大断面黄土隧道初支作用机理及变形控制技术研究

蔡志强

（湖南恒基项目管理有限公司，长沙410004）

大断面黄土隧道初支作用机理及变形控制技术研究

蔡志强

（湖南恒基项目管理有限公司，长沙410004）

通过对已建设完成的黄土隧道工程的数据统计，利用计算机技术进行数值模拟计算，对大断面黄土隧道断面的力学特性和初支机理进行研究分析，同时根据初支机理，依托郑西线黄土隧道工程对大断面黄土隧道的沉降变形特性、影响因素进行系统深入的研究，并通过实践证明得到沉降变形的关键控制技术。

大断面黄土隧道；初支作用机理；沉降变形控制；力学特征

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.075

1 引言

作为占据我国国土面积6.3%的黄土地质在我国地域上实际分布面积广泛，随着我国改革开放后社会经济迅猛发展，道路工程建设的规模不断扩大，特别是黄土隧道的建设速度也逐年提高。

纵观我国黄土地区道路建设，随着我国经济的发展，黄土隧道施工技术水平也得到不断提高，从小断面隧道到大断面、超大断面隧道的施工，从单工序到多工序的隧道施工，在整个黄土隧道施工过程中已经逐步形成一套完整的设计理论及实践经验。

2 大断面黄土隧道初支作用机理

黄土隧道的建设随着隧道的开挖势必会对隧道周围的岩土造成作用力的改变，岩土受力重新分布，被开挖的岩土残余应力释放，受这一系列作用力的改变，在一定范围内，若岩土得不到及时有效的支护作用，那么岩土势必会产生变形，导致最终松动产生塌方等事故，使隧道失稳。

2.1 大断面黄土隧道初支结构类型

目前我国黄土隧道施工根据支护作用原理，其初支结构类型主要有刚性支护、柔性支护、复合支护3种，在大断面黄土隧道施工中，主要采用柔性支护和复合支护2种，柔性支护中广泛应用的有锚喷支护，即锚杆与喷射混凝土支护、锚喷与其他支护共同支护；复合支护是一种新兴支护结构，在初期支护结构中采用柔性支护，如锚喷支护，后期二次则选择刚性支护，如现浇钢筋混凝土支护。

2.2 大断面黄土隧道初支原理

初支结构的作用主要是保证周围岩石的稳定，承受各种荷载，保持隧道断面的净空高度，保证后续施工的安全。其原理主要为：

(1)大断面黄土隧道初支原理主要建立在周围岩土和隧道外加支护结构共同作用的基础上，充分发挥周围岩土自身承受应力能力，并降低周围岩土压力，改善隧道支护结构受力能力。根据岩石力学理论，当周围的岩石洞壁位移达到允许最大变形值时，其压力达到最小值；周围岩石处于塑性状态时，岩石自身承受应力能力最大，因此，大断面黄土隧道初支原理要求在施工过程中采用快速支护，超前支护，在挖据过程中边作业边根据作业面进行支护；此外，要充分发挥岩石自承能力，分层喷射、调节作业时间柔性支护。(2)初支原理的另外一个内容在于要充分发挥支护材料的自承能力，分次支护、柔性支护、锚杆支护、封闭支护等方法，通过与周围岩石紧密粘结，能提高支护材料的自承能力，在发挥支护结构混凝土承载能力方面要优于传统支护方法。(3)初支原理要求根据周围岩土的地质特性、力学性，通过现场监控、建立力学模型、计算并指导在大断面黄土隧道施工过程中因地适宜地选择支护方式及施工方法。

2.3 大断面黄土隧道初支作用力学特性

初支作用力学研究数值计算模式如下。

数值计算根据不同的初期支护结构施工时间，通过改变周围岩石荷载力释放的系数计算。（1）初支结构施工时间，荷载释放系数为0时，即隧道动工后就立即进行支护结构施工，荷载释放系数为1时，即待周围岩石在动工以后变形稳定，调整好二次应力变化后再进行支护结构施工，当到达该数值1时，说明大断面黄土隧道的初支结构施工太迟，初支结构不能达到设计效果，那么计算将不再收敛，故荷载释放系数K选取访问为0＜K＜1，论文选取0.025、0.5、0.75、0.9 4个数值。（2）在初期支护结构稳定研究中，支护结构刚度也是需重要考量的数值，其主要体现在初支结构的弹性模量上。根据弹性模量分级表可知，喷射混凝土的弹性模量为30GPa。

隧道埋深60m，左右侧距各50m，上下45m，具体参数如表1所示。

表1 大断面黄土隧道建设工程模型设计值

3 大断面黄土隧道的变形

分析已建大断面黄土隧道的施工，有深埋和浅埋之分，拱顶到拱底的最后沉降差异范围在-41～-9mm的为深埋大断面类型，-18～-7mm的范围则是浅埋大断面类型。研究大断面黄土隧道的变形规律、变形特性，以及黄土隧道地表裂缝发展规律，有利于之后的大断面黄土隧道有针对性进行施工，作出相应的准确对策措施，保证隧道结构稳定，提高作业效益和经济效益。

3.1 大断面黄土隧道变形特性

论文依托贺家庄等郑西高速铁路现场工程实测数据分析后可知：（1）对深埋大断面黄土隧道而言，初支变形因周围黄土的岩石强度低，岩石塑性区范围大，以整体沉降的变形形式呈现；隧道的边墙收敛值小，但在拱底的收敛以及沉降大，变形增剧，易导致隧道失去稳定。针对这种情况，在实际深埋大断面黄土隧道的施工工程统计数据中显示，同时结合上述初支作用机理及力学特性，对大断面进行及时封闭并支护是一种极为有效的防止其变形的措施。（2）对浅埋大断面黄土隧道而言，因其自身地质发育特点，垂直节理发育，在隧道初支作用中以整体沉降变形为主，拱顶与拱底沉降差异比深埋类型要大，在隧道挖掘后期易产生临空面，从而易使周围岩土塌陷，地表产生裂缝，拱底不牢固；隧道周围岩石具有突变性，不稳定性，且释放应力快等特点。因此，针对浅埋大断面的黄土隧道施工，在挖掘前期工程设计和实际施工过程中要根据隧道前进面的岩土变形情况和变形量，充分考虑如何控制隧道周围岩石的变形，使用超前支护等手段，及时封闭并支护断面。

3.2 大断面黄土隧道变形影响因素

通过上述的数值分析可知，大断面黄土隧道的变形影响因素主要包括黄土自身地质特性、隧道断面大小、隧道类型、山体特性等。

(1)根据上文的介绍可知，在大断面黄土隧道中周围岩石变形受黄土本身的结构特性影响，易造成变形量大、突变性强、易形成地表裂缝等，除此之外，黄土发育的特点即垂直节理发育影响会破坏周围岩石的完整性，导致岩土在施工过程塑性区范围增大，张拉力破坏范围也在增大；(2)不同的隧道类型，隧道的受力情况和周围岩石的应力分布都会受到影响。随着隧道深度的加深，应力分布主要集中于隧道拱顶以及隧道掌子面，若在隧道初期不能及时采取有效的支护结构进行支撑，那么随着隧道深度加深，极容易造成变形，导致隧道失稳；(3)根据伍法权的三次立方拟合式子得出隧道断面大小与安全系数的关系，可知随着隧道断面面积增大，安全系数也在降低，说明大断面黄土隧道断面周围的岩石稳定性极差，极易造成变形；(4)其他因素还包括地下水、施工技术等，由于新黄土有明显的湿陷性缺陷、粘结性不足，因此地下水对围岩的稳定性影响也很明显；施工技术直接影响着工程质量，初支结构刚度不够，变形量就会增加。

3.3 大断面黄土隧道沉降变形控制技术

3.3.1 沉降变形控制基准值

（1）针对路面变形，其评价的基准值为平整度，其路面平整度控制标准如表2所示。

表2 混凝土路面平整度控制标准

（2）针对铁路，其评价沉降控制标准如表3所示。

表3 国内外铁路工程施工测量控制标准

针对黄土隧道施工，大量工程数据显示浅埋大断面黄土隧道工程建设的地表沉降大，因此其最大沉降值控制标准为50mm。

3.3.2 沉降变形控制技术

通过工程的实际应用中采用超前大管棚施工和侧导洞施工方案（图1～图2），并对初支数值进行优化，得到其沉降变化曲线图（见图3），通过最终测量发现，地表沉降值小于50mm，符合沉降控制标准。

图1 超前大管棚施工图

图2 侧导洞施工图

图3 初支隧道拱顶沉降变化曲线图

由此可以得出地表沉降变形关键控制技术：

（1）大断面黄土隧道施工在第一层初支结构背后应填充足够的注浆保证其稳定，因初支结构整体沉降较大易出现空隙；初支结构的钢架对沉降变形也有较大影响，特别是钢架的稳定性，因此还应对初支结构的钢架进行加固作业；（2）超前大管棚支护能够避免管棚到围岩之间岩土的掉落，为更有效减小它们之间的间距，减小沉降变形量，可采取双层管棚，增加管棚刚度，或在管距间注浆等方式；（3）侧导洞法施工过程中必须加强初支刚度，可采用双层初支结构，刚度越大那么抵抗沉降变形的能力就越强，因此需充分加强侧导洞初支结构的刚度。

4 结论

（1）通过大断面黄土隧道施工数值分析，初支作业能有效控制隧道周围岩石的变形，以此为核心，在保证初支作用结构完全安全的情况下，做到初期支护结构施工的准确及时；（2）黄土结构特性和其垂直发育特点对大断面黄土隧道的施工有着显著的影响，除此之外变形还受隧道断面大小、深度、地下水等影响。因此在大断面黄土隧道工程设计前，要充分考虑其地质特征，力学特点，及变形影响因素等，充分调动岩石的自承应力能力。

【1】李健,谭忠盛,喻渝,等.浅埋大跨黄土隧道管棚受力机制分析[J].中国工程科学，2011(9):30-33.

【2】李健,谭忠盛,喻渝,等.下穿高速公路浅埋大跨度黄土隧道施工措施研究[J].岩土力学，2011(9):32-35.

【3】彭正勇.注浆抬升在隧道穿越既有建筑物中的研究及应用[J].岩石力学与工程学报，2011(S1):76-78.

Study on Primary Support Mechanism and Deformation Control Technology of the Loess Tunnel w ith Large Sections

CAI Zhi-qiang
(HunanHengji Project Management Co.Ltd.,Changsha410004,China)

Through data statistics of the completed construction in loess tunnel engineering,we use computer technology for numerical simulation,and study the mechanical properties of the big cross section of loess tunnel profile and the primary support mechanism.According to the primary support mechanism, relying on research of deformation characteristics,and influencing factors of the loess tunnel with large cross sections in Zheng-Xiengineering,the paper finds the key to the settlement control technology through practice.

large section loess tunnel;primary support mechanism;settlement deformation control;mechanical characteristics

U455.7

A

1007-9467（2016）08-0138-02

2016-08-10

蔡志强（1983～），男，苗族，湖南靖州人，从事公路桥隧研究。