软塑黄土二元地层隧道变形特征及监测分析

白明禄

（中铁二十二局集团第五工程有限公司 重庆 400042）

1 引言

随着国家西部大开发战略的深入实施及“一带一路”建设的推动，黄土高原地区大断面隧道建设进入跨越式发展的新时期。随着大断面、超大断面黄土隧道相继涌现，国内也大量开展了黄土隧道的研究[1-3]。目前，世界上在黄土地区建成的高速铁路只有郑西高铁和宝兰高铁，由于黄土结构与性状的独特性且区域差异性大，历来受到工程界和学术界的重视。

近年来，国内外许多学者对黄土隧道的变形规律进行了一系列的研究与分析，并取得了一定的成果。胡晋川等[4]通过现场监测和数值分析，报道了黄土地区双连拱隧道位移特征研究。研究指出，黄土隧道围岩变形可作为判断隧道施工安全性的依据。Zhao Yong等[5]系统总结了我国高速铁路大断面黄土隧道的技术特点和存在的主要问题。研究发现，黄土隧道变形量大、持续时间长、变形速率快、破坏具有突然性，拱顶围岩稳定差。Xue Yiguo等[6]通过总结现场监测资料，分析了多种因素对隧道变形的影响程度。通过隧道变形监测，对黄土隧道的大变形危害进行了预测和研究。Li Pengfei等[7]通过现场监测和有限元数值分析，报道了黄土地区高速铁路隧道位移特征研究。研究表明，在Q4、Q3黄土地层中进行隧道施工，在拱部或地表都会产生明显的变形。他们建议在黄土地基上采用三台阶七步开挖法，以限制地表和洞内位移。孟德鑫等[8]以宝兰客运专线为依托，对大断面黄土隧道变形特征及控制技术进行了研究。研究发现，Q2、Q3砂质黄土大断面隧道，围岩自承能力较差，隧道拱顶变形量大，给施工带来了极大的难度。

上述文献针对黄土隧道围岩变形做出了一定的研究，取得了一定的成果。但在新建银西高铁穿越软塑黄土夹层时，出现的变形特征表现出与其他隧道不相同，给隧道设计和施工带来较大的困难。本文依托银西高铁上阁村隧道，采用现场监测、数值计算、室内试验等手段，有针对性地对“上硬下软”二元地层软塑黄土隧道变形特征进行分析，为大断面软塑黄土隧道施工提供理论依据。

2 工程概况

2.1 隧道概况

上阁村隧道位于甘肃省庆阳市宁县境内，是银西高铁项目重难点、控制性工程之一，隧道全长6.78 km，开挖断面达到170 m2，属大断面黄土隧道。隧道穿越世界最大黄土塬-董志塬，受地形所限及站位控制，隧道工程不可避免穿越软塑黄土夹层带[9-10]。隧道在1＃斜井（DK211+200）处分别沿西安方向和银川方向穿越软塑黄土层，黄土类型为Q2eol3黏质黄土，银川方向软塑黄土主要分布于拱顶，采用三台阶七步开挖法，拱部140°范围采用φ42单层超前小导管进行超前支护，拱墙设置25a型钢钢架，间距0.6 m/榀，网喷C25混凝土，厚度35 cm。

2.2 地质概况

洞身穿越第四系上更新统、中更新统风积黏质黄土，隧道进口端120 m及出口段2 500 m段落范围内，隧道埋深小于50 m，为硬塑状态黏质黄土，围岩稳定性差，Ⅴ级围岩；隧道洞身DK210+567～DK211+350段拱部、洞身呈软塑状态黏质黄土，洞身DK207+697～DK210+257段埋深约50～102 m，为硬塑状态黏质黄土，围岩稳定性较差，Ⅳ级围岩，地质剖面如图1所示。

图1 上阁村隧道穿越软塑黄土层地质纵断面图

隧道由一号斜井向银川方向开挖，软塑黄土层主要分布于隧底，而隧道拱部处于硬塑黄土层。DK211+322～DK211+920段软塑黄土的地质分布如图2所示，随着开挖软塑黄土在掌子面出现的位置逐渐从洞身向隧底下移，隧底以下软塑黄土的厚度（H1）逐渐增大，隧底以下软塑黄土的厚度（H1）最大约为10.7 m。

图2 软塑黄土二元地层分布示意

在上阁村隧道1＃斜井大里程方向取原状土，测定围岩含水率、液性指数等指标判断其状态[11]。由表1四个断面的室内试验数据可以看出，四个取样断面都处于“上硬下软”的二元地层范围。拱部处于硬塑黄土层，仰拱处于软塑黄土层。随着隧道的开挖，软塑黄土位置由上台阶下移至下台阶，现场地质情况与地勘资料给出的地质纵断面图相吻合。

表1 室内试验参数

3 现场监测及结果分析

3.1 现场监测方案

为研究该二元地层下隧道的变形特征，在上阁村隧道一号斜井大里程段布置了6个测试断面。监测工作包括隧道拱顶下沉量测和周边位移量测。使用全站仪，采用高程传递测量方法进行量测，整理分析监测数据。

3.2 隧道围岩变形结果分析

选取二元“上硬下软”地层下的典型断面对隧道变形时间演化规律进行分析，时态变形曲线如图3、图4所示。

图3 “上硬下软”二元地层拱顶下沉及速率统计图

随着隧道从1＃斜井向银川方向开挖不断推进，隧道埋深逐渐减小。软塑黄土层位于隧道的位置逐渐下移，拱部围岩相对稳定，拱顶下沉变形总体平稳且缓慢减小，控制在120 mm以内。由此可知，“上硬下软”二元地层中，软塑黄土对隧道拱顶沉降的影响减小，拱顶沉降量总体平稳。

图4 “上硬下软”二元地层净空收敛及速率统计

由图4可知，随着隧道从1＃斜井向银川方向开挖，水平收敛值由20 mm左右突增至50 mm以上。在DK211+450及DK211+400断面附近净空收敛较大，分别达到了90 mm左右和60 mm左右，接近于拱顶沉降值。从地质因素来看，此时软塑黄土分布于隧道边墙处，围岩软弱，软塑黄土变形量大，变形时间长；从施工因素来看，分部开挖工序周期长，初支尚未封闭成环造成了净空收敛较大。隧道开挖至DK211+491断面，软塑黄土层已经脱离边墙处，净空收敛迅速减小。

4 变形特征数值分析

4.1 模型尺寸

图5 整体示意

选取图2所示的DK211+322～DK211+920段进行数值仿真分析。建立三维有限差分数值计算模型，模型尺寸为80 m×135 m×118 m（长×宽×高）。围岩和衬砌均采用实体单元，边墙锚杆和锁脚锚杆采用cable结构单元。模型示意如图5所示，开挖模拟示意如图6所示。

图6 三台阶预留核心土法开挖示意

4.2 物理力学参数

通过建立与现场条件一致的计算模型，土体材料采用摩尔库伦模型，结合室内试验测得软塑黄土的相关物理参数，围岩采用弹塑性模型，衬砌采用线弹性模型模拟，型钢架按抗弯刚度等效折算为实体单元，注浆小导管的加固作用等效成加固区[12]。采用有限元分析软件对二元地层不同阶段（软塑黄土层对于隧道的位置）模拟。不同材料物理力学参数见表2，模型支护力学参数见表3。

表2 围岩物理力学参数

表3 数值模型支护力学参数

4.3 计算结果分析

以隧底以下软塑黄土的厚度（H1）作为计算工况（见图2），以1 m为H1的间隔距离，一共计算了11种工况。

4.3.1 竖向位移

分别对不同工况条件的拱顶沉降量和隧底隆起状态进行了数值仿真数据分析，见图7～图9。

图7 不同工况拱顶沉降计算曲线

图8 不同工况隧底隆起计算曲线

图9 不同工况拱顶沉降与隧底隆起值

由图7可知，随着隧底以下软塑黄土厚度H1逐渐增大，初支仰拱闭合后的拱顶沉降值占总沉降值的比例缓慢增大，H1＝1 m时初支仰拱闭合后的沉降值为1.6 cm，占总沉降值的10%左右；H1＝10.7 m时初支仰拱闭合后的沉降值为1.96 cm，占总沉降值的16%。分析原因:随着隧底以下软塑黄土厚度H1的增大，隧底以下围岩软弱性提高，承载能力缓慢减小，导致初支仰拱封闭成环后在上部围岩荷载作用下隧道整体下沉逐渐增大。

由图8可知，隧底围岩隆起值增大幅度主要在上导坑开挖到仰拱闭合阶段，仰拱闭合成环后在上部围岩压力作用下隆起值有一定的回落，随着隧底以下软塑黄土的厚度H1逐渐增大，隧底围岩隆起值也逐渐增大。这是由于在隧道开挖后，在隧底深部软塑黄土围岩挤压作用下产生隆起作用明显。

由图9可知，随着隧底以下软塑黄土厚度H1逐渐增大，拱顶沉降值逐渐减小，隧底隆起值逐渐增大。在H1＝4 m时隧底隆起值＞拱顶沉降值，这是因为此时围岩呈“上硬下软”的二元地层状态，上部围岩强度较大，自承能力较强，隧底围岩软弱，自承能力差，开挖后在应力释放作用下隧底围岩隆起值较大。

4.3.2 水平收敛

分别对隧底以下软塑黄土厚度H1＝1 m和10.7 m时的支护净空水平收敛值，进行了数值仿真数据分析，见图10～图12。

图10 H1=1 m支护净空水平收敛

图11 H1=10.7 m支护净空水平收敛

由图10、图11可知，H1＝1 m时中台阶处水平收敛值最大，随着隧底以下软塑黄土厚度H1增大，软塑黄土主要分布于下台阶及隧底位置，上、中台阶处围岩稳定性逐渐增强，因此支护净空水平收敛最大值呈现出下台阶＞中台阶＞上台阶的分布特征。

图12 不同工况支护净空水平收敛变化曲线

由图12可知，随着隧底以下软塑黄土厚度H1逐渐增大，上、中台阶处水平收敛值逐渐减小，下台阶水平收敛值先增大后减小。总体来看，下台阶处水平收敛值相对较大，在H1＝5 m时其与支护净空拱顶沉降值之比甚至达到了0.82，这与浅埋黄土隧道水平收敛远小于拱顶沉降值的规律不一致[13]。分析原因为下部边墙处软塑黄土较软弱，软弱围岩对下部边墙的挤压作用显著，施工时应加强锁脚锚杆的作用并及时封闭初支，防止下部边墙产生过大的内挤变形。

5 结束语

（1）隧道斜上穿越软塑黄土层时，围岩处于“上硬下软”二元地层的地质状态。软塑黄土分布于隧道的不同位置（边墙、隧底），隧道变形特征差异性大。

（2）由于拱部围岩土质稍密，具有一定的自稳能力，现场监测结果来看，随着软塑黄土层的下移，拱顶累积沉降量基本稳定。当软塑黄土分布于边墙时，围岩软弱，软塑黄土变形量大，变形时间长。当软塑黄土分布于隧底时，净空收敛迅速减小，并保持稳定。

（3）数值计算表明，随着隧底以下软塑黄土厚度H1的增大，隧底以下围岩塑性提高，承载能力缓慢减小，导致初支仰拱封闭成环后在上部围岩荷载作用下隧道整体下沉逐渐增大。随着隧底以下软塑黄土厚度H1逐渐增大，上、中台阶处水平收敛值逐渐减小，下台阶水平收敛值先增大后减小。隧底围岩隆起值较大，下台阶水平收敛较大，隧底以下软塑黄土厚度H1＝5 m时其与支护净空拱顶沉降值之比达到了0.82。