汪丹

中交二公局第三工程有限公司 陜西西安 710016

在世界占地面積中，我國(guó)的國(guó)土面積是世界上最大的，其中，黃土的面積占地的面積也是最廣，黃土的占地面積在總的國(guó)體面積中，所占的比例是6.3%，但大部分的占地面積所處的地區(qū)時(shí)西北地區(qū)。由于黃土垂直節(jié)理發(fā)育，強(qiáng)度較低，具有明顯的結(jié)構(gòu)性、水敏性和區(qū)域差異性，使得黃土隧道開(kāi)挖引起的擾動(dòng)變形較大。黃土隧道作為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問(wèn)題，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[1]。本文基于此，針對(duì)黃土隧道的洞身穿越巖土分界受力變形的進(jìn)行研究分析，詳細(xì)如下可知。

1 工程概況

在蒙華鐵路煤運(yùn)通道的集疏運(yùn)系統(tǒng)構(gòu)成中，最為重要的靖神鐵路，它也是在陜西省“十三五”規(guī)劃交通運(yùn)輸基礎(chǔ)建設(shè)中的一項(xiàng)重要項(xiàng)目[2]。在該鐵路的黃土隧道中，它的地層品質(zhì)為新老黃土，它的圍巖自穩(wěn)性很差，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，隧道暗挖段洞身穿越巖土分界線。橫山單線鐵路隧道位于陜西省橫山縣。隧道進(jìn)口里程DK165+160，出口里程DK165+944。該隧道的總長(zhǎng)為784米，他們的圍巖級(jí)別都是五級(jí)和七級(jí)，同時(shí)該洞身的覆蓋層的最大厚度為22米。隧道主要位于風(fēng)積砂層和黃土地層，為解決風(fēng)積砂層圍巖自穩(wěn)性很差的問(wèn)題，洞身穿越風(fēng)積砂層部分采用明挖法，主要穿越黃土部分采用暗挖法[3]。

根據(jù)地勘資料，隧道暗挖段洞身位于黃土和砂巖夾泥巖接觸帶，洞身圍巖有2種情況：①洞身全部為黃土（DK165+220-DK165+305）；②上半洞身為黃土、下半洞身為砂巖夾泥巖（DK165+305-DK165+445）。圖1表示的是隧道洞身巖土橫斷面的地質(zhì)情況。具體如下圖1可見(jiàn)。

橫山隧道暗挖段主要采用超前小導(dǎo)管、兩臺(tái)階法+臨時(shí)橫撐+擴(kuò)大拱腳+掌子面加固施工方法?，F(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖2所示。

2 隧道變形受力特征分析

2.1 分析模型

根據(jù)圖1中的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)建設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)模擬模型。數(shù)值模擬采用有限差分軟件Flac3D，隧道頂覆土厚度取10m，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為187476，單元數(shù)為178600。模型上邊界為地表，左、右及下邊界圍巖范圍取3倍洞徑。上邊界采用自由邊界，其余邊界約束法向位移（位移為0），計(jì)算模型如圖3所示。各層圍巖視為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性介質(zhì)，僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)[4]。隧道初支采用shell單元模擬，錨桿、超前小導(dǎo)管采用cable單元，圍巖與二襯采用實(shí)體單元。圍巖采用摩爾-庫(kù)倫力學(xué)模型，二次襯砌采用彈性力學(xué)模型。為更好地對(duì)隧道穿越巖土分界線進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Flac3D的接觸面單元（interface）模擬巖土地層間相互滑移和剝離作用，并與單純?cè)O(shè)置兩種不同參數(shù)地層的工況及監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 計(jì)算參數(shù)

因?yàn)闄M山隧道的暗挖段的圍巖主要分為兩個(gè)級(jí)別，一個(gè)是五級(jí)，另一個(gè)是六級(jí)，其中五級(jí)的圍巖較弱，使得其相關(guān)系統(tǒng)能夠的錨桿呈現(xiàn)的效果不加，所以將其停止去除，拱頂施作超前小導(dǎo)管。超前小導(dǎo)管采用42熱軋無(wú)縫鋼管及鋼花管，單根長(zhǎng)3.6m，每環(huán)22根，外插角10°-15°，搭接長(zhǎng)度不小于1m，壓注水泥漿液，在拱部150°范圍內(nèi)布設(shè)。初期支護(hù)設(shè)置參數(shù)如表1所示。

圍巖物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘察資料選取。支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.3 結(jié)果分析

（1）巖土分界線的工況分析。依據(jù)隧道大部地層分布情況，計(jì)算模型從上到下共3種土層，依次為新黃土、砂巖夾泥巖、砂巖。根據(jù)洞身圍巖分布情況和是否考慮巖土分界線處設(shè)置接觸面單元，共分為4種工況，分別為：

工況1：洞身全部為黃土，且在巖土分界線處未設(shè)置接觸面單元；工況2：上半洞身為黃土、下半洞身為砂巖夾泥巖，且在巖土分界線處未設(shè)置接觸面單元；工況3：洞身全部為黃土，且在巖土分界線處設(shè)置接觸面單元；工況4：上半洞身為黃土、下半洞身為砂巖夾泥巖，且在巖土分界線處設(shè)置接觸面單元[5]。

（2）隧道初支受力分析。四種工況的初期的壓應(yīng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)分布的狀態(tài)是以相互對(duì)稱的形式。工況1墻腳受到壓應(yīng)力最大，約7.44MPa，下臺(tái)階較上臺(tái)階初支受到的壓應(yīng)力更大。工況2中，當(dāng)它的向上臺(tái)階的拱腰的壓應(yīng)力變得最大時(shí)，它的拱腰以及到隧道的壓應(yīng)力則會(huì)逐漸變小。工況3的壓應(yīng)力分布規(guī)律與工況1基本一致，工況3的最大壓應(yīng)力比工況1稍小，約為7.19MPa。工況4的壓應(yīng)力分布規(guī)律與工況2基本一致，但上臺(tái)階拱腰、拱腳部位，即靠近分層界面處壓應(yīng)力較大，最大約為4.7MPa。因此有必要設(shè)置上臺(tái)階鎖腳錨桿[6]。

表1 初期支護(hù)參數(shù)

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3 與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)結(jié)果一致，數(shù)值上與工況2較為接近，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地表沉降與拱頂下沉均控制在5mm范圍內(nèi)，至停測(cè)時(shí)DK165+414.8周邊收斂測(cè)點(diǎn)最大位移為2.64mm，隧道地表沉降及圍巖變形控制效果較好，隧道安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

①超前小導(dǎo)管、兩臺(tái)階法+臨時(shí)橫撐+擴(kuò)大拱腳+掌子面加固施工方法可有效控制圍巖變形，保證隧道安全施工。②小導(dǎo)管變形、受力較大處，支護(hù)受力有明顯減小，小導(dǎo)管分布區(qū)域塑性區(qū)面積也有所減小，超前小導(dǎo)管起到了限制圍巖變形的作用。③掌子面全為黃土?xí)r圍巖變形量、支護(hù)受力明顯較大，應(yīng)確保加強(qiáng)拱腳與墻腳支護(hù)，并及時(shí)施作仰拱，超前支護(hù)采取雙層超前小導(dǎo)管。④計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)都表明地表沉降、拱頂下沉和洞周位移均＜15mm，實(shí)際施工時(shí)的隧道地表沉降及圍巖變形控制效果較好，隧道安全穩(wěn)定。