黄土隧道变形规律及其稳定性方案研究

杜军锋

摘要：本文以我国公路及铁路的建设现状为基础，系统地分析和研究了黄土隧道变形规律，并提出了稳定性方案，将实际测量数据和理论数据进行了对比分析，得出了最终结论。

关键词：公路 量测分析 数值分析 量测数据

我国人口数量众多，耕地资源不足，约有四分之三的国土为丘陵和山地，这就给山区的公路建设带来了很大难度，直接影响了山区公路事业的发展进程。早期公路建设活动中，山区地区由于建设资金不足和技术水平低下，其公路通常采用切坡深挖或盘山绕行的方式进行修建，而较少采用隧道形式。近年来，随着我国交通运输事业的发展，山区公路建设越来越多地采用隧道，有效地解决了传统山区公路建设线性差、能耗高、生态破坏严重等问题，受到了当地居民的一致欢迎。

随着公路隧道数量的急剧增加，其建设规模也不断扩大，为更好地解决隧道设计施工中存在的问题，并积极施工监测活动，施工单位必须掌握黄土隧道变形规律，并制定稳定性方案，将实际测量数据与理论数据进行对比，更好地进行隧道设计与施工活动。

1 方案研究背景

目前，我国黄土面积总量高达64万km2，约占世界黄土分布面积总量的一半，主要分布在我国的西北地区，呈现出一定的地理分布性特征[1]。黄土作为一种第四纪松散堆积物，其成分和特性均显示了其在工程地质土类中的重要性。以往在黄土地区修筑公路和铁路隧道时，黄土隧道曾经出现过严重的地表开裂、支护变形、塌方等问题，影响了其正常使用，造成了资源的极大浪费。经过科研工作者和设计施工人员的一致商议和讨论，施工单位积累了丰富的隧道建设经验，并取得了一些科研成果，有效地解决了隧道质量问题。但在实际建设过程中，受种种因素限制，一些研究成果难以转化并在黄土隧道修建中推广使用。此外，很多技术难题仍困扰着施工单位，直接影响了工程进度。本课题以在建的陕西省榆林至绥德高速公路黄土隧道为依托，系统地研究了黄土隧道的变形规律，并分析了其稳定性[1]。

2 方案研究内容

2.1 现场施工监控量测及分析 选择黄土隧道不同围岩及衬砌类型测试段进行现场测试。在施工过程中，实地测量拱部下沉和净空收敛量，实时监控黄土隧道围岩的稳定性和初期支护结构的实施情况，并记录其工作动态，找出黄土隧道变形的规律及特征；分析和处理测量数据，通过计算和判断测量结果，及时预测和反馈数据信息，评估其设计方案的合理性和可行性，以保证整个施工活动的安全性和稳定性，并对工程施工安全和结构可靠性进行评价[4]。

2.2 理论与数值分析 结合榆林至绥德高速公路黄土隧道的工程特点，选择不同围岩及衬砌类型，采用MIDAS分析软件或ANSYS结构分析软件模拟计算黄土隧道的整个开挖过程，并计算其初期支护受力，从理论层面上掌握黄土隧道的变形规律和后续发展，分析和评价隧道围岩的稳固性以及支护实施情况[3]。

通过对比分析理论计算结果和实际测量数据，验证现场检测数据的准确性，保证理论数值计算与实测结果的一致性。

3 现场量测要求及测试的内容与方法

在进行现场测试时，测量人员必须掌握一定的方法，以保证其测量效率和质量：①快速完成测点埋设。一般地，测试断面应设置在距开挖工作面2m的范围内。在开挖12h内，测量人员应及时测量并读取数值；②快速测量出数据，并准确读取和记录；③测点的选取必须典型，保证其数据读取的精确性、可靠性和稳定性；④测量数据的可靠性要高，每次测量时可测出3个数据，并求出平均值[3]。

施工人员可根据黄土隧道的结构特点、施工技艺和施工现场情况选择合适的监测方法，并确定监测内容，如隧道内部观察、拱部下降和净空收敛。

4 现场量测规划

4.1 试验段的选择 根据榆林至绥德高速公路多座黄土隧道的地质条件和工程条件，结合不同的衬砌结构类型，选择试验段进行围岩和支护结构变形监测，通过监测来掌握黄土隧道变形规律及其稳定性，指导施工和修正设计，以确保施工安全和工程质量，具体试验段及测试断面频率根据现场施工情况确定[2]。

4.2 测点布置

5 量测数据处理及分析

5.1 数据的采集与整理 为减少一些人为因素对测量数据精度的影响，测量人员可每天集中在同一时段内进行数据采集，通常以上午8-9点为宜，并将测得数据存入档案表格当中。待返回驻地后，测量人员应及时将数据输入计算机中，并采用专门的数据处理软件进行数据分析和处理，并绘制数值分析图。当测量至一定阶段时，测量人员可通过数据分析和预报制定出阶段性测量报告[3]。

5.2 量测数据的处理目的、内容及方法 由于现场测得的原始数据具有一定的离散性，甚至存在着测量或测试错误。因此，测量人员应该对这些数据进行必要的整理和数学处理，不能直接利用，否则会影响其最终计算结果。数据处理的意义在于：①对比和印证统一测量面中各数据的准确性和合理性，增强测试的可靠性；②更好地掌握围岩以及支护结构的变化和分布规律，保证其呈现出稳定可靠的系统状态[5]。

当前，测量人员多使用微机管理，主要通过Excel软件进行数据整理与分析，其内容主要包括以下几个方面：①随着时间变化，绘制出时间变化曲线和时态曲线；②绘制出位移速率-时间变化曲线；③绘制位移随开挖面推进变化的曲线——空间曲线。

实际测量数据误差导致其存在一定的离散性，其位移等数值变量呈现出一定的上下波动规律，难以分析和把握[6]。因此，测量人员需要采用数学处理的方法，将实测数据整理成实验曲线或经验公式。

参考文献：

[1]谷拴成，周云鹏.超大断面黄土公路隧道监控量测与分析[J].施工技术，2014（18）.

[2]陈建勋，王梦恕，軒俊杰，乔雄.两车道公路黄土隧道变形规律[J].交通运输工程学报，2012（03）.

[3]韩瑞庚.地下工程新奥法[M].北京：科学出版社，1987.

[4]王梦恕.大瑶山隧道——20世纪隧道修建新技术[M].广州：广东科技出版社，1994.

[5]王梦恕.地下工程浅埋暗挖法技术通论[M].合肥：安微教育出版社，2004.

[6]高宏刚.黄土隧道开挖对洞顶建筑物的影响分析[J].山西建筑，2011（20）.