铁路黄土隧道施工变形规律及预留变形量研究

2018-03-27曹海静刘志强李秀华师亚龙魏星星

铁道标准设计 2018年3期

曹海静,刘志强,吴剑,李秀华,师亚龙,郑波,魏星星

(1.中铁西南科学研究院有限公司,成都 611731； 2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

黄土主要见于西北和华北地区，涵盖陕西、河南、山西、河北、内蒙古、甘肃、山东等13省(区)，黄土是西部隧道与地下工程不可回避的工程地质背景。黄土隧道设计中预留变形量值的确定对隧道工程造价及隧道初期支护具有一定程度影响。多个学者对此进行研究，李明耿提出在偏压黄土隧道施工中要适当加大开挖预留变形量，确保黄土隧道支护稳定后不侵限[1]；赵东平等通过对郑西客运专线隧道实测数据的统计分析，提出了大断面黄土隧道预留变形量[2]；席浩等基于宝兰铁路黄土隧道的监控量测数据，提出大断面隧道开挖预留变形量[3]；金美海等采用现场数据回归分析和ANSYS数值模拟验证的方法，对偏压黄土隧道进行了研究，提出了不同偏压黄土隧道预留变形量的建议值[4]；王鹏研究了台阶法施工中下台阶开挖对预留变形量的影响[5]；孙国凯等对公路隧道软弱围岩预留变形量进行了研究[6]；在预留变形量的研究中，多数停留在定性的描述，定量的分析不多见[7，10]；我国现行的《铁路黄土隧道技术规范》(Q/CR 9511—2014)也对黄土隧道设计预留变形量进行了建议[11]，但是该规范是针对大断面黄土隧道(开挖跨度15 m，高度13 m，总面积超过170 m2)[12]，其建议值是否适用于普通断面(100 m2左右)的黄土隧道，还有待验证。因此，对蒙华铁路黄土隧道量测数据的研究具有现实意义。

本文依托蒙华铁路双线黄土隧道工程，采用现场实测和统计分析的方法，对黄土隧道变形规律及设计预留变形量进行研究，为后续类似工程设计提供参考。

2 数据来源及工程概况

统计数据来源于蒙华铁路蒙陕段和晋豫段54座双线黄土隧道的现场量测资料(拱顶下沉和周边收敛)。涉及的地层主要为Q2砂质和黏质老黄土、Q3砂质新黄土和Q4砂质老黄土，围岩分级为Ⅳ、Ⅴ级，埋深在250 m以内，施工方法采用三台阶法(局部采用三台阶大拱脚临时仰拱法)[13，15]。

蒙华铁路黄土隧道初期支护参数及设计预留变形量见表1、表2，开挖宽度(B)为12～13 m，开挖高度(H)为11～12 m。铁路黄土隧道的深浅埋分界深度[11]取为1.4(H+B)～2.1(H+B)，此处取深浅埋的分界是40 m。

表1 Ⅴ级围岩黄土隧道初期支护参数及设计预留变形量

注：围岩水平成层段拱部160°外边墙取消砂浆锚杆。

表2 Ⅳ级围岩黄土隧道初期支护参数及设计预留变形量

注：围岩水平成层段拱部160°外边墙取消砂浆锚杆。

3 实测数据分析

本文统计的监测数据包括蒙华铁路各黄土隧道(双线)开工以来监测时间达到1个月以上监测断面的数据，同时删除了部分变形过小的异常数据，统计断面共计2 496个。量测数据统计项目包括：各断面拱顶下沉最大值、周边收敛最大值、拱顶下沉速率最大值及断面埋深。

3.1 Ⅳ级围岩黄土隧道

3.1.1 时态曲线

图1 郑庄隧道DK374+811断面拱顶下沉曲线

选择有代表性的Ⅳ级围岩黄土隧道时态曲线分析，如图1、图2所示。由Ⅳ级围岩黄土隧道时态曲线可知，在Ⅳ级围岩条件下，黄土隧道变形具有如下规律：在仰拱封闭前，拱顶下沉和周边收敛发展较快，仰拱封闭后，变形速率减小，变形趋于稳定；周边收敛小于拱顶下沉值。

图2 郑庄隧道DK374+811断面周边收敛曲线

3.1.2 洞周位移与埋深的关系

对Ⅳ级围岩黄土隧道量测数据按埋深进行统计，结果如图3、图4所示，可以看出：

(1)Ⅳ黄土分布在25～150 m埋深，拱顶下沉的最大值是77.49 mm，周边收敛的最大值是47.8 mm，均未超出预留变形量；对于同一断面而言，拱顶下沉普遍大于周边收敛，拱顶下沉和周边收敛随埋深分布离散性较大，无显著规律；

(2)25～150 m埋深隧道拱顶下沉速率分布集中在5 mm·d-1以内；深埋时，12.26%的断面速率大于5 mm·d-1。因此，对于深埋隧道的监控量测应重点关注拱顶下沉变形速率。

图3 Ⅳ级围岩隧道拱顶下沉及周边收敛随埋深分布

图4 Ⅳ级围岩隧道拱顶下沉及下沉速率随埋深分布

3.2 Ⅴ级围岩黄土隧道

3.2.1 时态曲线

选择有代表性的Ⅴ级围岩黄土隧道时态曲线分析，如图5、图6所示。

由Ⅴ级围岩黄土隧道时态曲线可知，在Ⅴ级围岩条件下，黄土隧道变形具有如下规律：在上、中台阶开挖时，下沉急剧增长，下台阶开挖完成、仰拱封闭后，变形逐渐趋于平稳。此外，隧道封闭前的沉降占全部沉降的95%以上；同Ⅳ级围岩黄土隧道一样，拱顶下沉大于周边收敛。

图5 郭旗隧道DK266+240断面拱顶下沉曲线

图6 郭旗隧道DK266+240断面周边收敛曲线

3.2.2 洞周位移与埋深的关系

对Ⅴ级围岩黄土隧道量测数据按埋深进行统计，结果如图7、图8所示，可以看出：

(1)深埋时，拱顶下沉集中分布在50 mm以内，占比96.90%；浅埋时，部分断面拱顶下沉超出设计预留变形量。周边收敛比较小，主要分布在30 mm以内，未超过设计预留变形量。对于同一断面而言，拱顶下沉普遍大于周边收敛。

(2)拱顶下沉速率随埋深的分布规律与拱顶下沉随埋深的分布规律一样，深埋时，下沉速率集中分布在5 mm·d-1以内，4.13%的断面速率大于5 mm·d-1；浅埋时，下沉速率分布在15 mm·d-1以内，5 mm·d-1以上速率断面占比12.62%。

(3)台阶法施工在开挖阶段对黄土的扰动较大，浅埋黄土隧道拱顶下沉及下沉速率都比较大，因此，对于浅埋隧道施工要控制周边位移变形。

(4)拱顶下沉和水平收敛的累计值普遍都比较小。这是由于黄土隧道地质条件的特殊性，各施工单位比较重视，黄土隧道施工技术日益成熟，施工过程中对黄土隧道变形的控制比较好，黄土隧道的变形比较小。

图7 Ⅴ级围岩隧道拱顶下沉及周边收敛随埋深分布

图8 Ⅴ级围岩隧道拱顶下沉及下沉速率随埋深分布

3.3 净空变形特征值与埋深关系

Ⅳ级和Ⅴ级围岩条件下，净空变形特征值(下沉与收敛之比)与隧道埋深分布见图9。可以看出，深埋和浅埋隧道，净空变形特征值普遍大于1，即拱顶下沉大于周边收敛。对净空变形特征值的统计显示，该特征值的平均值浅埋时为4.1，深埋时为2.2。

图9 净空变形特征值随埋深分布

4 黄土隧道变形预留变形量研究

通过以上分析可知，各量测断面中拱顶下沉普遍大于周边收敛，因此最终预留变形量的确定以拱顶下沉量测数据为依据。

4.1 Ⅳ级围岩黄土隧道预留变形量

Ⅳ级围岩黄土隧道设计预留变形量是5～8 cm，由图3可知，当设计预留变形量分别取5、8 cm，拱顶下沉低于5、8 cm的断面所占百分比分别是96.10%、100.00%。考虑现场数据的离散性，同时兼顾施工安全，建议Ⅳ级围岩老黄土隧道设计预留变形量取值范围可为8～10 cm

4.2 Ⅴ级围岩黄土隧道预留变形量

Ⅴ级围岩黄土隧道设计预留变形量是8～12 cm，由图7可知，当设计预留变形量分别取8、12、15 cm，拱顶下沉量低于8、12、15 cm的断面所占百分比分别是97.97%、99.64%、100.00%。考虑现场数据的离散性，同时兼顾施工安全，建议Ⅴ级围岩新黄土隧道设计预留变形量取值范围可为12～15 cm。