基于围岩特性的黄土隧道力学性能分析

魏瑞芬

（山西省交通建设工程监理总公司，山西 太原 030012）

隧道交通事业的发展，黄土隧道在我国越来越多。目前黄土隧道的相关规范[1-3]基本参照岩质隧道[4]。而通过大量研究发现，黄土隧道和岩质隧道的力学形态有很大差别，特别是隧道的围岩性质差异显著。如黄土具有大孔隙结构、垂直节理发育、遇水湿陷大变形等[5-6]特征，在工程中易产生较严重病害，而岩质隧道则不具有这些病因。

综上，认为在进行黄土隧道相关设计计算时必须考虑围岩性质的影响，而不是完全照搬规范规定的参数取值。因此笔者通过有限差分软件FLAC3D建立隧道开挖模型，通过fish编程考虑围岩特性对隧道开挖变形的影响，并通过现场实测数据对模拟结果进行验证，以揭示黄土隧道中围岩结构的重要影响。

1 工程概况

乔原隧道位于乡宁县乔原村东侧约20 m，设计为左右分离式，隧道左右线均属长隧道，总体走向呈西北-东南向，两洞中轴线最大间距约32 m。右线洞体全长1 626 m，吉县端洞口里程桩号K9+152，洞口底板设计高程1 033.922 m，河津端洞口里程桩号K10+778，洞口底板设计高程1 033.734 m，洞体最大埋深114.98 m，位于K10+100处；左线洞体全长1 572 m，吉县端洞口里程桩号ZK9+163，洞口底板设计高程1 034.041 m，河津端洞口里程桩号ZK10+735，洞口底板设计高程1 034.352 m，洞体最大埋深116.254 m，河津端洞口里程桩号ZK10+100处。洞口均位于黄土冲沟北岸斜坡上，交通较为困难。

2 数值模拟方法

根据乔原隧道的地质资料及研究内容需要，建立如图1的数值计算模型，计算参数如表1，模型尺寸为长108 m，宽35 m，高54 m，为双洞模型，考虑开挖过程中左右洞的相互影响。模型共140 200个单元，145 707个节点。边界条件为模型底部3个方向全约束，沿隧道轴线方向约束前后两个表面的y方向，垂直隧道轴线方向约束左右两个表面的x方向，上表面为自由表面。考虑到实际开挖情况，右洞在开挖时滞后于左洞5个开挖步，每个开挖步开挖0.7 m。

图1 乔原隧道计算模型

表1 模型计算参数

3 数值计算结果分析

考虑到边界效应的影响，选取隧道左洞开挖至y=24.5 m，右洞开挖至y=17.5 m处的模型进行分析，首先考察了隧道开挖后左右洞的应力场分布情况。

3.1 不考虑结构性影响时的隧道变形分析

图2 双洞开挖后塑性图

双洞开挖后的塑性图2说明，隧道开挖后其洞周发生了明显的塑性破坏，且呈现出规律性。左洞周围基本为过去发生的塑性破坏，而右洞周围靠近左洞侧为正在发生的塑性变形，远离左洞侧为过去发生的塑性变形，左右洞的塑性变形区域呈对称分布。

从图3中可以看出，隧道开挖后最大沉降出现在拱顶处，之后向地表方向呈柱状减小。仰拱处表现为隆起，呈半圆状向基层减小。左右洞开挖后整体竖向位移呈对称分布。其最大位移值为1.8 cm，最大隆起量为2.47 cm。

考察了双洞开挖后不同位置处的沉降曲线，如图4所示。可以发现左右洞拱顶的沉降曲线基本都可分为3个阶段，即缓慢增长段、陡增段和稳定段，地表纵向沉降由于总体沉降偏小，不同位置处差异不大，且相对拱顶位移更小，在图中显示为较平滑的曲线形态。同时可以看出，在洞口处左右洞拱顶处的沉降值大致相同，可初步判断为左右洞拱顶沉降相互影响较小，主要受各自洞掌子面的位置影响。地表的沉降曲线则为左右洞共同影响的结果。

图4 不同位置的竖向沉降曲线

3.2 考虑结构性影响时的隧道变形分析

图5 隧道开挖塑性区

图5给出了隧道开挖塑性区在是否考虑结构性影响时的对比云图。可以看出两幅图均是左洞的塑性区面积较右洞的塑性区面积大，原因主要是因为左洞为先行洞，先于右洞5个开挖步距所致。比较图5a、图5b两图还可发现，不考虑结构性变化时塑性区主要表现为正在发生的剪切破坏，在中线位置和掌子面周边表现为较少的正在发生和已经发生的剪切破坏。而考虑结构性影响后，塑性区主要表现为正在发生和已经发生的剪切破坏共同作用，影响面积较未考虑结构性影响时大。

图6 黄土结构性对隧道开挖变形的影响

图6给出了黄土结构性对隧道开挖后左洞拱顶纵向沉降曲线、右洞拱顶纵向沉降曲线及隧道中线地表纵向沉降曲线的影响规律。可以看出，无论是左洞拱顶沉降、右洞拱顶沉降，还是地表沉降，在考虑结构性变化后三者的沉降值均大于未考虑结构性变化时的沉降值，最大差值约为3 mm，差异效果较明显。

图7 结构性影响曲线与实测数据的对比图

图7提取了距隧道进口3.5 m处的拱顶监测点沉降数据，并结合现场监测数据进行比对。不难发现，在开始段不考虑结构性变化时的关键点拱顶沉降值与监测数据值较为接近，但与考虑结构性变化时拱顶沉降数据值差异较小。到达12 m左右时关键点监测数据突然增大，并迅速大于考虑结构性变化时的数据，分析原因是因为开始段结构性破坏较小，整体还没有发生大变形，随着开挖的推进，变形逐渐增大，到一定程度结构会发生严重破坏，形成次生结构，表现为沉降值骤增。因此总体上分析，认为考虑结构性变化时的计算数据与实测数据较为吻合。

4 结论

黄土隧道是自然界中广泛存在的一种隧道形式。其因特殊的围岩结构而被广大学者所关注。本文通过数值模拟的方法，分析了围岩特性对黄土隧道开挖变形的影响，得出了以下有益结论：

a）围岩结构对黄土隧道开挖变形有重要影响，在考虑围岩特性影响后隧道变形值较未考虑时大。

b）通过与现场实测数据进行比较，得出考虑围岩特性影响后隧道变形值更接近实测结果。

c）黄土隧道在设计计算时必须考虑围岩结构特性的影响，分析的结果才能更接近工程实际。