黄土地区浅埋隧道的施工技术与仿真模拟研究

罗伟

（九江鑫路交通工程有限责任公司，江西九江 332000）

0 引言

饱和状态的黄土承载力及抗压强度均较低，对隧道的开挖会产生较大的不良影响。许多研究学者提出对隧道进行浅埋并对其进行研究，探究较为合适的施工技术。其中,郑选荣、来弘鹏等[1-2]根据实际工程对浅埋隧道采用暗挖的施工方法进行研究，研究提出隧道上覆地层在工作面开挖扰动下呈区域性变形的特点；李攀[3]针对软弱围岩的浅埋隧道施工进行探究，探究得到浅埋隧道在施工时的空间变形规律和裂缝分布规律，并提出具体施工的合理参数；罗禄森等[4]对在黄土地区浅埋隧道的破坏模型进行研究，研究表明黄土隧道的稳定跨度为8m，浅埋大跨条件下的黄土隧道破坏为土体的垂直剪切破坏；刘嘉欣等[5-6]对湿陷性黄土的隧道洞口在浅埋段开挖与支护技术进行研究；侯瑞彬、费康等[7-8]对利用ABAQUS 有限元软件对隧道结构的动力特性进行研究，研究得到水平剪切波和竖向压缩波作用下隧道结构的渐进性破坏过程,明确了在不同波型作用下隧道结构的薄弱部位和破坏特征；赵永国、康军、毛金龙等[9-11]通过研究，对黄土公路隧道的相关技术进行深入研究，提出黄土公路隧道结构选择原则。现有对黄土地区浅埋隧道的研究已取得一定成果，但在数值模拟计算时尚存在一些不足。

因此,在现有的研究基础上，进一步对黄土地区浅埋隧道的施工方法及隧道破坏模式进行分析，并借助ABAQUS 有限元软件对不同的施工方法进行分析研究，希望能对行业发展有所帮助。

1 黄土地区浅埋隧道的施工方法

黄土地区的隧道具有湿陷性及结构松散性的特点，因此所形成的土拱效应很难满足正常隧道的要求，常常需要在黄土地区打入钢管，再通过在钢管中注浆，使浆液在土体中扩散，从而形成锚固杆的结果，使其土体拥有较高的强度。对于黄土地区的浅埋隧道常采用的施工方法如下：

两台阶法是指将整个隧道坑段断面划分两层，开挖时从上向下进行开挖，开挖面前后距离一般较小，上台阶的转进与下台阶的出渣可同时进行，因而可以显著提高施工的效率，并且该施工方法施工时台阶的支护结构可以较早地进行封闭，对隧道围岩的扰动较小。但该施工方法各个施工工序之间的联系较为紧密，施工速度较慢，工期较长。

2 黄土地区浅埋隧道的破坏理论分析

隧道的破坏模式可以在进行隧道围岩的压力计算时进行初步判断，隧道的支护结构和开挖方法对隧道的破坏模式也有关系，因此对常见的隧道破坏模式进行分析，具体如下：

一是拉裂破坏：在拉应力的作用下，围岩易出现拉裂破坏，拉裂破坏可以分为拉破坏和折断破坏，常出现在软弱的围岩面、风化严重或者受潮解体的岩体上，出现这种破坏现象主要是因为围岩的抗拉强度低，主要的表现形式是隧道围岩在自重下，导致隧道整体的拱部坍落。为避免出现拉裂破坏，常将隧道断面设计为矩形或者梯形，并且在实际施工时加强对拱顶的加固。折断破坏实质上是拉裂破坏的另外一种表现形式，当隧道受到集中的压应力作用时，会使得隧道拱墙的抗弯折强度小于切向压应力，即导致围岩出现折断破坏。

二是剪切破坏：剪切破坏是隧道围岩最常见的破坏模式，主要的破坏原因是在围岩自重荷载的作用下，隧道拱部土体产生滑动产生的剪切破坏。这种破坏容易导致隧道冒顶和坍落，但常出现在深隧道中，在浅隧道中较少发生。因此，在实际工程中需对隧道加固计算，减小围岩受到的剪切应力，控制围岩的变形。

三是拉剪复合破坏：拉剪复合破坏是在深隧道和浅隧道中都容易出现的一种破坏模式，这种破坏模式是由拉裂破坏和剪切破坏共同产生的复合型破坏模式，当围岩的岩性等级较低、风化程度较大、拱部土体的抗拉强度较低时，隧道容易产生拉裂复合破坏模式。

2.1 有限元模拟

2.1.1 有限元模型建立

此次所模拟的模型来源于某黄土区的实际隧道，该隧道的进口里程为DK403+956，出口里程为DK405+247，隧道是全长为1.677km 的单洞双向隧道，隧道埋深为6～45m，洞径为12m，隧道所处的围岩等级为V 级围岩。在采用ABAQUS 有限元软件建立隧道计算模型时，分别建立埋深为25m 及45m 的情形进行模拟，模型的长度及宽度大小分别取8 倍的洞径进行模拟，并且在模型中隧道衬砌结构采用喷射混凝土，厚度为300mm，不同深度的计算模型如图1 所示。关于模型中其他相关参数如表1 所示。

表1 模型参数设置

图1 有限元模型图

2.1.2 有限元结果分析

在此次的有限元结构分析中，分别对采用两台阶法施工和三台阶法施工来进行模拟。分析不同埋深开挖时塑性区的发展和隧道的竖向应力变化。分析的具体结果如下所述：

（1）两台阶法施工的结果分析

因NB=AM=DC，故四边形NBCD为等腰梯形(当N与D重合时该图形为等腰三角形)，它的顶点N, B, C, D共圆，因此点N在圆ω1上.

第一，开挖过程的塑性区结果分析。

本文对不同埋置深度的隧道在采用两台阶法施工时，不同掘进深度时的隧道塑性区结果进行分析，具体的模拟云如图2、图3 所示。

图2 25m 埋深的塑性变化图

图3 45m 埋深的塑性变化图

从图2 及图3 中可以看出两台阶法施工随着隧道开挖深度的增大，隧道的塑性区随之缓慢增加，当隧道开挖至一定深度后，隧道围岩的塑性区趋于稳定；当隧道的埋深为45m 时，隧道在开挖时所产生的塑性区比隧道埋深为25m 要小，说明隧道的埋深越大对隧道越有利，此时隧道的自身稳定力越强，并且对环境的影响越小。

第二，开挖过程竖向应力结果分析。

本文对不同埋置深度的隧道在采用两台阶法施工时，对开挖过程中的隧道竖向最大应力值通过云图进行统计，具体的结果如表2 所示。

表2 隧道竖向应力结果表

从表2 中可以发现，当采用两台阶法进行施工时，在隧道的埋深一定时，隧道的开挖深度越深，隧道围岩的应力越大，主要是因为隧道支护结构的作用使隧道围岩的应力出现集中现象；对比不同的隧道埋深可以发现，当隧道的埋深为45m 时，隧道围岩的应力比埋深为25m 的大，主要是因为当隧道的埋深越深围岩的自稳性能越好，受的应力较大。

（2）三台阶法施工的结果分析

第一，开挖过程的塑性区结果分析。

本文对不同埋置深度的隧道在采用三台阶法施工时，不同掘进深度时的隧道塑性区结果进行分析，具体的模拟云如图4、图5 所示。

图4 25m 埋深的塑性变化图

图5 45m 埋深的塑性变化图

从图4 及图5 中可以看出三台阶法施工随着隧道开挖深度的增大，隧道的塑性区几乎不变，并且最大的塑性区主要发生在隧道的拱脚处；当隧道的埋深为45m 时，隧道在开挖时的塑性区与埋深为25m 的隧道相近，说明对于三台阶开挖的施工方法能有效控制隧道的塑性区发展。

第二，开挖过程竖向应力结果分析

对不同埋置深度的隧道在采用三台阶法施工时，对开挖过程中的隧道竖向最大应力通过云图进行统计，具体的结果如表3 所示。

表3 隧道竖向应力结果表

从表3 中可以发现，当隧道埋深为25m 时，随着隧道开挖深度的增加，隧道的围岩最大竖向应力在逐渐减小；当隧道埋深的45m 时，随着隧道开挖深度的增加，隧道的围岩最大竖向应力逐渐增大，并且竖向应力值比隧道埋深为25m 情况的围岩最大竖向应力要大得多，说明当隧道埋深越深，围岩的自稳定性越好，所受的应力越大。

3 结语

文章通过理论研究对常用的浅埋隧道施工方法及隧道破坏模式进行介绍，并结合ABAQUS 有限元软件进行分析研究，研究结果表明：对于在黄土地区浅埋的隧道进行施工时，可以采用三台阶法进行施工，该方法对施工隧道围岩产生的应力较小，产生的塑性变形也较小。并且施工速度较快，可以较好地控制隧道变形。文章仅对浅埋隧道的两台阶法施工及三台阶法施工进行对比分析研究，相关的施工方法还有待进一步研究，以便得出更为优越的施工方法。