黄土隧道施工稳定性数值模拟对比研究

胡继实 张励云＊ 张 鑫

（1、重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 400010 2、重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331）

随着国家经济快速发展，公路隧道建设广泛应用于黄土地区。黄土相比于其他围岩而言，这类黄土结构较松散，由于具有针状孔隙、大孔隙比、低含水量的特征，导致其抗压强度低、自承载力弱以及开挖变形大[1-5]。这类土体在隧道开挖过程中容易发生侵蚀、变形和破坏，在施工时易发生垮塌。鉴于此，国内外学者对此做了大量的研究[6-8]。目前黄土隧道受力状态和变形特征的分析方法主要包括经验公式法[9]、数值分析法[10]、现场实测法[11]等。如基于隧道结构特征的数值仿真模拟，刘金慧[12]针对大断面黄土隧道地基沉降的数值计算分析，针对软岩小净距隧道施工开挖进行土层应力状态分析等；如根据模型试验和施工现场测量数据进行黄土稳定性的计算分析，蓝华[13]以黄土隧道工程为研究对象，针对隧道施工过程中弧形导坑法施工工艺进行数值模拟，得到黄土隧道围岩开挖后的变形特征，并根据隧道沉降变形规律给出隧道施工的有效建议。

综上所述，本文在相关问题研究方法基础上，以银川至昆明公路上的张家塬黄土隧道为研究对象，针对区域地质条件划分三层三维地质模型，模拟隧道CD 法、CRD 法以及留核心土开挖法三种不同开挖方式的实际过程，得到黄土隧道围岩在开挖之后的变形特征，并对隧道围岩稳定性给出施工的有效建议。

1 工程概况

某黄土隧道位于吴忠市同心县境内，是银川至昆明公路(G85)太阳山开发区至彭阳(宁甘界)段的重要工程。隧道总体轴线方向230°，左右幅线间距由进口段30m 渐变至出口段41m，左线起讫桩号ZK102+510～ZK103+300，总长790m，最大埋深约102m；右线起讫桩号K102+500～K103+292，总长792m，最大埋深约100m，图1 为隧道开挖断面及轮廓设计图。

图1 隧道开挖断面及轮廓设计图

隧址区属黄土梁峁地貌，山高谷深，整个山体呈馒头状，局部坡面较缓，植被稍发育，洞身段上部为退耕还林地，地面标高介于1525～1625 之间，相对高差100m。隧道轴线在出口段与地形等高线近直交，进出口段大角度斜交，图2 为隧道开挖地质剖面图。研究区断裂、构造及褶皱不发育，无区域性断裂、无全新活动断裂构造。隧道区土体主要有第四系上更新统风积马兰黄土，下部为中更新统冲洪积物高石黄土，马兰黄土主要分布于整个隧道山体表层，呈披衣戴帽状，厚度不均，垂直节理发育。离石黄土主要分布于隧道洞身中下部，结构致密，整体性稍好。隧道洞身段由松软结构黄土(Q3、Q2)组成，综合判定隧道的围岩级别为Ⅴ级。

图2 隧道开挖地质剖面图

2 黄土隧道施工过程模拟

2.1 模型建立

选择隧道中间最大埋深处ZK102+764 段作为研究对象，此处隧道埋深57.7m。结合实际情况，利用Midas/GTS 建模分析，建立模型为开挖横断面为65.8m，隧道底部以下为24.5 米，隧道顶部至模型上边界23m。隧道断面为马蹄状结构，宽为11.6m，上面由半径5.8m 三心圆组成，除模型上边界以外，其他边界采用位移和边界进行约束。隧道支护形式为初支和二次支护，初支喷浆厚度为25cm，二次衬砌厚度为40cm，锚杆长度为3.0m，直径为25mm，间距为2m，横断面总计31 根。隧道围岩采用实体单元建立，锚杆和衬砌采用结构单元，均采用的摩尔-库伦本构模型，模型网格总计4248 个。表1 给出了土体、衬砌的相关物理力学计算参数。

表1 计算模型力学参数表

图3 隧道网格划分模型图

2.2 施工过程模拟

结合隧道设计相关规范，本文采用3种不同施工方法，如图4 所示，分别为CRD 法、CD 法以及留核心土开挖法。留核心土开挖法在开挖之前对隧道周围网格进行初始边界约束以及重力荷载，该法分为七个施工阶段：(1)对隧道顶部进行开挖；(2)左边墙开挖；(3)右边墙体开挖；(4)留核心土开挖；(5)隧底开挖；(6)仰拱开挖；(7)二衬。CRD 法分为七个施工阶段：(1)左上二衬开挖；(2)左中二衬开挖；(3)左下二衬开挖；(4)右上二衬开挖；(5)右中二衬开挖；(6)右下开挖；(7)上下内衬。CD法分为三个施工阶段：(1)仰拱开挖及二衬左侧开挖；(2)仰拱和二衬右侧开挖；(3)内衬三个施工阶段。在隧道开挖过程中，分别在隧道顶部、隧道底部、隧道左右两侧以及隧道左右底脚共计六处位置设位移监测点，图中圆圈中的数字代表开挖顺序。

图4 三种隧道开挖方式示意图(图中黑色圆代表监测点位置、数字代表开挖顺序)

3 隧道施工稳定性分析

3.1 位移对比分析

通过图5 可以看出隧道围岩在CD 法、CRD 法以及留核心土开挖法三种不同方式下的竖直和水平位移云图。在隧道开挖过程中，由于初始应力的释放使得应力状态发生变化出现了卸荷位移。隧道上部围岩整体形成U 型沉降区，由隧道表面延伸到拱脚处，边界接近垂直，拱顶和拱脚沉降基本不一致。由图可知：CD 法开挖引起的拱顶沉降最大值为0.064m，位于隧道中心线左侧2m 附近；CRD 法开挖引起的拱顶最大沉降值为0.055m，位于隧道中心线上；留核心土法开挖引起的拱顶最大沉降为0.043m。在垂直方向左右边墙形成最大竖向沉降，在距隧道中线20m 范围内，沉降值随着距隧道中心线距离的增加而减小，由地表至隧道拱脚处垂直向，沉降量较为接近。通过水平位移变化图对比可发现，隧道底角以及拱腰处容易出现水平位移变化，这与实际工程中加强对拱脚以及拱腰支护相符合。通过表2 对三种不同开挖方法进行拱顶沉降和水平位移对比发现，相比于CRD 法和CD 法，留核心土法拱顶沉降最小，水平位移仅发生在小范围之内且优于CRD 法和CD 法。

表2 三种开挖方法位移对比表

3.2 隧道支护强度对比分析

CD 法、CRD 法以及留核心土法三种开挖方式在连接处均出现轴力相对集中的状态。开挖过程中，CD 法开挖引起的最大弯矩为22.51KN/m，最大轴力为518KN；CRD 法开挖引起的最大弯矩为15.274KN/m，最大轴力为253KN；留核心土法开挖引起的最大弯矩为21.52KN/m，最大轴力为255.7KN。可以看出，CRD法和留核心土法的承重结构内力分布是对称的，内力状态优于CD 法（图6）。

图6 三种不同开挖方式隧道支护强度结果云图

3.3 监测点变形对比分析

图7 采用CD 法施工时关键点的监测沉降值。由图7 可知，隧道拱顶、左右拱腰和拱脚都在下沉，对于上述几个测点，位移随着施工阶段的增加而增加，其中在第二阶段时的位移值增幅较为明显，相比于第一阶段，隧道拱顶、拱底、左拱腰、右拱腰、左拱脚位移值在第三阶段分别增大了12%、3%、21.2%、4%和9.7%。对于右拱脚，则发生阶段性变化，这是因为由于倾斜节理的影响导致初期拱底隆起会向右拱脚偏移。最终拱顶沉降值为0.02m，拱底隆起值为0.65mm。从以上分析来看，采取CD 法施工时，应重点关注拱顶、右拱腰和右拱脚三个关键点，做好控制沉降准备。

图7 CD 法施工关键点监测沉降位移

图8 采用CRD 法施工时关键点的监测沉降值。由图8 可知，隧道拱顶、左右拱腰和左拱脚均下沉，拱底发生隆起，相比于第一阶段，隧道拱顶、拱底、左拱腰、右拱腰、左拱脚位移值在第三阶段分别增大了14.6%、4%、40%、5%和11%，对于右拱脚，则发生阶段性变化。最终拱顶沉降值为0.01m，拱底隆起值为0.53mm。相较于CD 法开挖，CRD 法的左右拱脚沉降量较小，采用CRD 法优于CD 法开挖。

图8 CRD 法施工关键点监测沉降位移

图9 采用留核心土法施工时关键点的监测沉降值。由图9可知，隧道拱顶、左右拱腰和左拱脚均下沉，拱底发生隆起。随着施工的进行在第四阶段时竖向位移达到最大，相比于CD 法和CRD 法位移的变化趋势明显减少。

图9 留核心土法施工关键点监测沉降位移

综上可知，采用留核心土开挖法更适合黄土隧道施工，其次是CRD 法，最差的是CD 法。

4 结论

通过对隧道CRD 法、CD 法和留核心土法开挖方法的数值模拟，比较得出以下结论：

4.1 留核心土法开挖引起的最大拱顶沉降0.043m，小于CRD 法和CD 法，对附近隧道开挖施工有显着的改善作用。

4.2 三种开挖方式施工过程中，拱体的临时支护和初期支护均存在应力集中现象。现场施工时，应根据梁的动力变形理论及动态监测结果，及时对支护结构进行加固。

4.3 开挖过程中，CD 法开挖引起的最大弯矩为22.51KN/m，最大轴力为518KN；CRD 法开挖引起的最大弯矩为15.274KN/m，最大轴力为253KN；留核心土法开挖引起的最大弯矩为21.52KN/m，最大轴力为255.7KN。可以看出，CRD 法和留核心土法的承重结构内力分布是对称的，内力状态优于CD法。

综上所述，对于黄土隧道，留核心土法开挖引起的围岩位移场和支护结构内力优于CRD 法和CD 法，实际施工优先选择留核心土法。