1以內(nèi)，超出5 mm·d-1的斷面占比12.62%；其表現(xiàn)出的特點(diǎn)是：淺埋變形大，速率大。

(4)凈空變形特征值的平均值在淺埋時(shí)為4.1，深埋時(shí)為2.2。

(5)對(duì)于采用三臺(tái)階法施工黃土隧道，建議在Ⅳ級(jí)黃土圍巖條件下，隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量可取8～10 cm；在Ⅴ級(jí)黃土圍巖條件下，隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量可取12～15 cm。

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