山西某地浅埋偏压小净距黄土隧道工程的稳定性分析

刘 俊 如

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

隧道工程根据两洞间的距离可以分为三类[1]，分别是小净距隧道，连拱隧道和分离式隧道。此三类的结构形式都不同，本文主要针对小净距隧道，该类隧道的基本特征是：最小净距为3.0 m-1.5B(B表示隧道开挖断面的宽度)，占地宽度为2.0B+(3.0 m-1.5B)，接线难度较易，施工难度和质量控制难度均为中等，工程造价在130万元～200万元之间，需要控制爆破震动，对于山区狭窄地带可降低边坡，适用于短隧道或围岩较好的中长隧道。

对于小净距黄土隧道来说，表层土的主要材料是新近堆积土或者是马兰黄土[2]，低于表层土的一层为离石黄土，尤其在浅埋偏压环境下，地形地质条件的复杂以及恶劣程度不同，使得隧道成洞困难，围岩结构稳定性不高，容易出现塌方以及滑坡等严重的工程事故，因此要加大对浅埋偏压小净距黄土隧道围岩的稳定性研究。

本文依托实际工程，对浅埋偏压小净距黄土隧道进行数据监控，然后通过分析数据得出隧道围岩结构变形，确定工程隧道围岩稳定的变形量影响因素。

2 小净距黄土隧道围岩分类、变形特征研究

基于特殊力学性能的黄土工程，使得围岩变形在隧道开挖过程中的影响比较特殊，具体变形特征如下。

2.1 应力释放速度快，容易发生突变变形[3]

垂直节理发育普遍存在于黄土隧道中，从而形成软弱面，这种软弱面一般呈现竖向状态，软弱面之间的粘聚力不够坚固，随着施工的不断进行，这种情况越发严重，使得围岩处于临空状态，原岩应力开始释放，产生裂缝，应加快力释放速度，发生突变变形。

2.2 突变变形量较大

国内学者[4]通过对兰渝高铁隧道的调查以及研究分析发现，黄土隧道围岩的变形相比于其他土体而言，会发生较大的变形量，而且跟随施工工艺发生变化，变形情况不一，在实际工程以及理论计算中，适合采用三台阶七步法施工，该法施工可以减少大断面黄土隧道的变形差别，产生最小的位移。靳晓光[5]等学者通过研究工程实例，对三种施工方法(双刀侧壁导坑法、双洞上下台阶法以及侧壁导坑和上下台阶组合法)进行研究，双洞上下台阶法的优先等级最低，侧壁导坑和上下台阶组合法和双刀侧壁导坑法是比较优选的结果。

2.3 变形持续时间较长

扈世民等学者[6]对大断面黄土隧道拱顶沉降的监控量测中发现，沉降量较大的部位位于隧道拱顶，特别是在掌子面开挖的2 d～6 d内，之后沉降量越来越低，但是一直趋于变小的状态，最大沉降量将近40 mm，之后开挖仰拱后，也要逐渐沉降，直至支护结构闭合。

2.4 开挖过程容易导致地表裂缝的产生

黄土垂直节理抗剪能力较弱，随着施工进度的不断进行，应力逐渐释放，洞周土体锲形体产生一定的滑动位移，或产生剪裂或者拉裂，隧道埋深较浅，则可能蔓延到地表，造成地表裂缝的产生。

围岩的变形随着隧道的开挖，根据变形大致可以分为两类：非稳定型变形和稳定型变形。

1)稳定型变形。变形阶段比较明显，同时拥有较高的安全性，是理想状态。变形分为三个阶段，急剧、匀速以及围岩稳定阶段。三个阶段顺时产生，其中最后一个阶段基本可以达到自稳状态。该状态的变形常常出现在地质良好的地区，如果可以加强支护手段和施工工艺则在地质比较复杂的条件下也可以实现。

2)非稳定型变形。随着施工进度的不断持续，围岩变形一直处于不稳定状态，在结构发生完全破坏时结束，主要特点是：初期变化很快，既包括速率也同时包含变形量，变形量随着时间的推移不是趋于稳定状态，而是逐渐增大，甚至可能出现加速度的情形，这种情况来源两方面：一方面是压力太大，应力释放快或施工工艺不够，造成较大的扰动；另一方面是刚度有待于加强，特别是支护结构，使得围岩结构的变形较大，为了有效减少围岩结构的破坏，有效的支护手段是必不可少的。

3 工程实测

3.1 工程地质分析

工程位置位于黄土丘陵区，黄土部分覆盖在隧道建址区上层结构，经勘查未发现有构造现象，而且阶段性的升降运动是地壳运动的主要形式，具有黄土峁状的地表形态，呈现东西走向，两侧均为黄土冲沟，谷坡陡立。

3.2 隧道设计参数与施工方法

隧道属于中隧道，两洞内侧间距约10 m，总长206 m，施工方法采用台阶法进行开挖，左右线均采用机械加人工组合方式开挖。

3.3 现场实测内容

主要采用相对简单的量测工具，应用常见的数学测量仪器，采用动态化观测隧道开挖过程中围岩变形的情况。各监测项目的监测频度与监测次数如表1所示。

3.4 实测成果应用

对于以上项目，本论文主要针对拱顶沉降以及周边收敛进行数据分析和整理，主要分析了两个断面的数据。

通过图1量测数据得出拱顶沉降量较大，且左、右洞差别明显，左洞顶累计沉降量较大的为81.07 mm，右洞顶累计沉降量为157 mm，左洞埋深随着断面坡度的增大而减小，说明偏压对浅埋隧道围岩稳定性影响较大。

表1 监测频度与监测次数

根据图2断面的周边收敛曲线可以得知，测线1(上台阶)的收敛量随着时间的推移逐渐增大，同样发生在测线4(下台阶)的曲线发展，但是测线4(下台阶)的收敛量远小于测线1(上台阶)的收敛量，说明施工过程中上台阶的扰动影响较大。

断面的收敛曲线同时可以看到，测量1的收敛速率较大，跟拱顶的沉降量进行对比分析，可以得知收敛曲线跟沉降是呈比例的。

从图3，图4两张曲线图可以看出，该断面的累计沉降量和周边收敛量均相对较小，说明在偏压和埋深均不是很大的情况下，隧道围岩变形相对较小；左右洞不同时间开挖对于围岩的变形也有较大的影响，左洞开挖时，右洞拱顶沉降的收敛量均明显增大，还有后开挖的左洞拱顶沉降量要大于先开挖的右洞拱顶沉降量。

4 结语

1)通过两个断面进行分析，浅埋偏压小净距黄土隧道围岩变形主要发生在拱顶处，且深埋侧围岩变形量要小于偏压侧围岩变形量；

2)施工过程中上台阶的扰动影响相比于下台阶要较大；

3)后掘进洞室的开挖会导致先掘进洞室的位移出现短时间陡增现象。