劉文武

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

隨著西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，該地區(qū)修建了大量基礎(chǔ)設(shè)施。因此，西部地區(qū)隧道工程需下穿黃土土層。由于黃土強(qiáng)度低、節(jié)理發(fā)育、結(jié)構(gòu)性明顯等缺點(diǎn)，黃土地區(qū)的隧道施工易造成地層擾動(dòng)大，這嚴(yán)重影響隧道的安全。黃土地區(qū)隧道施工已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。

黃土地區(qū)隧道建造問題作為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者對(duì)此開展了一系列的研究。部分學(xué)者從黃土的工程特性進(jìn)行研究，陳煒韜等[1]基于灰色關(guān)聯(lián)度理論，結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法，獲取了隧道圍巖分級(jí)指標(biāo):塑性指數(shù)、天然密度和液性指數(shù)等。馮志焱等[2]基于黃土地區(qū)公路隧道工程，通過試驗(yàn)手段分析了土層的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步研究了不同條件下土體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。翁效林等[3]利用試驗(yàn)手段，研究了黃土地區(qū)的濕陷性黃土對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，解釋了黃土與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)制。梁慶國(guó)等[4]通過試驗(yàn)研究了黃土的各向異性、節(jié)理和水敏性等敏感參數(shù)對(duì)隧道的穩(wěn)定性影響，并從黃土物理力學(xué)性質(zhì)等方面分析了隧道圍巖的工程性質(zhì)。另一部分學(xué)者從隧道施工技術(shù)方面展開研究。楊建民[5]基于某鐵路隧道工程，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比不同工法下地表沉降和隧道變形，分析了三種工法的優(yōu)缺點(diǎn)，得出了三臺(tái)階七步法適用于黃土隧道開挖的結(jié)論。陳建勛等[6]基于MIDAS/GTS有限元軟件，建立不同模型，分析了有無系統(tǒng)錨桿的影響，研究表明系統(tǒng)錨桿能有效控制黃土隧道變形。岳嶺[7]利用數(shù)值模擬手段，研究了鐵路隧道下穿既有鐵路問題，對(duì)比了不同超前支護(hù)方案下隧道地表沉降和隧道變形，確定了最合理的施工方案。其他一些學(xué)者[8－12]也通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，對(duì)黃土隧道施工引起的隧道變形和地表沉降開展研究，并提出了一系列的控制措施。

本文以黃土地區(qū)南山堡隧道穿越第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土為工程背景，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，對(duì)比不同施工方案下隧道變形和地表沉降，確定適用于本工程的進(jìn)洞支護(hù)方案。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

南山堡隧道IDK866＋256～I(xiàn)DK866＋850段穿過第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，下方為砂巖夾泥巖和砂巖。砂質(zhì)黃土下部為粗圓礫層，厚度在0.7～2.5 m范圍變化，潮濕～飽和，有地下水流出，水量16～102 m3/d。砂質(zhì)黃土遇水易軟化，承載力降低?？梢?，圍巖穩(wěn)定性很差。砂巖夾泥巖節(jié)理發(fā)育、強(qiáng)風(fēng)化、巖體破碎嚴(yán)重。可見，該段隧道洞口所穿越地層圍巖穩(wěn)定性差。因此，在隧道進(jìn)洞口采取超前加固措施。圖1為洞口施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 洞口施工現(xiàn)場(chǎng)

2.2 重難點(diǎn)分析

黃土因其垂直節(jié)理、孔隙大、管狀孔道及濕陷性等特殊工程性質(zhì)，易造成施工過程中隧道變形大、穩(wěn)定性差等不利影響，嚴(yán)重的會(huì)造成隧道沉降和坍塌。本隧道工程穿越第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，而砂質(zhì)黃土遇水易軟化，承載力降低，因此隧道施工難度較大，主要表現(xiàn)在以下方面:

(1)在隧道進(jìn)洞口黃土形成仰坡、邊坡，由于各種原因，如黃土陷穴、本地段的掏砂洞、坡腳浸水、坡腳掏蝕等，再加上隧道施工過程中的擾動(dòng)，極易造成隧道進(jìn)洞口的坍塌。

(2)干燥的黃土強(qiáng)度和穩(wěn)定性不差，隧道施工較安全。但因黃土粘結(jié)力差，隧道施工后土體應(yīng)力重組合，當(dāng)黃土浸水后，其顆粒間粘結(jié)力迅速破壞，強(qiáng)度顯著降低。疊加上隧道施工過程中的擾動(dòng)，易造成掘進(jìn)過程中隧道發(fā)生下沉甚至失穩(wěn)坍塌。

(3)黃土結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度低，在大斷面開挖的情況下，拱頂土體在自重作用下形成下塌，當(dāng)隧道埋深較小時(shí)可以發(fā)展到頂部，形成地面下沉、開裂，甚至冒頂。

(4)隧道掘進(jìn)中遇到高含水量處，也會(huì)出現(xiàn)拱腳下沉量大，甚至掌子面土體坍塌的現(xiàn)象。

3 三維數(shù)值模型

3.1 計(jì)算模型建立

選擇隧道 IDK866＋256～I(xiàn)DK866＋306段建立三維數(shù)值模型，整體模型圖如圖2所示。整體模型尺寸長(zhǎng)50 m、寬50 m和高45 m(以隧道影響范圍3～5倍為原則建立模型)，隧道拱頂距地表11 m。模型上表面邊界條件為自由，其余表面邊界條件均為法向約束。模型單元數(shù)為173 600個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為184 050個(gè)。

圖2 三維數(shù)值模型

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。巖土體本構(gòu)模型采用摩爾－庫倫模型，用實(shí)體單元模擬。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

初襯和二次襯砌均用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型采用彈性模型；管棚加固區(qū)采用樁單元模擬、小導(dǎo)管加固采用錨索單元模擬，錨桿加固區(qū)采用實(shí)體單元模擬。各支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算步驟

該隧道施工方案為三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法、擴(kuò)大拱腳和掌子面加固聯(lián)合方案。隧道施工步驟如表3所示。

表3 具體施工步驟

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 不同超前支護(hù)方案對(duì)比

為研究不同超前支護(hù)方案支護(hù)效果，本節(jié)分析兩種方案結(jié)果。工況一為雙層超前注漿小導(dǎo)管＋洞口管棚，工況二為僅洞口管棚(掌子面加固范圍為掌子面前方1 m內(nèi)的土體)。

圖3給出了地表沉降和隧道拱頂變形曲線。從圖3a可以看出，地表沉降初期緩慢增大，在距掌子面距離25 m處迅速增大。這是由于隧道洞口土體為三維受力狀態(tài)，黃土的松散性導(dǎo)致隧道洞口施工對(duì)周邊較大范圍內(nèi)土層有顯著影響，因此地表沉降顯著增大。當(dāng)距掌子面距離小于20 m后，地表沉降增大速率顯著減緩。這表明初期支護(hù)和掌子面加固措施能有效控制土層變形。當(dāng)距掌子面距離小于0后，地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定。從圖中還可以看出，工況一下地表沉降峰值約為38 mm，工況二下地表沉降峰值約為44 mm，工況二地表沉降明顯大于工況一地表沉降。說明雙層超前注漿小導(dǎo)管＋洞口管棚的超前支護(hù)方案優(yōu)于僅洞口管棚的超前支護(hù)方案。

圖3 地表沉降和隧道拱頂變形曲線

圖3b的隧道拱頂沉變形曲線可以看出，隧道拱頂變形規(guī)律:隧道拱頂變形初期緩慢增長(zhǎng)，當(dāng)距掌子面距離10 m處時(shí)，拱頂變形迅速增大，直至距掌子面距離0 m時(shí)，拱頂變形迅速減小并趨于穩(wěn)定。這說明初期支護(hù)和掌子面加固對(duì)隧道拱頂變形控制效果顯著。從圖中還可以看出，工況一下地表沉降峰值約為12.2 mm，工況二下地表沉降峰值約為14.0 mm，工況二地表沉降大于工況一地表沉降。說明雙層超前注漿小導(dǎo)管＋洞口管棚的超前支護(hù)方案優(yōu)于僅洞口管棚的超前支護(hù)方案。

如圖4所示，兩種工況下隧道洞口處初期支護(hù)位移峰值均發(fā)生在上臺(tái)階拱腳處。工況一下的豎向位移和水平位移峰值分別為7.5 mm和18.5 mm；工況二下的豎向位移和水平位移峰值分別為10 mm和20 mm?？梢?，工況一的支護(hù)效果更好。

如圖5所示，由于洞口處仰坡坡度較大，仰坡處后方土體有下滑趨勢(shì)，而仰坡表明有隆起趨勢(shì)，該處的仰坡容易失穩(wěn)，因此洞口處圍巖的豎向和水平位移較大，有必要加強(qiáng)對(duì)仰坡的支護(hù)。另一方面，工況一下洞口豎向和水平位移均小于工況二下的豎向和水平位移，同樣可以看出，因此工況一方案的支護(hù)效果優(yōu)于工況二方案。

綜上所述，雙層超前注漿小導(dǎo)管＋洞口管棚超前支護(hù)方案支護(hù)效果更佳，實(shí)際施工時(shí)選擇該超前支護(hù)方案。但上述分析表明，隧道洞口的變形依舊過大，洞口仍舊處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)洞口圍巖支護(hù)。

4.2 隧道洞口施工措施優(yōu)化

為進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)方案，在上一節(jié)的研究基礎(chǔ)上，選擇工況一的超前支護(hù)方案，計(jì)算模型不變。掌子面加固措施采用6 m長(zhǎng)φ25玻璃纖維砂漿錨桿，通過提升掌子面前方6 m內(nèi)土體的粘聚力和摩擦角來模擬。同時(shí)提升洞口仰坡5 m內(nèi)土體參數(shù)，以模擬仰坡的超前支護(hù)加固。加固后的土體參數(shù)如表4所示。

表4 加固后土體物理力學(xué)參數(shù)

如圖6所示，洞口豎向最大位移發(fā)生在拱頂位置，峰值約為3 mm，洞口水平最大位移發(fā)生在拱腳位置，峰值約為2.3 mm。并且，初期支護(hù)變形沿著隧道進(jìn)深方向逐漸變大，隧道豎向變形從拱頂?shù)焦暗自絹碓叫　?/p>

圖6 加固后初期支護(hù)變形云圖

從圖7中可以看出，隧道開挖后，隧道洞口拱頂沉降峰值約為8.5 mm，隧道洞口水平位移峰值約為5 mm，最大地表沉降約為6 mm。仰坡表明土體隆起位移小于6 mm。對(duì)比圖5可知，加固后的隧道洞口圍巖變形顯著減小。并且，加固后仰坡沒有下滑，掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢娬谱用婕庸毯脱銎路雷o(hù)控制變形效果好。

圖7 加固后隧道洞口圍巖變形云圖

4.3 數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖8給出了數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線圖。從圖8中可以看出，數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)計(jì)算的地表沉降和隧道拱頂沉降規(guī)律一致，誤差在可控范圍內(nèi)，很好地驗(yàn)證了模型的正確性。另一方面，工況一的地表沉降和隧道拱頂沉降小于工況二的地表沉降和隧道拱頂沉降。進(jìn)一步說明了工況一的控制措施更合理。

圖8 數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線

5 結(jié)論

本文以黃土地區(qū)南山堡隧道穿越第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土為工程背景，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，對(duì)比不同超前支護(hù)方案下隧道變形和地表沉降，確定適用于本工程的進(jìn)洞支護(hù)施工方案。通過對(duì)比分析，進(jìn)一步研究了隧道洞口施工措施優(yōu)化。主要得到以下結(jié)論:

(1)通過數(shù)值模擬對(duì)比分析可知，三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法和洞口管棚可以控制隧道變形，采用雙層超前注漿小導(dǎo)管和洞口管棚聯(lián)合支護(hù)控制變形效果更好。但洞口仍舊處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)掌子面采用6 m長(zhǎng)φ25玻璃纖維砂漿錨桿加固能進(jìn)一步減小隧道洞口變形，使得隧道洞口處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)洞口超前大管棚、超前雙層小導(dǎo)管、三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法施工措施控制效果良好。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，實(shí)際施工時(shí)隧道變形未超限，隧道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。這可為黃土地區(qū)隧道施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。