黄土隧道浅埋偏压段初期支护原型观测和受力特性分析

李磊，陈光荣,杨燕伟,2

（1.中国水利水电第三工程局有限公司，陕西西安710032；2.南京水利科学研究院，江苏南京210029）

0 引言

浅埋、偏压黄土隧道的设计和施工一直是黄土隧道建设中的难题。随着交通事业的发展，山区修建更多的隧道经常出现浅埋偏压软弱围岩，由于围岩压力呈明显不对称性、不均匀性，使支护受偏压荷载，施工中稍有不慎将出现塌方的严重事故。因此，提出合理的隧道浅埋偏压段下穿方案，研究施工过程就十分重要。朱家桥等[1]在1988年应用多点位移计对军都山浅埋黄土铁路隧道施工中的拱顶垂直位移进行了监测，并成功地预报了隧道大塌方。随着越来越多黄土铁路隧道的出现，针对黄土隧道大跨度、大断面的特点进行的研究也越来越多。例如，姜久纯[2]对刘家坪3号隧道的初期支护结构进行受力监测，同时采用有限元分析软件对隧道施工过程进行了数值模拟分析，监测结果表明喷射混凝土应力均为压应力，且分布不均。格栅拱架内、外侧均为压应力，分布不均；计算结果和实测结果较为一致。赵占厂等[3]针对矿山法施工的黄土隧道衬砌受力特性，根据埋深和土质情况不同，对3座黄土公路隧道进行了大规模的现场测试，并利用有限元程序对隧道施工过程进行了动态模拟。然而，针对三台阶七步开挖法施工的黄土隧道浅埋偏压段支护结构力学特性的研究甚少。因此，以大西铁路客用专线2标段内的磨盘山隧道进口浅埋偏压段为工程依托，进行现场施工监测和分析，结合数值模拟的方法研究黄土隧道浅埋偏压段初期支护结构的力学特性。

1 工程概况

大西铁路客用专线磨盘山隧道进口里程DK211+605～DK211+625处冲沟沟底坡度约为40°，沟底地形左高右低，冲沟走向与隧道轴线基本垂直，冲沟沟底右侧基本与隧道开挖线相切，地形引起的隧道偏压严重。该段隧道围岩上部为第四系全新统坡积次生黄土，土质疏松，结构松软，垂直节理发育，成洞性能较差，围岩下部为中更新统老黄土。隧道开挖时易坍塌，处理不当会出现较大坍塌。

该段隧道属于V级围岩，最大开挖跨度15.5 m，采用三台阶七步开挖法施工，开挖进尺为一榀钢拱架（0.6 m），仰拱距离掌子面距离为30 m。地表采取填土反压措施，缓解地形原因造成的偏压；同时洞内施加Φ108大管棚超前支护，下穿施工方案示意图见图1。

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

2 现场施工监测及分析

2.1 监测内容及方法

针对磨盘山隧道进口DK211+600～DK211+640段冲沟浅埋偏压的特点，在里程DK211+608.6、DK211+613及DK211+618处分别安装应变计对钢拱架应力进行监测，同时，对隧道净空变化采用全站仪进行监测。钢拱架内力采用差动电阻式应变计进行监测，监测仪器测点布置示意图见图2。隧道净空变化量测采用全站仪进行。基本测线布置可参照图3。

图2 应变计测点布置示意图Fig.2 Distribution of monitoring points

图3 基本测线布置示意图Fig.3 Distribution of surveying lines for tunnel settlement

2.2 监测结果及分析

2.2.1 隧道钢拱架应力

整理各点所测得的钢拱架外侧应力，绘制成外侧应力分布图，如图4～6所示。

图4 DK211+608.6钢拱架应力分布Fig.4 Stress distribution of steel arch in DK211+608.6

图5 DK211+613钢拱架应力分布Fig.5 Stress distribution of steel arch in DK211+613

图6 DK211+618钢拱架应力分布Fig.6 Stress distribution of steel arch in DK211+618

（1）由图4可知里程DK211+608.6处钢拱架上半部分外侧应力分布基本对称，处于受压状态，右下侧局部受拉，最大压应力22.05 MPa，偏压趋势不明显；分析认为由于该里程处位于偏压段初始位置，受前面非偏压段支护结构纵向拱效应的影响，没有表现出明显的偏压受力特征。由图5可知，该偏压段中心里程DK211+613处，受地形偏压影响，钢拱架受力表现出明显的偏压特征，钢拱架左侧受压，最大压应力34.88 MPa，钢右侧受拉，最大拉应力28.9 MPa，发生在拱腰部位。从图6看，里程DK211+618处钢拱架受力特征与里程DK211+613处基本相似，但钢拱架应力量值明显小于DK211+613处，分析这是未开挖的非偏压段围岩的纵向拱效应的原因。

（2）从3个监测断面钢拱架外侧应力的量值来看，最大应力远远小于钢拱架的屈服强度（390 MPa），表明钢拱架强度没有充分发挥，其在支护体系中作用不是很明显；地形偏压未影响钢拱架结构整体性的稳定。

2.2.2 隧道净空变化

由里程DK211+608.6、DK211+613、DK211+618处拱顶下沉实测资料整理绘制的监测断面拱顶实测过程线见图7。

从图7可以看出DK211+608.6、DK211+613、DK211+618断面的拱顶沉降测点在历时30 d的监测中累计沉降分别为36.4 mm、37.2 mm和41.7 mm，最大沉降速率分别为8.0 mm/d、4.0 mm/d和5.0 mm/d，仰拱封闭后平均沉降速率0.5～1.5 mm/d，拱顶沉降变化比较缓慢，趋近稳定。

3 数值模拟分析

3.1 数值计算模型

根据隧道围岩的工程地质条件与力学性态，采用FLAC3D进行模拟计算，计算中采用摩尔-库伦模型。根据圣维南定理，考虑到尺寸效应引起的计算误差，隧道中心线两侧取3.5倍洞径，下边界为3倍洞径，上边界到地表。计算模型如图8所示。按刚度等效的原则，将钢拱架的弹性模量折算到喷射混凝土。采用围岩和支护结构材料参数如表1所示。

图7 监测断面拱顶下沉实测曲线Fig.7 The curve of vertical displacement of arch crown on monitoring section

图8 数值模拟计算模型Fig.8 Model for numerical simulation

3.2 计算结果及分析

取拱顶和左右拱腰3个部位为关键点，3个关键点的计算位移见表2。由表2可见：拱部下沉最大值为41 mm，大于实测值37.2 mm，分析认为是由于受实测条件的限制，未测量核心土开挖前隧道的下沉量；左拱腰下沉最大，拱顶次之，右拱腰最小，这与实测结果规律一致；左右边墙均向隧道右侧位移，拱顶向右偏移13 mm，说明隧道整体向右偏移13 mm。初期支护受力计算结果见图9。由图9可以看出：由于地形偏压存在，较大弯矩依然出现在左拱脚和右拱顶处；轴力是右侧受拉，初期支护受力较大，左侧轴力明显大于右侧轴力，与钢拱架应力实测规律一致。

表1 围岩和支护结构材料参数表[4]Table 1:Mechanical properties of surrounding rock and sup⁃porting structure

表2 各关键点计算位移Table 2:Displacement data of key points

4 结语

（1）浅埋偏压情况下，隧道拱部发生了平移，应加强对隧道结构水平位移的监控量测。

（2）该偏压段隧道钢拱架受力较复杂，但由于上覆土薄，钢拱架总体受力较小，最大应力远小于钢拱架屈服强度，表明钢拱架在支护体系中安全储备较大。

（3）在该偏压段，由于上覆土薄，容易发生塌方，采取长大管棚超前支护并填土反压措施的作用明显。建议在黄土隧道浅埋偏压段施工采取填土反压措施减缓地形偏压。■

图9 隧道支护结构受力状态Fig.9 Stress state of the support structure of the tunnel

[1]朱家桥.朱维申.军都山隧道黄土试验段垂直位移观测及分析[J].岩土力学，1988,9(1):21-25.

[2]姜纯久.黄土隧道初期支护结构受力特性研究[J].2008,12(11):38-41.

[3]赵占厂,谢永利,杨晓华,等.黄土公路隧道衬砌受力性测试研究[J].中国公路学报，2004,17(1):66-70.

[4]大西铁路客用专线磨盘山隧道工程黄土静力学特性实验报告[R].西安理工大学水利水电学院岩土工程实验室.2011.