浅埋黄土隧道的开挖工序模拟计算分析

浅埋黄土隧道的开挖工序模拟计算分析

【摘 要】本文主要介绍了浅埋黄土隧道的设计及采用有限元软件模拟了双侧壁导坑开挖法各个施工工序，研究分析了开挖顺序对支护力学行为特性及围岩稳定的影响，可供类似隧道工程参考

【关键词】浅埋；黄土隧道；双侧壁导坑；数值模拟

引言

我省地处黄土高原，在榆林、延安等陕北地区的高速公路中修建了大量的黄土隧道，现在通车运行的靖安线、黄延线、铜黄线等高速公路中的隧道基本全部为黄土隧道，因此在设计施工中已经积累了丰富的设计及施工经验，从以往的设计及施工中我们发现，黄土隧道施工中最容易出现问题的地方就是在隧道洞口浅埋段易产生洞顶的沉降，有的甚至波及到地表，使地表产生裂缝或在洞口段产生大的塌方，导致这些结果的主要原因就是设计参数的选择的不合适及施工方法的不恰当所造成的。因此黄土隧道的洞口段施工成为整个隧道施工中最关键、最重要的一道工序。本文对陕北地区某高速公路的黄土隧道的洞口浅埋段利用fahes2有限元软件模拟了双侧壁导坑开挖法施工过程中围岩的应力场及位移场等分布情况，对黄土隧道浅埋段的设计参数及开挖方法从理论上进行了探讨论证。

1 工程概况

本文模拟的是隧道洞口浅埋段，隧道埋深为15米，从地表往下的地层情况依次为：0～20米为Q4新黄土，20～40米为Q2老黄土，40米以下范围为弱风化砂岩。

1.1 洞口浅埋段黄土隧道的设计支护参数

隧道建筑限界净宽10.50米，净高5.0米，采用单心圆曲墙式衬砌。隧道洞口浅埋段衬砌设计参数为：Φ89×6的大管棚，长L=30m；Φ22早强砂浆锚杆，长L=4.0m，间距@=1.0×0.5m；26cm厚C25喷射混凝土；Φ8的钢筋网；I20b钢拱架，间距0.5m ；50cm厚C25钢筋混凝土衬砌；

1.2 洞口浅埋段黄土隧道的开挖工序

此处隧道的开挖采用双侧壁导坑法开挖，双侧壁导坑开挖法工序为：①施作C25混凝土护拱及Φ89×6的大管棚；②左右侧导坑开挖、初期支护、临时支撑；③中部导坑上部开挖、初期支护、临时支撑；④中部导坑中部开挖；⑤中部导坑下部开挖、初期支护、临时支撑；⑥施作模筑二次钢筋混凝土仰拱；⑦施作模筑二次钢筋混凝土衬砌；

2 黄土的特性

黄土是第四系堆积的大陆沉积物，是半干旱气候条件下形成的并有针状孔隙、垂直节理的特殊土。黄土按形成年代及工程特性可分为老黄土和新黄土、湿陷性黄土和非湿陷性黄土。黄土堆积时代主要在第四系，包括老黄土和新黄土。

2.1 老黄土

老黄土是下更新统的午城黄土（Q1）和中更新统的离石黄土（Q2）的统称，其大孔结构多经压密，一般没有湿陷性或仅在Q2黄土的上部有轻微湿陷性。老黄土一般覆盖在新黄土之下，埋深较大。Q2老黄土的颜色为深黄、棕黄及微红色；老黄土的强度较低，容易产生屈服，老黄土隧道的变形特性是一个漫长的过程，但开挖后在无支护的条件下，开挖面暴露时间较长，围岩蠕动变形较大，易产生塌方，因此在老黄土中开挖隧道，应该适当的控制围岩变形，尽量缩短围岩的塑性圈，采用较强的初期支护。

2.2 新黄土

覆盖在老黄土上部及阶地上的上更新统马兰黄土（Q3）及全新统的新近堆积黄土（Q4），称为新黄土，土质均匀，较疏松，大孔和虫孔发育，具垂直节理，有较严重的湿陷性。Q4新黄土颜色为褐黄至黄褐色，具有大孔、虫孔及植物根孔，含少量小的钙质结核，小砾石，土质均匀，稍密至中密。在新黄土地层中，围岩变形释放快，无前期预兆，具有突然性，属脆性破坏，即易产生塌方，故要严格控制围岩的变形，加强围岩的初期支护。

3 计算模型

本文的计算模型为线弹性平面应变模型。模型的数值边界：水平方向取120米；垂直方向从仰拱开始向下取90米，从拱顶到地面取15米。地应力场按自重应力场考虑，由于隧道埋深不大，受构造应力的影响较小，地应力场按自重应力考虑。边界条件：左右边界为水平约束，下边界垂直方向约束，地表为自由面。在建模中采用二节点等参平面杆模拟初期支护中的锚杆；采用二节点等参平面梁模拟初期支护中的喷射混凝土和钢拱架；采用四节点边形参单元模拟围岩和二衬。超前期支护通过改变它们所影响范围内的岩石的物理力学参数来实现；钢拱架通过按等刚度原理转化为喷射混凝来实现。围岩特性按均质弹塑性体考虑；衬砌的材料按弹性体考虑；

在进行数值模拟计算中，根据以往的施工经验，对隧道采用双侧壁导坑法开挖以及考虑到黄土的这种特殊的地质，根据黄土隧道施工中的“管超前、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则，数值模拟计算分析中按照施工工序采用了如下的计算步骤及其相应计算步骤中围岩的应力释放率：

（1）固结土层：释放率为0%

（2）超前支护：释放率为0%

（3）左右侧导洞开挖：释放率为15%

（4）左右侧导洞初期支护、临时支撑：释放率为10%

（5）中部导洞上部开挖：释放率为10%

（6）中部导洞上部初期支护：释放率为10%

（7）中部导洞中部开挖：释放率为5%

（8）中部导洞下部开挖：释放率为5%

（9）初期支护、临时支撑：释放率为10%

（10）施作模筑二次钢筋混凝土仰拱：释放率为10%

（11） 施作模筑二次钢筋混凝土衬砌：释放率为35%

3.1 计算模型

3.2 计算参数

4 开挖工程的数值模拟分析及结果

4.1 隧道围岩位移场分布图

通过以上的各施工工序中隧道围岩位移场分布图可知：在左、右侧导坑开挖后围岩的最大位移为1.8cm左右，位于侧导坑的上方部分；中导坑上部开挖后围岩的最位移为2.28cm左右；隧道全断面开挖后未施作仰拱初期支护前拱顶的最大位移为2.7cm，仰拱底部的最大位移为3.6cm，二次衬砌施作后拱顶最大位移为4.2cm左右，仰拱底的最大位移为4.2cm；通过以上的数据分析可知，浅埋黄土隧道在仰拱底的位移也是比较大的，因此初期支护封闭成环是非常必要的。采用双侧壁导坑法开挖，在各工序中隧道围岩的变形比较平缓，因此采用双侧壁导坑法施工可以有效的抑制围岩变形，对隧道的施工安全提供有利的保障。4.2 隧道围岩应力场分布图

从左、右侧导坑开挖后应力场分布图中可知，应力变化区主要集中在侧导坑的拱腰及测导坑的拱顶的区域中；从中部导坑上部开挖后应力场分布图中可知，应力变化区主要集中在侧导洞的拱脚的区域中；从隧道全断面开挖后应力场分布图中可知，应力变化区主要集中在隧道的拱脚的区域中；从二衬施作后的应力场分布图中可知，隧道衬砌的最大主应力力主要集中在拱腰至拱脚范围内，最大主应力为6.6MPa左右，在拱顶部分隧道衬砌的最大主应力较小。从各个开挖工序的应力场分布图中可知，从左、右侧导坑开挖到中导洞开挖围岩的应力变化区主

要从拱腰变化至拱脚范围，从中导洞开挖到全断面开挖围岩的应力变化区基本没有发生改变，从整个变化过程来看采用双侧壁导坑法开挖隧道的围岩的主要应力释放发生在侧导坑开挖及中导坑开挖这个过程中。从应力场分布图可知隧道的超前支护加固的范围的围岩应力较大，说明超前支护在整个隧道开挖工程中承担了相当一部分围岩压力，因此浅埋黄土隧道中超前支护发挥了相当大的作用。

4.3 锚杆轴力分布图

从锚杆的轴力图中可知：浅埋黄土隧道中早强砂浆锚杆的最大轴力主要集中在拱腰至拱脚范围内，而在拱顶范围内系统锚杆的轴力较小。这说明浅埋黄土隧道中主要起作用的系统锚杆主要集中在拱腰至拱脚范围内（这只局限于理论分析，具体的情况要通过实际的量测试验进行确定）。

4.4 初期支护的轴力分布图

5 结论

在浅埋黄土隧道中采用该设计参数及双侧壁导坑法施工从理论上是安全可行的。在黄土隧道施工中应遵循“管超前、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则。施工过程中隧道开挖后必须立即施作初喷封闭围岩，紧接着施作锚杆、钢筋网、拱架、喷射混凝土抑制围岩的变形，尽可能的缩短隧道开挖后初期支护的施作时间；隧道开挖过程中尽量少扰动围岩，采用短进尺开挖，且初期支护必须紧跟，及时施作仰拱和二衬，尽早形成封闭结构。因为黄土的徐变是一个复杂而漫长的过程，因此在隧道设计中不能完全利用新奥法的原理，让隧道在开挖后进行适当的围岩变形来降低隧道的支护参数，减少工程造价。而是在隧道设计中应采用强支护，尽量减小围岩的变形，从而缩小围岩的塑性圈；二次衬砌的厚度取值主要从二衬应承担一部分围岩压力（具体的比例应通过工程类比法进行确定）和安全储备两个方面进行考虑。黄土隧道施工必须加强围岩监控量测，发现围岩变形过快或异常现象时应该立即修正支护参数。黄土隧道施工中应该做好洞内及地表的防排水工作，尽量避免水与围岩接触。

参考文献：

[1]交通部.公路隧道设计规范（JTJ D70—2004）.

[2]铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册（隧道）.北京：中国铁道出版社，1999.