唐 杰

（廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200）

0 引言

黃土廣泛存在于我國(guó)西部，隨著西部大開(kāi)發(fā)，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)迅速發(fā)展的新階段。在山區(qū)交通建設(shè)過(guò)程中，隧道的開(kāi)挖可以極大地節(jié)約里程與人們出行所需要的時(shí)間。隨著隧道的斷面面積增大，發(fā)生掌子面失衡、地表塌陷等問(wèn)題的頻率越來(lái)越高，因此對(duì)隧道圍巖的變形特性的研究和如何保證大斷面隧道圍巖的穩(wěn)定性便成了很多專家及學(xué)者的研究方向。

目前針對(duì)大斷面隧道圍巖變形特征的研究方法有模型實(shí)驗(yàn)法、數(shù)值仿真研究、檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋分析法、人工智能方法、工程地質(zhì)類比方法、力學(xué)解析法等[1]。鑒于此，基于數(shù)據(jù)反饋分析法，測(cè)得橫向及豎向的沉降量和沉降速率，再將現(xiàn)場(chǎng)的土樣進(jìn)行原狀和擾動(dòng)后的三軸實(shí)驗(yàn)，得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，基于FLAC3D建模，對(duì)隧道在初期支護(hù)條件下的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到大斷面隧道圍巖變形特性。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

以往的道路多以單線，雙線為主，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，物流業(yè)的興起，道路趨于多線，隧道的斷面不斷地增大，開(kāi)挖的難度也在急劇地增加，因此對(duì)隧道圍巖變形特性研究，確保隧道變形在規(guī)定范圍內(nèi)也面臨著巨大挑戰(zhàn)。隧道的劃分按照斷面面積標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)

該隧道凈空斷面面積為90 m2，屬于大斷面隧道的范圍。

1.1 拱頂下沉

由于大斷面黃土隧道施工難度大，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道的變形，并保證施工人員的安全及施工順利竣工，該隧道采用三臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖法進(jìn)行施工，并采取復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。在隧道的斷面布置12個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)量該隧道的沉降量變化，可以很好地了解隧道開(kāi)挖后，圍巖經(jīng)過(guò)一次襯砌、二次襯砌后的應(yīng)力及變形變化，了解襯砌的效果，為簡(jiǎn)潔高效的襯砌施工提供依據(jù)。

隧道圍巖變形主要表現(xiàn)為拱頂下沉與水平收斂。拱頂下沉隨時(shí)間變化曲線如圖1所示。

圖1 拱頂下沉

拱頂?shù)南鲁亮吭?6 mm附近，在前2 d，黃土隧道的下沉量較小，無(wú)明顯曲線變化，第2～5 d時(shí)，可以明顯地看到下沉量的激增[1]，一方面由于前面2 d下沉量的積累，另一方面由于其本身的下沉量，第17 d時(shí)，下沉量很小，第22 d幾乎不下沉，符合黃土松散性的特點(diǎn)。

除了拱頂下沉的變形外，還有水平收斂變形，其隨時(shí)間變形如圖2所示。

圖2 水平收斂曲線

水平收斂在第5～17 d，日收斂量在增加，之后收斂量降低趨于0，最終的水平收斂量約為3 mm。相較于拱頂下沉的變形而言，黃土隧道的水平收斂量比較小。

伴隨著隧道的開(kāi)挖，為保證施工人員的安全及保證施工順利竣工，需保證頂部A測(cè)點(diǎn)所測(cè)量下沉量及下沉速度在規(guī)范限度內(nèi)，因此需要時(shí)刻檢測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到拱頂下沉量隨開(kāi)挖進(jìn)度曲線如圖3所示。

圖3 2 m進(jìn)尺下拱頂沉降量

拱頂?shù)某两盗堪殡S著開(kāi)挖進(jìn)尺在不斷地增加，當(dāng)距離測(cè)點(diǎn)20～30 m時(shí)，沉降量變化最快，說(shuō)明開(kāi)挖距離為25 m左右時(shí)，對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)影響最大，最終的拱頂沉降量為51 mm。

1.2 圍巖壓力

因?yàn)樗淼赖拈_(kāi)挖，其會(huì)影響山體的地表的下沉，影響范圍如圖4所示，地表的下沉量如圖5所示，造成應(yīng)力重分布，影響隧道圍巖的壓力變化。

圖4 影響范圍

在山體的表面設(shè)置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，位置分布如圖4所示，其中測(cè)點(diǎn)的距離從左到右分別為：5 m、6 m、3 m、3 m、3 m、3 m、3 m、6 m、5 m，測(cè)得影響范圍內(nèi)的地表下沉量如圖5所示[2]。

圖5 地表下沉

隧道正中間的下沉量是最大的，往兩側(cè)去，下沉量在逐漸降低，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，下沉量也在增加。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

對(duì)黃土隧道圍巖變形存在影響的因素有：開(kāi)挖方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工順序、周邊施工等。因?yàn)辄S土的大孔隙及質(zhì)地松軟的特點(diǎn)，造成了黃土隧道的相關(guān)理論及技術(shù)不夠成熟。將從現(xiàn)場(chǎng)取得的黃土樣品，參數(shù)如表2所示，含水量為12.4%，在50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa的圍壓下進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D6、7所示。

圖6 原狀黃土壓力－應(yīng)變曲線

表2 土樣參數(shù)

在隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，設(shè)備的震動(dòng)，重力的重分布等會(huì)導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生擾動(dòng)，因此，原狀圖的變形特點(diǎn)與實(shí)際有所區(qū)別，為了得到與實(shí)際情況較為符合的壓力應(yīng)變關(guān)系，將擾動(dòng)黃土進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7所示。

圖7 擾動(dòng)黃土壓力－應(yīng)變曲線

比較圖6與圖7，擾動(dòng)后的黃土屈服強(qiáng)度衰減，應(yīng)力應(yīng)變?cè)谖催_(dá)到屈服強(qiáng)度前基本上呈現(xiàn)線彈性，達(dá)到屈服強(qiáng)度后，黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率變小，圍壓越小，斜率的變化越大。

3 數(shù)值模擬

基于FLAC3D，建立隧道的三維數(shù)值模型，因?yàn)橹亓χ胤植嫉脑?，該模型的大小取值?倍的隧道洞口口徑[3]，并且根據(jù)開(kāi)挖及支護(hù)等實(shí)際情況進(jìn)行模擬計(jì)算。該模型采取彈性模型，其左右及下部采取限制位移的方法構(gòu)造邊界，圍巖的初始應(yīng)力為覆蓋土體的自重應(yīng)力。

在隧道開(kāi)挖后，需要進(jìn)行襯砌施工，為了保證圍巖與襯砌接觸緊密，需要保證地表的沉降在規(guī)范限制內(nèi)，數(shù)值模擬得到的地表沉降位移如圖8所示。

圖8 地表沉降位移云圖

由數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，隧道在初期支護(hù)的條件下開(kāi)挖引起的地表沉降，在隧道中心線的正上方處最大，為11 mm，處于隧道軸線上的沉降量最大，向兩側(cè)逐漸降低，趨于穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相符合。

4 結(jié)論

鑒于此，基于數(shù)據(jù)反饋分析法，測(cè)得橫向及豎向的沉降量和沉降速率，再將現(xiàn)場(chǎng)的土樣進(jìn)行原狀和擾動(dòng)后的三軸實(shí)驗(yàn)，得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，基于FLAC3D建模，對(duì)隧道在初期支護(hù)條件下的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到大斷面隧道圍巖變形特性結(jié)論如下：

（1）大斷面黃土隧道的變形主要是拱頂下沉。拱頂?shù)南鲁亮吭?6 mm左右。

（2）拱頂?shù)某两盗侩S著開(kāi)挖進(jìn)尺在不斷地增加。當(dāng)距離測(cè)點(diǎn)20～30 m時(shí)，沉降量變化最快，沉降速率最大。

（3）隧道的正中間的下沉量是最大的。往兩側(cè)去，下沉量逐漸降低，趨于穩(wěn)定，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，影響得下沉量也在增加。

（4）黃土在未達(dá)到破壞的時(shí)候，應(yīng)力應(yīng)變基本上呈現(xiàn)線彈性。應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，由于黃土結(jié)構(gòu)的破壞，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率在減少。圍壓越小，斜率的變化越大，擾動(dòng)后的黃土屈服強(qiáng)度衰減。