浅埋黄土隧道洞身穿越岩土分界受力变形特征

汪丹

中交二公局第三工程有限公司 陕西西安 710016

在世界占地面积中，我国的国土面积是世界上最大的，其中，黄土的面积占地的面积也是最广，黄土的占地面积在总的国体面积中，所占的比例是6.3%，但大部分的占地面积所处的地区时西北地区。由于黄土垂直节理发育，强度较低，具有明显的结构性、水敏性和区域差异性，使得黄土隧道开挖引起的扰动变形较大。黄土隧道作为国内外学术界的热点问题，许多学者对其进行了研究[1]。本文基于此，针对黄土隧道的洞身穿越岩土分界受力变形的进行研究分析，详细如下可知。

1 工程概况

在蒙华铁路煤运通道的集疏运系统构成中，最为重要的靖神铁路，它也是在陕西省“十三五”规划交通运输基础建设中的一项重要项目[2]。在该铁路的黄土隧道中，它的地层品质为新老黄土，它的围岩自稳性很差，地质条件极为复杂，隧道暗挖段洞身穿越岩土分界线。横山单线铁路隧道位于陕西省横山县。隧道进口里程DK165+160，出口里程DK165+944。该隧道的总长为784米，他们的围岩级别都是五级和七级，同时该洞身的覆盖层的最大厚度为22米。隧道主要位于风积砂层和黄土地层，为解决风积砂层围岩自稳性很差的问题，洞身穿越风积砂层部分采用明挖法，主要穿越黄土部分采用暗挖法[3]。

根据地勘资料，隧道暗挖段洞身位于黄土和砂岩夹泥岩接触带，洞身围岩有2种情况：①洞身全部为黄土（DK165+220-DK165+305）；②上半洞身为黄土、下半洞身为砂岩夹泥岩（DK165+305-DK165+445）。图1表示的是隧道洞身岩土横断面的地质情况。具体如下图1可见。

横山隧道暗挖段主要采用超前小导管、两台阶法+临时横撑+扩大拱脚+掌子面加固施工方法。现场施工情况如图2所示。

2 隧道变形受力特征分析

2.1 分析模型

根据图1中的相关数据来建设一个数据模拟模型。数值模拟采用有限差分软件Flac3D，隧道顶覆土厚度取10m，模型节点数为187476，单元数为178600。模型上边界为地表，左、右及下边界围岩范围取3倍洞径。上边界采用自由边界，其余边界约束法向位移（位移为0），计算模型如图3所示。各层围岩视为连续、均质、各向同性介质，仅考虑自重应力场[4]。隧道初支采用shell单元模拟，锚杆、超前小导管采用cable单元，围岩与二衬采用实体单元。围岩采用摩尔-库伦力学模型，二次衬砌采用弹性力学模型。为更好地对隧道穿越岩土分界线进行数值模拟，采用Flac3D的接触面单元（interface）模拟岩土地层间相互滑移和剥离作用，并与单纯设置两种不同参数地层的工况及监测情况进行对比分析。

2.2 计算参数

因为横山隧道的暗挖段的围岩主要分为两个级别，一个是五级，另一个是六级，其中五级的围岩较弱，使得其相关系统能够的锚杆呈现的效果不加，所以将其停止去除，拱顶施作超前小导管。超前小导管采用42热轧无缝钢管及钢花管，单根长3.6m，每环22根，外插角10°-15°，搭接长度不小于1m，压注水泥浆液，在拱部150°范围内布设。初期支护设置参数如表1所示。

围岩物理力学参数根据勘察资料选取。支护结构物理力学参数根据《铁路隧道设计规范》选取，围岩及支护结构物理力学参数如表2所示。

2.3 结果分析

（1）岩土分界线的工况分析。依据隧道大部地层分布情况，计算模型从上到下共3种土层，依次为新黄土、砂岩夹泥岩、砂岩。根据洞身围岩分布情况和是否考虑岩土分界线处设置接触面单元，共分为4种工况，分别为：

工况1：洞身全部为黄土，且在岩土分界线处未设置接触面单元；工况2：上半洞身为黄土、下半洞身为砂岩夹泥岩，且在岩土分界线处未设置接触面单元；工况3：洞身全部为黄土，且在岩土分界线处设置接触面单元；工况4：上半洞身为黄土、下半洞身为砂岩夹泥岩，且在岩土分界线处设置接触面单元[5]。

（2）隧道初支受力分析。四种工况的初期的压应力支护结构分布的状态是以相互对称的形式。工况1墙脚受到压应力最大，约7.44MPa，下台阶较上台阶初支受到的压应力更大。工况2中，当它的向上台阶的拱腰的压应力变得最大时，它的拱腰以及到隧道的压应力则会逐渐变小。工况3的压应力分布规律与工况1基本一致，工况3的最大压应力比工况1稍小，约为7.19MPa。工况4的压应力分布规律与工况2基本一致，但上台阶拱腰、拱脚部位，即靠近分层界面处压应力较大，最大约为4.7MPa。因此有必要设置上台阶锁脚锚杆[6]。

表1 初期支护参数

表2 围岩及支护结构物理力学参数表

3 与实测结果对比分析

通过数据可知，现场的监测数据与模拟数据结果一致，数值上与工况2较为接近，现场监测数据显示，地表沉降与拱顶下沉均控制在5mm范围内，至停测时DK165+414.8周边收敛测点最大位移为2.64mm，隧道地表沉降及围岩变形控制效果较好，隧道安全稳定。

4 结语

①超前小导管、两台阶法+临时横撑+扩大拱脚+掌子面加固施工方法可有效控制围岩变形，保证隧道安全施工。②小导管变形、受力较大处，支护受力有明显减小，小导管分布区域塑性区面积也有所减小，超前小导管起到了限制围岩变形的作用。③掌子面全为黄土时围岩变形量、支护受力明显较大，应确保加强拱脚与墙脚支护，并及时施作仰拱，超前支护采取双层超前小导管。④计算分析和现场实测都表明地表沉降、拱顶下沉和洞周位移均＜15mm，实际施工时的隧道地表沉降及围岩变形控制效果较好，隧道安全稳定。