黄土隧道围岩压力拱效应分析

刘根学

摘 要：文章以实际工程为例，首先对黄土压力拱效应数值进行分析，对其数值模型的建立、计算结果分析进行了详细地阐述，其后对黄土围岩拱效应模型试验分析展开了探究，通过试验装置及相似常数的确定，顺利完成了试验及得出了相应的结论，保证了施工安全顺利的完成，取得了良好的施工效果。

关键词：数值模型建立 相似常数 黄土陷穴

1.工程概况

1.1隧道概况

彬县隧道位于陕西省咸阳市彬县境内，为黄土梁源沟壑区，进口位于炭店乡林家堡村东北侧冲沟泾河右岸，出口位于新民镇东沟村东北侧红岩沟左岸。隧道起讫里程DK138+326.58～DK152+577.9，全长14251.32m，最大埋深约280m；隧道设置1座单车道、2座双车道无轨运输斜井辅助施工。

隧道围岩分级情况为：主洞围岩级别：Ⅳ级11105m，占隧道全长的77.92%、Ⅴ级3346.32m，占隧道全长的22.08%。

1.2地质情况

（1）滑坡、错落及溜坍

a隧道西安端洞口，线路位于1号溜坍与2号滑坡结合处，线路先斜穿2号滑坡左缘，后穿入到1号溜坍右缘，洞口位于1号溜坍右缘中部；1号溜坍主轴长约113m，宽29m，堆积厚度3～5m，溜坍体物质主要为黄土，属小型浅层溜坍，目前处于稳定状态；2号滑坡主轴长约171m，宽125m，堆积体厚10～20m，滑坡物质主要为黄土，属大型中深层滑坡，目前处于稳定状态。

（2）黄土陷穴

线路位于黄土梁源沟壑区，黄土陷穴发育，一般位于梁源坎边、滑坡滑体及后缘及冲沟沟心，直径4～6m，深5～12m，一般底部有出口，相邻陷穴相互连通。

隧道西安端洞口DK138+400左线线路中线左侧约1 8 m处、DK138+432右线线路中线处发育有陷穴，直径4.0～5.0m，可见深度6.0～8.0m，靠近洞口，对工程产生影响。其它线路附近陷穴底部距拱顶距离>50m，影响较小。

2.黄土压力拱效应数值分析

2.1数值模型的建立

计算机技术及软件的快速发展，推动了数值模拟方法在地下工程的应用，且数值模拟方法取力不受边界效应、模型尺寸、试验周期等因素影响。为了将其形象化，文章以彬县隧道为例，依照圣维南理论以及施工现场的具体状况，讨论隧道位移以及内力作用的环节中，只将距隧道某范围当中的土体性质作为研究对象。计算区间设置为一个长120m、宽60m、高95m的空间，不考虑上表面，其余各个面边线条件都设置为简支约束，详见图1。

2.2计算结果分析

压力拱形成的过程就是：围岩为了抵抗变形自主调整变化所引起的承重传递途径出现偏离，从而激发的一种在应力层面上所进行的重组。倘若产生了最大值，则该位置就是压力拱的内边界，将最大主应力方向出现偏移的地方作为压力拱外边界，并且在界定拱顶、边墙还有拱底这几个应力路线可将起点设定成隧道的边界，将终点设定成模型的边界，具体可参照图2。

经分析应力路径径向/切向应力变化曲线，可知：

（1）将3种应力路线放在一起来比较，项目工程开始后，随着工程周边岩径向应力的减少，切向应力不断地提升，最大主应力路径上出现偏移，而且随着时间的推移，切向方向上的应力逐渐转变成为最大主应力。

（2）工程在实施过程当中径向应力与和切向应力曲线出现交点的地方，就是最大主应力出现偏转的临界处。

（3）在隧道工程卸载效应的影响下，土层材质为了防止变形的出现，进行自主的调整，一直到再次达到平衡，主要体现在主应力路线上的变换上，压力拱外侧切向应力会随着所受到的载荷数值上的增多而出现传递路径上的偏转。因为荷载的途径出现变化，压力拱的自身状态也会伴随着工程的不断深入出现有向外扩张的趋势。

（4）倘若以开挖施工开始前的原岩切向应力为标准与径向应力进行比较，那么靠近边墙的应力路线3其实是与其数据相差程度最小，边墙处压力拱外边界与隧道边界两者之间的直线距离其实基本上在2D左右。

使用最大主应力时，把存在极值的地方当做是其压力的内边线，而其出现偏移的地方当做是外边线，依照图3来就其形状来对压力拱的边线进行描绘。

3.黄土围岩拱效应模型试验分析

3.1试验装置

北京交通大学隧道与地下工程研究设计部创造并提出了一个模型试验基地，这样一来就可更为便捷地观察到纵向以及横向的变化情况。借助气囊本身的稳定性等优势来进行的设计。

3.2相似常数的确定

建模过程当中要求设定的变量中最为主要其实就是结构的大小，将其设定一个具体的数值，也就是l，其余就是应力为σ、弹性模量E、容重γ、泊松比μ，而应变就是ε。认定各个物理数值均符合函数如式（1）。

借助实验的具体数据与实际结果，能用重晶石来发挥出原本骨料、石英砂的作用，而凡士林就可发挥胶结剂的作用，依照比例混合，再依照12：4.2：0.5的比重不断进行压实操作。并且联系试验台架的具体情况，确定几何大小，将几何相似常数设置成α1=80，也就是将隧道模型跨度设定成17.8cm；将容重相似常数设定成α=1。主要的研究对象就是大断面黄土隧道V级围岩力学的相关参数，并且具体数值在表1中已进行了阐述。

4.得出結论

（1）整个施工过程中要贯穿一个思想：快速和干燥，即循环快，进尺快；干燥就是要保证隧道内部无水状态下施工。湿陷性黄土最大的优点是：在干燥的状态下，粘滞性好，整体稳定性好，不容易掉块，不易在短时间内产生坍塌。

（2）在上台阶开挖时保证预留核心土弧形开挖，机械为主，人工为辅。

（3）在下台阶开挖过程中，单洞左右边墙一定要错开开挖。

（4）不同类围岩交接处，严格控制水，开挖后立即进行支护，切宁强勿弱。

5.结语

综上所述，黄土隧道，特别是土质隧道，虽然有不用爆破的有利条件，但也存在着围岩自稳能力严重不足且抵抗施工破坏能力弱的缺点，因此必须针对这些特点，施工前制定可靠、可行的施工组织计划，切实做好开挖方案的选择及工序的严格执行，目的就是要充分利用围岩有限的自稳能力，尽量减少破坏干扰，开挖后及时紧跟支护体系，形成岩体与支护结构尽快整体受力的效果。

参考文献：

[1]扈世民.黄土隧道围岩压力拱效应分析[J].铁道学报，2014，36（03）：94-99.

[2]杨会军，王梦恕.隧道围岩变形影响因素分析[J].铁道学报，2006（03）：92-96.

[3]张顶立，王梦恕，高军，等，复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究[J].岩石力学与工程学报，2003（02）：290-296.