黄土隧道地表浸水对隧道稳定性的影响

付迎春

（石家庄铁路职业技术学院河北石家庄 050041）

1 引言

工程实践证明，黄土天然含水量对黄土力学性能和黄土隧道开挖后变形情况影响较大。浅埋黄土隧道地表沉降槽显著、地表裂缝普遍严重，甚至形成一个地表汇水长廊。这个集水过程会使地表黄土内的含水量发生显著增加，甚至使地表水渗入隧道，使其强度大大降低。这种强度降低是非常有害的，特别是在隧道运营阶段，使衬砌所承受的压力逐渐增大。隧道结构的极限状态由围岩、初期支护和二次衬砌共同承担，所以研究地表渗水对隧道稳定性影响是十分必要的。

2 工程概况

郑州至西安客运专线第二标段里程为DK269+400～DK277+700，标段全长 9.267 km， 主要工程为函谷关隧道。函谷关隧道位于河南省灵宝市函谷关镇境内，隧道进口里程为 DK270+429，出口里程为 DK278+280，隧道全长7851 m。隧道埋深浅，新老黄土不同方向的原生与构造垂直节理发育，多孔性、疏松、松散结构、密度低。在隧道开挖施工时，土体极易顺节理方向张开或剪断，土体破坏区域大，较难形成通常的承载拱，浅埋地表附近拉力过大而开裂，产生地表平行及环形裂缝，所以研究地表渗水对隧道稳定性影响是十分必要的。

图1 模型网格划分图

3 模型建立及计算参数选取

模型采用ANSYS 二维模型，两侧边界至隧道中心线距离为80m，底部边界至隧道轨顶距离为30m，隧道埋深25m，从地表往下15 m 为新黄土，其余为老黄土地层。侧面边界为水平位移约束，底面边界为竖向位移约束。模型上部边界为自由边界，不受任何约束。初期支护采用BEAM3 单元，其它采用PLANE42 单元。整个计算模型共有6268 个4 节点四边形单元，共有节点数6351 个，模型网格划分具体见图1。

根据隧道穿越地层地质勘探资料，计算所采用的地层和结构物理力学参数具体见表1。

表1 围岩及材料物理力学指标

4 计算工况

计算考虑隧道在运营过程地表水对隧道的各种不利影响。计算共分5 种工况，第1 种工况为隧道施工结束以后稳定阶段，在计算中按围岩承受30%的围岩压力，初期支护与围岩共同承受10%的围岩压力，二次衬砌、初期支护与围岩共同承受60%的围岩压力。第2 种工况为地表以下7.5 m 地层浸水。第3 种工况为地表以下15 m 地层浸水。第4 种工况为地表以下25 m 地层浸水。第5 种工况为地表以下25 m 和延墙脚45°地层浸水。工况2、3、4、5 分别与工况1 在二次衬砌应力、地表沉降和拱顶下沉这几方面进行比较，最后分析地层浸水对隧道稳定性的影响。

5 计算结果及分析

5.1 二次衬砌应力

各种工况结束后衬砌结构最大主应力和最小主应力如图2 到图11 所示。

图2 工况1 最大主应力云图

图3 工况1 最小主应力云图

图4 工况2 最大主应力云图

图5 工况2 最小主应力云图

图6 工况3 最大主应力云图

图7 工况3 最小主应力云图

图8 工况4最大主应力云图

图9 工况4最小主应力云图

图10 工况5 最大主应力云图

图11 工况5 最小主应力云图

从应力云图可以看出，工况1 结束以后最大主应力最大值为2.86 MPa，最小主应力最大值为10.2MPa。工况5 结束以后最大主应力最大值为4.14 MPa，最小主应力最大值为14.5 MPa。最大主应力最大增加值为1.08MPa，最小主应力最大增加值为4.3 MPa。隧道拱顶、仰拱和墙中处衬砌的外缘主要受拉应力，在其他位置以压应力为主。在工况1 应力水平不大，在工况5 结束以后应力值有所增加，尤其在仰拱和拱脚处，施工时应该把仰拱处的衬砌厚度增加。

各工况结束后几个关键截面单元编号见图12，各工况关键截面内力、安全系数及裂缝宽度见表2到6。

图12 关键截面单元布置图

表2 工况1 关键截面内力、安全系数及裂缝宽度

表3 工况2 关键截面内力、安全系数表及裂缝宽度

表4 工况3 关键截面内力、安全系数表及裂缝宽度

表5 工况4 关键截面内力、安全系数表及裂缝宽度

表6 工况5 关键截面内力、安全系数表及裂缝宽度

表7 安全系数汇总及安全系数降低值

各工况安全系数K 汇总及工况2、工况3、工况4 和工况5 与工况1 相比较降低值见表7。

各工况裂缝宽度δ汇总及工况2、工况3、工况4 和工况5 与工况1 相比较增加值见表8。

正常隧道施工时隧道衬砌结构最小安全系数为9.64。地表以下7.5 m 地层裂缝浸水时衬砌结构最小安全系数为9.19，减小了0.45。地表以下15 m 地层裂缝浸水时衬砌结构最小安全系数为8.21，减小了1.43。地表以下25 m 地层裂缝浸水时衬砌结构最小安全系数为7.29，减小了2.35。地表以下25 m地层及边墙三角形地层裂缝浸水时衬砌结构最小安全系数为6.76，减小了2.88。

正常隧道施工时隧道衬砌结构最大裂缝宽度为0.094 mm。地表以下7.5 m 地层裂缝浸水时衬砌结构最大裂缝宽度为0.099 mm，增加了0.005 mm。地表以下15 m 地层裂缝浸水时衬砌结构最大裂缝宽度为0.105 mm，增加了0.011 mm。地表以下25 m 地层裂缝浸水时衬砌结构最大裂缝宽度为0.110 mm，增加了0.016 mm。地表以下25 m 地层及边墙三角形地层裂缝浸水时衬砌结构最大裂缝宽度为0.113 mm，增加了0.019 mm。

5.2 拱顶与地表沉降附加值

各工况拱顶与地表沉降及增量值见表9。

表8 裂缝宽度汇总及裂缝宽度增加值

表9 拱顶与地表沉降及增量值

由于地层浸水对地表和拱顶下沉都有影响，工况5 结束以后地表最大沉降值增加了4.71cm，拱顶最大沉降值增加了1.79cm。

6 结论

(1) 正常隧道施工时隧道衬砌结构最大主应力最大值为2.86 MPa，最小主应力最大值为10.2MPa，地表以下地层裂缝浸水时衬砌结构最大主应力最大值和最小主应力最大值都有所增加，工况5 结束以后增加最多，最大主应力最大值为4.14 MPa，最小主应力最大值为14.5 MPa，最大主应力最大增加值为1.08MPa，最小主应力最大增加值为4.3 MPa。隧道拱顶、仰拱和墙中处衬砌的外缘主要受拉应力，在其他位置以压应力为主。在工况1 应力水平不大，在工况5 结束以后应力值有所增加，尤其在仰拱和拱脚处，施工时应该把仰拱处的衬砌厚度增加。

(2) 从安全系数表可以看出，最小安全系数为6.76，根据《铁路隧道设计规范》钢筋混凝土结构不破坏的最小安全系数为2.0，当计算所得安全系数小于2.0 认为结构不能正常工作，由于6.76＞2.0，所以该隧道在地表水渗入地层时衬砌结构是安全的。

(3) 从衬砌结构裂缝宽度可以看出，最大裂缝宽度为0.113mm，根据《铁路隧道设计规范》，钢筋混凝土衬砌结构构件，按作用基本组合所求得的最大裂缝宽度，不应大于0.2mm，由于0.113＜0.2mm，所以该隧道在地表水渗入地层时衬砌结构是安全的。