浅埋偏压黄土隧道施工支护优化综合技术研究

闫 春 莉

(张家口远大建设集团有限公司,河北 张家口 075000)

1 前 言

黄土强度低、变形大、自承能力小、工程性质差、受水的影响十分强烈，一旦被水浸泡达到饱和状态，其强度会明显降低。因此，在黄土地区修建隧道的难度远大于岩石隧道。张承高速草帽山黄土隧道还具有浅埋偏压等现象。本文采用数值模拟、监控量测等方法对该隧道V级围岩浅埋偏压段施工、支护方案进行研究，并进行优化。

2 隧道工程概况

隧道建筑限界单洞净宽12.50 m，横断面组成为0.75+0.75+3.75×2+2.75+0.75 m，限界高度5.0 m，设双侧检修道。隧道暗洞按照新奥法原理施工。浅埋黄土段或Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法开挖或留核心土开挖法，机械或人工开挖，严禁洞内积水，以台阶法开挖为主，上半断面长度控制在5 m左右[1]。

3 隧道数值模拟建模

采用FLAC3D有限差分程序[5]进行数值模拟计算。

3.1 模拟范围

隧道Ⅴ级围岩浅埋段开挖断面为14.9 m×11.2 m(宽×高)，计算模型基本尺寸为：开挖断面左右分别取距隧道中心线的4倍洞宽，向下取隧道距隧道底部的3倍洞高，向上取至地表，纵向长60米。对于地表深约十米的取土坑，在模拟隧道开挖前先恢复地表原始状态，当地表被破坏后模拟出地应力重新分配的情况。

3.2 计算模型和计算参数

在计算模型中，围岩采用了FLAC3D提供的Mohr-Coulomb强度准则，计算各土层所采取的的物理力学参数取自河北省交通规划设计院所做的土工试验结果；隧道的其它物理力学参数直接来自施工现场取样。具体见表1。

表1 数值模拟参数表

岩土体的体积模量(K)和剪切模量(G)由下式确定[6-7]：

(1)

(2)

式中E为弹性模量，μ为泊松比。

3.3 数值模拟监测点的布置

为满足施工需要并指导施工，需对模拟的隧道进行一系列点的监控，把轮廓隧道洞内收敛和地表下沉观测点。本次数值模拟将重点监测隧道开挖至坑体时土体的力学响应，以及控制开挖对隧道周围土体的影响，确定合理的开挖顺序及支护方法。监测横断面的测点将包括地表下沉观测点和洞内收敛点，具体的布点情况如下图1。监测断面布设在隧道进入地表坑体6米处。

图1 数值模拟监测点布置图

3.4 隧道的开挖

草帽山隧道穿越黄土段开挖断面大、地表情况复杂。双侧壁导坑法虽然施工安全，但工序复杂、进度慢、造价高。正台阶法施工，虽然进度快，但在掌子面土体开挖完成后，拱顶土体下沉严重，存在安全风险。兼顾施工安全和进度，确定采用正台阶环形开挖预留核心土法施工。

4 模拟计算结果

4.1 隧道上导洞开挖模拟.

1)上导洞开挖至监测断面

当上导洞开挖至监测断面且无支护时，上导洞沿左右两侧大约45度角的范围内出现剪切破坏，可能出现拱顶处坍塌和地表土下沉并出现裂缝。从拱顶下沉和地表下沉曲线及下沉速率图中可以看出下沉量和下沉速率基本相同，从数值上分析可知隧道无支护时隧道拱顶下沉量和地表下沉量都超过80 cm且下沉速率变大，这表明掌子面土体已经失稳。所以，隧道在上导洞开挖前，应进行超前支护，开挖后要及早布置径向锚杆并支护钢拱架喷射混凝土。

2)监测断面前方上导洞施工.

当隧道上导开挖远离监测断面1 m时，拱顶下沉量达6.8 cm，中心地表下沉量达5 cm，左拱腰下沉量达9.2 cm，右拱腰下沉达3.6 cm，沉降差为5.6 cm；当隧道上导开挖远离监测断面3 m时，拱顶下沉量达7.4 cm，地表下沉量达5.5 cm，拱顶左拱腰下沉量达10 cm，右拱腰下沉达4 cm，沉降差为6 cm。

3)隧道上导洞施工对监测断面的影响.

在隧道上导洞有支护时，开挖至监测断面时，拱顶下沉量达5.2 cm，中心地表下沉达4.3 cm，左拱腰下沉达7.3 cm，右拱腰下沉达3 cm，沉降差为4.3 cm，各监测沉降曲线的收敛速率增大；当隧道上导开挖远离监测断面1 m时，拱顶下沉量达6.8 cm，地表下沉量达5 cm，拱顶下沉速率和地表下沉速率收敛明显，左拱腰下沉量达9.2 cm，右拱腰下沉达3.6 cm，沉降差为5.6 cm，两侧不均匀沉降进一步加大。

由以上可知，进行上导洞开挖时，应对掌子面进行超前支护，开挖后及时支护锚杆喷射混凝土。左右拱腰出现的不均匀下沉，表明土体在受到偏压及重力作用下，由于黄土体承载力低，隧道产生了不均匀的沉降，应及时在沉降量较大侧垫木支撑，必要时进行临时性加固。当周边收敛较大时，不宜进行上导洞施工。

4.2 隧道核心土开挖模拟

1)核心土开挖至监测断面.

在核心土有超前支护和环向锚杆的支护下，当隧道核心土开挖至监测断面时，隧道拱顶下沉量达13 cm，下沉曲线速率迅速增大，中心地表下沉达9.2 cm，下沉速率趋势与拱顶下沉相同，迅速增大；左侧拱腰下沉达20 cm，右侧拱腰达8.5 cm，沉降差为11.5，两拱腰下沉速率增大；左侧墙横向位移3 cm，右侧墙横向位移-12.2 cm，隧道收敛距离为15.2 cm，位移速率在核心土开挖初期较大，随着时间的推移，速率逐渐减小并趋于稳定。

2)监测断面前方核心土开挖.

当隧道监测断面前方核心土开挖后，隧道拱顶下沉量达17 cm，中心地表下沉达12 cm，下沉曲线速率在开挖前曾出现收敛，但随着核心土的进一步开挖，平衡被破坏，下沉速率又出现增大；左侧拱腰下沉达27 cm，右侧拱腰达12 cm，沉降差为15 cm；左侧墙横向位移1 cm，右侧墙横向位移-15 cm，隧道收敛距离为14 cm。

3)隧道核心土施工对监测断面的影响.

当隧道核心土开挖后，剪切破坏区域沿隧道拱脚两侧继续发展，右侧剪应力破坏开始明显。从隧道Z方向上的应力图中可以看出，核心土左右两侧出现了应力集中，且左侧应力高于右侧。初期支护混凝土Z方向上最大压应力出现在隧道所受偏压侧的核心土支护的拱脚处，拱顶局部地方产生了拉应力。初期支护的左拱腰处出现了X方向的最大压应力。从锚杆轴力图中可以看出，隧道锚杆左侧所受轴力大于右侧，从泥浆的应力图中发现，左侧底部锚杆周围端部的泥浆曾出现过滑移。

4.3 隧道下导洞开挖模拟

1)隧道下导洞开挖至监测断面.

当隧道下导洞开挖至监测断面时，隧道拱顶下沉量达25 cm，中心地表下沉达19 cm，左右拱腰沉降差为18，左右恻墙收敛距离为14.2 cm。

2)隧道监测断面前方下导洞开挖.

当隧道监测断面前方下导洞施工后，隧道拱顶下沉量达28 cm，中心地表下沉达21.5 cm，左右拱腰沉降差为19；左右侧墙收敛距离为14.5 cm。

3)隧道下导洞施工对监测断面的影响.

当隧道下导洞开挖后，隧道剪切破坏区沿两拱脚呈45°向下发展，隧道初期支护的最大主应力出现在左拱腰和两拱脚处。为增大拱脚两处的地基承载力，在两拱脚处各增加两根锁脚锚杆，增加的锚杆提供了轴向压应力。根据先前的施工经验，两拱脚处的注浆范围应进一步扩大，当少量的注浆后对附近土体的改善作用不大，两侧拱脚处的锚杆的周边部位出现了滑移。

4.4 隧道仰拱开挖模拟

1)隧道仰拱开挖至监测断面.

当隧道的仰拱开挖至监测断面，在未对仰拱施工回填时，隧道拱顶下沉量达31.5 cm，中心地表下沉达24 cm，左侧拱腰下沉达44 cm，右侧拱腰达22 cm，沉降差为22；左侧墙横向位移2.5 cm，右侧墙横向位移-15.5 cm，隧道收敛距离为13 cm。

在对仰拱施作回填后，隧道各沉降收敛速度明显，隧道拱顶下沉量达35 cm，中心地表下沉达28 cm，左侧拱腰下沉达47 cm，右侧拱腰达24 cm，沉降差为23；左侧墙横向位移2.5 cm，右侧墙横向位移-15.3 cm，隧道收敛距离为12.8 cm。

2)监测断面前方仰拱施工.

当隧道监测断面前方仰拱施工并回填后，隧道拱顶下沉量达38 cm，中心地表下沉达30 cm，左右拱腰沉降差为25；左右侧墙收敛距离为12.5 cm。

3)隧道仰拱施工对监测断面的影响.

当隧道仰拱开挖后，从支护和回填前后各曲线图发现，仰拱的及时回填起着至关重要的作用，可以使其下沉速率迅速收敛，所以在仰拱开挖后应立即对其进行回填。

4.5 二衬施工对监测断面的影响

二衬的施工是隧道采用新奥法施工的最后一道支护措施，一般二衬的施工即表示先前监测的各项指标均趋于稳定，以便使得二衬施工后，不至于造成二衬的破坏。

5 数值模拟与监测数据比较

细线：中心地表下沉、周边收敛 粗线：拱顶下沉、拱腰沉降

根据图2～5施工监测曲线可以看出，隧道中心线地表下沉累计达34.5 cm(数值模拟累计沉降31 cm)，拱顶下沉累计达29 cm(数值模拟累计39 cm)，周边收敛累计达13.8 cm(数值模拟累计12.5)，两拱腰沉降差达15 cm(数值模拟累计达24.5 cm)。从以上数据的分析可以得知，隧道支护参数的改变对隧道的拱顶下沉和拱腰的不均匀沉降影响较大。隧道地表和拱顶下沉主要集中在上导洞的开挖、核心土的开挖和下导洞的开挖。在控制左右不均匀沉降方面主要是在左右拱脚的处理上，当对隧道变形要求严格的工程，应着重加强拱脚所处地基土的加固。

通过与优化方案模拟数据结果对比可知，数据模拟分析结果与监测结果基本吻合。

6 结 论

通过对草帽山黄土隧道浅埋偏压段分步开挖过程进行三维数值模拟，得出结论如下：

(1)上导洞施工前应进行超前支护，避免掌子面土体坍塌。

(2)核心土的开挖对隧道整体稳定性影响较大，尤其是偏压的状况下，应先开挖核心土中部，使左右两侧的压力得到释放。偏压侧后开挖，且多预留变形量，拱腰支护应加强。

(3)下导洞施工前，上台阶必须施工锁脚锚杆，并避免钢拱架悬空。

(4)从监测结果可以发现，仰拱施工前隧道一直处在下沉趋势中，仰拱施工后隧道变形才得到有效控制。所以，仰拱施工宜尽早进行。

参 考 文 献

[1]李雷.黄土隧道衬砌断面优化设计与研究.山西建筑，2003，29(4)：225～227

[2]陈帅宇，周维垣，杨强，等.三维快速拉格朗日法进行水布垭地下厂房的稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(7)：1047～1053

[3]Lee T K G.Three-dimensional numerical studies of NATM tunneling in stiff clay [D].Hong Kong：Hong Kong University，2003

[4]De Marcio M F，Alvaro H M J，De Andre P A.Displacement control in tunnels excavated by the NATM 3D numerical simulations[J].Tunneling and Underground Space Technology.2004,19:283～293.

[5]Itasca Consulting Group Inc..FLAC3D User Manuals(Version 2.1)[R].Minneapolis，Minnesota：Itasca Consulting Group Inc.，2002

[6]Wu B,Liu W N,Gao B.Analysis On the Space-time Effect for Urban Shallow Tunneling by Excavation[J].Chinese Journal of Geotechnical,2004,26(3):35～40

[7]李术才,朱维申.弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用[J].岩石力学与工程学报,2002,21(4):466～470