大断面黄土隧道变形特征及力学模型分析

冷希乔,陈礼伟

(中国铁道科学研究院,北京 100081)

国内很多学者对黄土结构进行了深入的研究,如文献[2]及文献[3]从黄土节理方面对黄土的力学性质进行了分析,认为黄土节理是造成黄土结构性破坏的重要原因。文献[4]对黄土构造节理进行了调查分析,认为黄土隧道的开挖造成节理面在隧道中发育,对黄土隧道稳定性影响较大。文献[5]从土力学角度对黄土隧道进行研究,但其假设认为干燥黄土压力为竖向,一般不计侧压力,显然与实际情况不符。文献[6]采用连续介质有限元原理计算衬砌与周围地层的作用关系,并应用弹塑性有限元对施工过程进行三维模拟分析。由于隧道内存在节理发育情况,黄土隧道开挖后结构由各向同性变为各向异性,应用连续介质有限元方法值得商榷。目前国内对于大断面黄土隧道的设计和施工尚处于总结和积累经验阶段,无相应的设计、施工技术规范,因此,开展黄土隧道的设计及施工优化研究显得尤为重要。

1 现场监测分析

1.1 工程概况

郑西客运专线东起郑州,终至西安,线路全长 485 km。其间有隧道 38座,其中秦东、潼洛川、高桥、凤凰岭 4座双线隧道为黄土隧道,毛洞开挖面积达到 168m2。本次监测的秦东隧道试验断面位于 Q1(老黄土)砂质地层中,隧道埋深为 30m,隧道断面净宽约 14.8m,试验段内测试断面采用CRD法施工。

1.2 监测项目与监测结果

秦东隧道试验段测试的内容为施工阶段变形测试,根据现场监测的净空周边位移(拱顶、拱脚及水平收敛)数据,将监测数据与监测时间描绘成曲线图,具体参见图 1。

图1 净空位移曲线

由图 1可以看出,开挖隧道右上台阶时,拱顶下沉量增加,水平收敛量增大,但无突变趋势;说明此时黄土隧道在开挖断面宽度较小情况下,黄土的结构性并没有被破坏,即无破裂面产生,因而黄土隧道变形特征符合连续介质模型。

随着开挖隧道右下台阶,拱顶下沉量继续增加,但增加的速率呈减缓趋势;水平收敛量增大,但增加的速率呈增大趋势;此时可以认为隧道在开挖扰动情况下,隧道开挖断面宽度仍然较小,隧道内节理破裂面还没有形成,但开挖后临空面的形状为长轴竖直方向的椭圆形,因而产生上述变形特征,隧道变形特征仍符合连续介质模型。

在开挖左上台阶时,拱顶下沉量继续增大,但增加的速率呈增大趋势;水平收敛量则出现拐点(收敛值减小);此时可以认为隧道内由于开挖断面宽度的增大,致使隧道内节理破裂面开始发育并形成一定的规模,故拱顶下沉速率呈增大趋势,破裂面形成后导致竖向力过大,由于右上横撑的作用,使上部开挖面趋向长轴为水平方向的椭圆状变形,因而水平收敛量出现拐点,此时隧道的稳定状态已经受到影响;甚至节理破裂面严重发育时,可能发生坍塌事故。

2 数值模拟分析

2.1 计算模型

式中:kn为法向刚度,ks为切向刚度,K为弹性模量,G为剪切模量,ΔZmin为法向方向连接带的最小宽度。

(注:E为弹性模量、μ为泊松比、γ为重度、c为粘聚力、φ为内摩擦角)

2.2 计算结果及其与监测对比分析

计算分析主要包括模拟隧道初始开挖——节理破裂面发育——拆除中隔壁——节理破裂面继续发育过程,得出隧道拱顶、拱脚及水平收敛的变形位移曲线图。本算例假设节理破裂面由垂直节理及构造斜节理共同产生,由于构造斜节理其破裂面倾角一般较大,故以垂直节理破坏为主进行分析,净空位移曲线图参见图2。

图2 净空位移曲线

由图2可以看出,模拟计算中隧道右上台阶和右下台阶开挖完成后,与现场监测数据变化趋势相比基本相同,开挖右上台阶时,拱顶下沉量增加,水平收敛量增大,开挖右下台阶时,拱顶下沉量增加,增加的速率同样呈减缓趋势;水平收敛量增大,增加的速率同样呈增大趋势,说明在开挖断面宽度较小情况下,采用连续介质为基础的模型进行分析符合实际情况。当开挖左上台阶时,计算数据曲线与现场监测数据变化趋势相比基本相同,拱顶下沉量继续增大,增加的速率同样呈增大趋势;水平收敛量同样出现拐点(收敛值减小),说明此时随着开挖断面宽度的扩大,采用非连续介质模型进行计算符合实际情况。对横撑拆除后,继续模拟节理带发育情况时,拱顶下沉量显著增加,水平收敛量呈现平缓趋势,这与试验段内对现场测试数据分析情况相符合。

3 结论与建议

(1)在隧道埋深较浅的条件下,隧道断面大小、形状的不同对隧道内节理破裂面的发育程度有着重要的影响。因此,建议在隧道施工中应缩小隧道开挖的径空断面面积,即在大断面黄土隧道施工中应尽量采用双侧壁法,而且尽少采用弧形导坑法;在施工中,一定要及时施做初期支护及临时支护,同时使隧道及早封闭成环,防止节理破裂面进一步发育,完善结构受力体系,确保施工安全。

(2)在施工中采用CRD法,CD法、双侧壁导坑时由于节理破裂面的存在,在拆除临时支护时应给予足够的重视,严格控制拆撑时机和长度,防止节理破裂带严重发育使应力突然释放,导致结构失稳,严重时引起隧道坍塌。

(3)当隧道节理破裂面地层被水浸入后,节理破裂面发育更快,导致隧道结构的安全性迅速降低。因此建议对于隧道内由节理破裂面发育产生的裂缝,应严格防止外界水浸入裂缝内部,阻止节理破坏面进一步发育。

(4)关于大断面黄土隧道中是否喷射锚杆,由于节理破裂面的临界状态形成位于开挖断面径空较大处。因此建议在拱顶及拱腰位置处可不喷射锚杆,而在边墙处应加大喷射锚杆的密度。

[1]谢定义.黄土力学特性与应用研究的过去、现在与未来[J].地下空间,1999,19(4):273-284

[2]王景明,倪玉兰,孙建中.黄土构造节理研究及其应用[J].工程地质学报,1994,2(4):31-42

[3]王景明,张骏.论黄土节理[J].西安地质学院学报,1985,7(2):31

[4]钟世航.黄土中的构造节理及其对黄土隧道稳定性的影响[J].岩土工程学报,1983,5(4)

[5]兰州铁道学院五七铁路工程处.黄土隧道设计中几个问题的讨论[J].铁道标准设计,1972(8)

[6]张金柱,郝文广.郑西大断面黄土隧道施工方法模拟分析[J].隧道建设,2007(z2)

[7]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005

[8]宋冶.郑西客运专线大断面黄土隧道施工方法与监测技术研究力学特性现场测试阶段成果报告[R].中铁西南科学研究院有限公司,2007