大断面黄土隧道不同试验工法下的力学特性及变形特征研究

李 波，宋 冶，师亚龙，刘志强

(中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731)

0 引言

高速铁路黄土隧道不仅存在着跨径大、断面大等设计特点，而且还存在围岩强度低、地质构造复杂多变、围岩开挖变形量大等施工困难，尤其是在开挖后受到变形控制等因素影响，施工难度很大［1－2］。张英才等［3］通过对优化后的大断面黄土隧道开挖工法进行仿真计算，研究了隧道开挖工法CRD法、短台阶七步法和双侧壁导坑法在进度指标、下沉量、施工工序、资源配置、施工风险、施工成本等方面的定性和定量指标，提出了优化后各工法的适应范围和优缺点。沈卫平［4］对浅埋黄土隧道施工方案及施工中突出的技术问题、支护与土体间接触应力分布规律及引起结构变形原因进行了简单的分析和探讨。程选生等［5］通过利用有限元数值模拟对隧道开挖的6种工法进行分析研究，通过对围岩控制点位移的对比分析认为:对于超大断面黄土隧道的施工，CRD法为最优施工方法;施工中加临时支撑时，中部临时支撑对于围岩稳定性具有较大影响，临时支撑拆除前后隧道围岩的塑性等效应变均增加了约20%。文献［6－11］亦对大断面隧道开挖方法进行了相应的研究。然而，目前这些研究多以理论分析及数值模拟展开，现场试验较少。本文通过郑西客专大断面黄土隧道大量的现场试验，对不同工法开挖下，隧道结构的力学特性及变形特征进行综合对比分析，提出针对不同黄土围岩条件所适用的相应工法。

1 工程概况

郑西客运专线位于黄河中游黄土地区，沿线80%区段为黄土覆盖，沿线隧道共计38座，其中黄土隧道20座，占全线隧道总长的69%，具有断面大(其开挖面积较以往黄土隧道大幅度提高至164～171 m2，开挖宽度和高度分别达到15 m和13 m)以及埋深变化大(最小埋深约10 m，小于1倍隧道开挖宽度，最大埋深超过200 m)的特点。郑西客运专线大断面黄土隧道分别采用侧壁导坑法(双侧壁、CRD和CD)和留核心土台阶法(单层支护和双层支护)等多种施工方法。

2 5种工法力学特性及变形特征

在大断面隧道施工中，作为围岩稳定性判据的主要技术指标有:围岩的变形特征(水平收敛、拱顶沉降)、支护受力特性(型钢应力、锚杆拉力等)及围岩压力3方面。通过对这3技术指标进行分析研究，可直接反映隧道开挖后围岩稳定性的动态。及时研究各项施工信息，据此进行调整设计参数，以达到安全施工的目的。基于此，从3方面对这5种工法的力学特性及围岩变形特征进行对比分析研究。不同工法施工过程的影响对数值的绝对值有影响，但对工法的横向比较影响不大，因而文中未考虑施工过程的影响。

2.1 围岩变形特征

1)净空位移中垂直位移显著。郑西客专大断面黄土隧道净空位移具有显著的垂直位移的特性。测试显示，5种工法下的拱部下沉与水平收敛之比普遍在1以上，如图1所示。其中，台阶法拱部下沉尤为突出，尤其是浅埋处。

由图1可以看出，不论是单层还是双层支护，台阶法净空位移特性与埋深之间均呈现出较为显著的负相关性。尤其当埋深小于1倍隧道开挖宽度时，该比值可达到4以上，拱部下沉随埋深变化的特征十分突出。相对于台阶法，双侧壁、CRD和CD法在相同埋深条件下的拱部下沉与水平收敛之比则要小得多，一般在0.9～1.3，平均为1.1。

同时，台阶法拱脚下沉的特征显著。图2为台阶法按拱脚下沉与拱顶下沉之比统计的拱部下沉特性及与埋深的关系。可以看出，不论是单层还是双层支护，台阶法拱部下沉特性与埋深之间均呈显著的正相关性，显示出十分显著的拱脚下沉特征。因此，大断面黄土隧道采用台阶法施工时应特别重视加强拱脚的承载力，并应对拱脚下沉进行监测。

图1 郑西客专大断面黄土隧道5种工法净空位移随埋深变化的特性Fig.1 Clearance displacement Vs depth of loess tunnel on Zhengzhou-Xi’an passenger-dedicated line constructed by 5 different construction methods

图2 郑西客专大断面黄土隧道台阶法拱部下沉随埋深变化的特性Fig.2 Arch subsidence Vs depth of loess tunnel on Zhengzhou-Xi’an passenger-dedicated line constructed by bench method

2)净空位移受支护封闭尤其是封闭距离的影响显著。支护是否封闭以及封闭时与掌子面的距离对黄土隧道净空位移影响十分显著。测试显示，郑西客专大断面黄土隧道净空位移主要发生在支护封闭前，而净空位移则和封闭与掌子面的距离有关。

图3为秦东、潼洛川和高桥隧道台阶法试验段设大拱脚情况下拱部下沉最大值分别与仰拱封闭距离和时间因素之间相关性的统计结果(其中双层支护限于二层落后一层1榀的情况)。可以看出，台阶法不论单层还是双层支护，拱部下沉最大值与仰拱封闭距离均具有显著的正相关性。该结果表明，大断面黄土隧道支护封闭的空间效应显著。因此对于台阶法，仰拱及时封闭能够更好地控制拱部下沉。

图3 3座隧道台阶法拱部下沉与仰拱封闭相关性统计图Fig.3 Relationship between arch subsidence and invert closure of 3 tunnels constructed by bench method

试验显示，对于双侧壁和CRD，支护封闭的意义主要体现在两侧导坑的横撑是否及时架设，尤其是先行导坑横撑的架设。对于CD没有横撑，其支护封闭的意义则在于先行导坑仰拱是否及时封闭。

3)净空位移受支护刚度影响显著。对比浅埋新黄土条件下不同支护刚度工法的拱部下沉，如图4所示。可以看出，整体支护刚度较大的双层支护台阶法以及双侧壁的拱部下沉均明显小于整体支护刚度较小的单层支护台阶法。

图4 不同支护刚度工法拱部下沉对比(以基准工况为1)Fig.4 Arch subsidence under different support rigidity and different construction methods(with the standard case as 1)

4)拆撑对净空位移的影响。对于侧壁导坑法，一次拆撑过长、衬砌施作滞后，将引起较大拱部下沉。秦东和潼洛川隧道的实践显示(如表1所示)，一次拆撑长度≤0.5B(隧道开挖宽度)时，拱部下沉增量比例＜10%;一次拆撑长度＞1B时，拱部下沉增量将达到拆撑前拱部下沉总量的35%，这也超出规范许可范围，因此施工中应严格控制拆撑长度。

表1 一次拆撑长度对拱部下沉影响的统计Table 1 Influence of one-time support-dismantling length on arch subsidence

5)地表沉降控制效果。表2为不同工法开挖下地表沉降的实测结果。针对浅埋新黄土地表沉降，郑西客专秦东和高桥隧道的实践显示:埋深10 m左右(＜1倍开挖宽度)时双层支护台阶法可控制在135 mm水平(包括地层重固结压缩沉降);埋深15 m左右(1倍开挖宽度)时双侧壁可控制在60 mm以下;埋深30 m左右(2倍开挖宽度)时留核心土台阶法可控制在110～170 mm(前者有大拱脚，后者无大拱脚)。同时，借鉴宝兰铁路二线新曲儿岔双线黄土隧道下穿既有陇海铁路的经验［8］，在埋深25 m(接近2倍开挖宽度)的新黄土中，采用CRD可控制地表沉降在80～140 mm。相对而言，双侧壁具有优异的控制地表沉降能力。但对于特浅埋新黄土地层，应考虑地层的重固结压缩沉降。

综上，在黄土尤其是浅埋新黄土围岩变形的控制效果上，双层支护＞单层支护，双侧壁＞CRD＞台阶法。在净空位移尤其是拱部下沉量级上，郑西客专大断面黄土隧道显著大于一般围岩铁路双线隧道，因此TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》给出的初期支护极限相对位移并不适用于该工程大断面黄土隧道稳定性判别。

2.2 支护受力特性

表3为5种工法开挖阶段型钢喷锚组合支护结构应力实测最大值的汇总结果。试验显示，大断面黄土隧道采用型钢喷锚组合支护结构时，具有型钢显著承压而锚杆受力较小的受力特性。

其中，双侧壁、CRD、CD和留核心土台阶法初期支护型钢均受压显著，尤其在仰拱以上部位。相对于双侧壁、CRD、CD和留核心土台阶法，双层支护台阶法提拱了一种强度和刚度更大的初期支护结构形式，其实测外层型钢应力仅为其他4种工法下初期支护型钢应力的50%或更小，显然此时结构要以刚度控制为主要目的。

表2 双侧壁、CRD与台阶法在浅埋新黄土中控制地表沉降的实测效果Table 2 Effect of ground surface settlement of shallow-buried new loess tunnels constructed by double-side drift method，CRD method and bench method

表3 5种工法开挖阶段支护结构应力实测最大值汇总表Table 3 Maximum stress of support structure of tunnels constructed by 5 different construction methods

综上，在支护型钢受力大小上，单层支护＞双层支护，台阶法＞CD＞CRD＞双侧壁。总体上，郑西客专大断面黄土隧道初期支护结构在受力上呈显著受压状态(限于单层支护)，尤其是仰拱以上部位。在侧壁导坑法中，中壁受力最显著，且呈明显压弯状态。

2.3 围岩压力

1)围岩压力分布特性。测试显示，郑西客专大断面黄土隧道围岩压力具有如下分布特性:①仰拱和墙脚围岩压力最大;②边墙范围水平侧向压力则主要有3种分布形式，即A型在浅埋新、老黄土中均有出现，B型出现于浅埋新黄土(尤其是下穿段双层支护台阶法)，C型出现于深埋老黄土;③拱部垂直压力中一般拱腰较大，但在特浅埋处，拱顶压力较大。对应于边墙侧压力3种分布形式，拱部垂直压力也有3种分布形式，如图5所示。

2)衬砌接触压力特性。根据统计，郑西客专大断面黄土隧道在衬砌施作1～2年后的接触压力如图6所示(分别按支护类型和埋深统计)。可以看出，单层支护结构的接触压力平均为围岩压力的50%，而双层支护结构的接触压力明显小得多，平均只有围岩压力的30%。

图5 郑西客专大断面黄土隧道黄土围岩压力分布形式统计结果Fig.5 Distribution of surrounding rock pressure of large crosssection loess tunnels on Zhengzhou-Xi’an passenger-dedicated line

3 工法适用性分析及评价

综上分析，按照围岩分级、埋深，提出5种试验工法的适用性，如表4所示。试验表明，台阶法的适用范围可扩大至Ⅴ级新黄土围岩，尤其是高桥隧道的实践，为浅埋大断面新黄土隧道采用台阶法施工提供了成功经验。其中，采用留核心土台阶法解决开挖面积达164 m2、埋深30 m(约2倍隧道开挖宽度)的浅埋大断面新黄土隧道的施工，对应用台阶法控制黄土隧道拱部地层沉降具有重要意义。

图6 施作衬砌1～2年后接触压力统计图Fig.6 Contact pressure measured 1 to 2 years after installation of secondary lining

表4 5种工法适用性(按围岩分级)Table 4 Applicability of 5 construction methods(according to surrounding rock classification)

4 结论与讨论

通过现场试验，进行了郑西客专大断面黄土隧道5种工法的变性特征与力学特性研究，主要结论如下。

1)大断面黄土隧道净空位移中垂直位移显著，并显著大于铁路隧道设计规范给出的沉降极限值，尤其台阶法拱部整体下沉特征显著。

2)净空位移受支护封闭即封闭距离的影响显著，支护封闭应尽量靠近掌子面进行。

3)净空位移受支护刚度影响显著，整体支护刚度较大的工法其净空位移较小。

4)大断面黄土隧道采用型钢喷锚组合支护结构时，具有型钢显著承压而锚杆受力较小的受力特性，尤其是拱部锚杆基本不受(拉)力。双层支护提拱了一种强度和刚度更大的支护结构形式，受力显著小于单层支护。

5)在试验工法力学特性的基础上，按照围岩分级、埋深提出5种工法的适用性，台阶法的适用范围可扩大至Ⅴ级新黄土围岩，采用留核心土台阶法成功解决开挖面积达164 m2、埋深30 m的浅埋大断面新黄土隧道的施工。

本文研究侧重于现场试验，对黄土变形机制的研究尚未涉及，且研究分析并未考虑施工工序和施工过程的影响，故对于指导施工仍有一定的局限性，而针对黄土隧道的变形控制及受力分析，仍需进行进一步的研究。

［1］ 宋冶，王新东，王刚，等.客运专线大断面黄土隧道施工监控技术［J］.铁道工程学报，2010(1):52－58.(SONG Ye，WANG Xindong，WANG Gang，et al. Technology for monitoring construction of large section loess tunnel of passenger dedicated line［J］.Journal of Railway Engineering Society ，2010(1):52 －58.(in Chinese))

［2］ 石磊，侯小军，武进广.大断面黄土隧道施工工法研究［J］.隧道建设，2012，32(S1):8 － 13.(SHI Lei，HOU Xiaojun，WU Jinguang.Analysis on the construction methods for loess tunnel with large cross-section［J］. Tunnel Construction，2012，32(S1):88 －13.(in Chinese))

［3］ 张英才，胡国伟，辛振省.大断面黄土隧道开挖工法对比分析与选择［J］.铁道工程学报，2010(3):87－92.(ZHANG Yingcai，HU Guowei，XIN Zhenxing.Comparative analysis and selection of construction methods for large section loess tunnel［J］.Journal of Railway Engineering Society，2010(3):87－92.(in Chinese))

［4］ 沈卫平.浅埋黄土隧道施工方法及支护受力研究［J］.西部探矿 工 程，2001(2):76 －77.(SHEN Weiping.Construction technologies for shallow-baried loess tunnel and support stress study［J］. West-China Exploration Engineering，2001(2):76 －77.(in Chinese))

［5］ 程选生，王建华.基于围岩位移控制的超大断面黄土隧道施工方法研究［J］.岩土工程学报，2013，35(S1):82－89.(CHENG Xuansheng，WANG Jianhua.Construction methods for loess tunnels with super-large cross-section based on displacement control of surrounding rock［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35(S1):82 －89.(in Chinese))

［6］ 高文学，杨明哲，毕强.超大断面隧道合理开挖方法研究［C］//2010中国(北京)国际建筑科技大会论文集.北京:中国土木工程学会，2010:323 －326.(GAO Wenxue，YANG Mingzhe，BI Qiang.Super large section tunnel excavation numerical simulation［C］//Proceedings of international architecture engineering in 2010，China.Beijing:China Civil Engineering Society，2010:323 －326.(in Chinese))

［7］ 李国良，宋冶，李雷，等.大断面黄土隧道台阶法双层支护技术［J］.中国工程科学，2014，16(8):54－63.(LI Guoliang，SONG Ye，LI Lei，et al.Double-layer support technology of large-section loess tunnel by benching method［J］.Engineering Sciences，2014，16(8):54 －63.(in Chinese))

［8］ 盛仁声.行车线下修建黄土浅埋双线隧道［J］.隧道建设，2001，21(4):13 － 16.(SHENG Rensheng.Construction of double line loess tunnel［J］.Tunnel Construction，2001，21(4):13 －16.(in Chinese))

［9］ 赵东平，喻渝，王明年，等.大断面黄土隧道变形规律及预留变形量研究［J］.现代隧道技术，2009，46(6):64－69.(ZHAO Dongping，YU Yu，WANG Mingnian，et al.Study on the deformation regularity and preset deformations for large section tunnels in loess［J］.Modern Tunnelling Technology，2009，46(6):64 －69.(in Chinese))

［10］ 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，2007，27(S2):80 －86.(ZHANG Jinzhu， HAO Wenguang. Numerical simulation of construction of large cross-section tunnel in loess layer on Zheng-Xi Passenger line［J］.Tunnel Construction，2007，27(S2):80 －86.(in Chinese))

［11］ 石磊，侯小军，武进广.大断面黄土隧道施工工法研究［J］.隧道建设，2013，33(3):173 －178.(SHI Lei，HOU Xiaojun，WU Jinguang.Analysis on the construction methods for loess tunnel with large cross-section［J］.Tunnel Construction，2013，33(3):173 － 178.(in Chinese ))