阳曲1号黄土隧道围岩变形规律研究

吴 永，魏 伟，王国强

(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)

由于黄土隧道的不断增加，施工中面临问题较多，国内外许多研究者在此方面做了大量的工作。隧道施工理论计算与现场监测成为隧道施工安全性保障的有利证明，通过现场对围岩与支护形式监测，为下一步初期支护和二次支护参数调整提供依据，把理论计算与现场监测进行对比整理，可以进一步优化支护方案和施工方案，这样可以得到合理有效的方案，既可以提高施工速度与质量，还可以节省成本。以阳曲1号黄土隧道为工程依托，通过MIDAS/GTS数值模拟和现场监测，对隧道双侧壁施工法施工过程进行模拟，通过与现场监测数据对比，得到了一些可靠结论。

1 工程概况

山西平阳高速公路21合同段阳曲1号隧道进口工程位于凌井小盆地的地表黄土冲刷沟壑浅埋地段中，洞口浅埋Ⅴ级围岩地段设计埋深在13～38 m，跨度约为15 m，高度约为10 m;该隧道在施工过程中由于土体自稳性极差，洞顶土体容易失稳。

隧道采用双侧壁导洞法进行开挖，遵循新奥法原理，尽量少扰动围岩，采用柔性支护，充分发挥围岩自承作用，并辅以超前支护辅助工法，隧道横断面见图1。本文用于数值模拟的目标断面为ZK93+917，隧道埋深25 m。

图1 隧道支护衬砌(单位:cm)

2 隧道施工过程数值模拟

2.1 模型建立

考虑开挖影响的范围，因此模型尺寸长×宽×高=105 m×10 m×62 m。模型地表面为自由面，四周采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件。计算中土体为摩尔-库仑材料，初支采用C25混凝土，厚度0.25 m，锚杆直径25 mm，长度4.5 m，总数32根。初始应力场仅考虑土体自重应力场，不考虑地层的地层构造应力。整个模型共个3 638节点，共12 186单元。地层采用实体单元，喷混采用板单元，锚杆采用植入式桁架，网格划分见图2。

图2 隧道计算模型

2.2 参数选取

根据工程地质勘察报告，数值计算所采用的岩土体的物理力学参数见表1。

表1 模型计算材料参数

2.3 现场施工过程模拟

在隧道施工过程中，模型采用开挖每循环进尺1 m，总共10个循环，按照左导坑—右导坑—中间导坑的顺序施工。为了研究开挖支护后围岩变形规律，计算提取了拱顶沉降、周边收敛数据，而观测截面选在开挖第一循环截面。

2.4 数值模拟结果分析

2.4.1 隧道围岩竖向位移分析

从图3隧道的开挖过程可以看出，左导坑开挖支护结束后，最大位移出现在导坑的拱顶，最大值为1.71 cm，两肩处位移集中，边墙和拱脚位移相对较小，发生底鼓现象，而且随着开挖的进行，由于掌子面对目标面约束减小，整个竖向位移变化规律呈先增长后逐渐平稳。在右导坑开挖支护中，左导坑位移发生突变，位移值达到2.17 cm，但位移集中区域减小，右导坑两肩也出现位移集中。当右导坑开挖支护结束后，左导坑位移增加到2.43 cm，右导坑位移值为1.75 cm，右导坑也发生底鼓现象。当中间导坑开挖结束后，左右导坑位移集中区域都有所减小，但数值都有所增加，拱顶下沉左导坑从2.43 cm增加到2.47 cm，右导坑从1.75 cm增加到2.46 cm。最大位移出现在拱顶处，最大值为2.53 cm。

图3 围岩竖向位移云图

从上述的描述中及图4中可发现，竖向位移主要分布在拱顶与拱底处，整个竖向位移随着开挖的进行，表现出先增长后平稳的变化趋势，而且位移影响范围逐渐扩大，扩展到隧道的顶部与底部。

2.4.2 隧道围岩横向位移分析

图4 隧道竖向位移变化曲线

从图5隧道的开挖过程可以看出，左导坑开挖支护结束后，拱腰的位移最大，且最大位移为20.17 cm，且随着开挖的进行，横向位移呈先增长后逐渐平稳。在右导坑的开挖支护中，左导坑横向位移发生突变，并增长到22.13 cm。当右导坑开挖结束后，左导坑位移增加到22.15 cm，右导坑位移值为20.13 cm，且两侧的位移基本对称，两导坑连接处位移较集中而其外侧的位移影响范围大。当中导坑开挖结束后，右导坑从20.13 cm增加到22.16 cm，且影响范围继续扩大。

图5 围岩横向位移云图

从上述的描述中及图6中可发现，横向位移主要分布在拱腰处，且左右侧基本对称，而且随着开挖的进行，影响范围逐渐增大。由于围岩的含水率较高，围岩的横向位移较大。

图6 隧道收敛变化曲线

4 现场监测

4.1 监测方案

为了掌握围岩的变形规律，在施工期间对拱顶下沉及水平收敛进行了监测。收敛采用JSS30A型数字显示式收敛仪，收敛值取3次测量的平均值，以消除误差。监测方案如图7所示。

图7 测点布置

4.2 隧道水平收敛与拱顶下沉(图8、图9)

(1)隧道收敛量与拱顶下沉量呈现先增长后稳定的变化趋势，但也不是绝对的稳定，稳定中有少许的增长，这与围岩本身湿软的特性有关。

(2)隧道的收敛发生在开挖后的短期内，所以实际施工时，根据观测到的监测数据，要适时调整初期支护的刚度，以达到新奥法施工的特点。

图8 隧道竖向位移变化曲线

图9 隧道收敛变化曲线

(3)围岩的变形在进行不同部开挖时，围岩的变形会突增，说明对围岩的扰动较大，在实际施工中要注意及时封闭岩面，以便让岩体尽早稳定。

(4)监测的数据出现一定的离散性，说明实际施工是各种因素的综合体。岩体本身湿软，而且断面大，整体变形较大，当隧道开挖结束后，岩面不宜暴露太长时间。

5 结论

通过数值模拟与现场监测数据进行对比，对阳曲1号梁隧道变形规律进行了系统分析，可以归纳为以下几点。

(1)阳曲1号隧道围岩软弱，在开挖支护结束短期内，围岩变形较大，随后围岩稳定，但稳定中仍有增长。

(2)围岩稳定中增长的幅度较小，所以不影响二衬的施作。

(3)对比数值模拟与监测的结果，现场监测的数据偏大，说明实际施工中影响围岩变形的因素较多，而且围岩的含水量较高，如不及时封闭，对围岩的自稳能力会产生较大的影响。

(4)围岩的含水量较高，初期支护拱角处可能由于强度低而变形大，所以及时施作仰拱，使围岩的变形减小。

(5)隧道开挖数值模拟与围岩监测结果基本一致，说明支护参数合理，可被工程接受，为黄土隧道的建设积累了经验。

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