黄土隧道围岩变形规律分析
2013年第5期ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
○科教前沿○科技信息
黄土隧道围岩变形规律分析
辛纯涛吴勇
（甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃兰州730050）
【摘要】结合石羊岭隧道工程，对高含水率黄土隧道开挖支护后围岩变形进行了研究。利用Midas/GTS有限元分析软件，建立了有限元计算模型，分析了石羊岭黄土隧道开挖支护后的位移场，并与现场监控量测数据进行了分析对比，得到了黄土隧道的围岩变形规律，给出了合理的支护方案。结果表明：留核心土施工法适用于此隧道，并从开挖过程得到隧道位移分布及影响范围；从现场监控量测数据可以得出，变形经历三个过程，最终处于稳定状态。数值计算结果与现场监测数据基本一致，并得到初期支护与二次衬砌间隔的时间为25天。
【关键词】黄土隧道；MIDAS/GTS数值计算；现场监测；围岩变形
0引言
近些年来，甘肃省经济发展迅速，但是发展经济的前提，交通必需先发展。随着高含水率黄土隧道修筑的增加，施工中出现了一些问题，许多学者作了大量的研究。采用隧道理论计算与现场监控量测相结合的方法，为隧道安全施工提供了重要保证，进一步优化了初期支护和二次衬砌的参数，提高了施工速度和质量。本文以石羊岭隧道为工程依托，通过MIDAS/GTS数值计算和现场监控量测，对隧道留核心土施工法施工过程进行数值计算，并与现场监控量测数据对比，得出留核心土施工法施工对石羊岭隧道开挖比较合理[1-3]，为高含水率黄土隧道施工积累经验，研究具有一定的参考价值。
1工程概况
图1隧道计算模型
Fig.1Computation model of the
tunne
表1
模型计算材料参数
石羊岭隧道位于定西市安定区。隧道全长1288m ，隧道起点端里程桩号K6+232，隧道终点端里程桩号K7+520，洞体最大埋深约123.7m ，位于K6+824.3m处；进出口均位于黄土冲沟，距乡村公路较近，交通便利。
隧道位于临县境内黄土梁峁区，隧址区（Q 3eol ）黄土大面积覆盖，微地貌为黄土残梁、黄土陡坎，隧址区走向近东北向，山梁顶部较平缓，山梁两侧为冲沟，山坡为中陡坡。
石羊岭梁隧道进口段围岩由第四系上更新统（Q 3al+pl）粉质粘土组成，其状态为坚硬-硬塑，松软结构，地下水出水状态为滴渗水，围岩级别Ⅴ级。岩体较破碎，含水率高，稳定性差，开挖后易坍塌，侧壁不稳定，需加超前小导管，本文用于数值计算的目标断面为K6+450，隧道埋深70m 。
计算所采用的断面初期支护采用型钢混凝土联合支护，C25喷射混凝土、I20a 型钢、钢筋网联合支护，对于Ⅴ级围岩需在顶部做超前小导管，采用准42超前小导管，长3m ，混凝土喷层厚度为0.3m 。
Table 1Physical and mechanical parameters of model materials
名称
黄土喷射混凝土小导管
密度
弹性模量
粘聚力
内摩擦角
泊松比
层厚
(KN/m3) 18.5024.0078.50
(MPa)[1**********]
(KPa)34.4--
(°) 20.05--
(m)1000.34.5
0.30.20.3
2隧道施工过程数值模拟
现场开挖过程模拟
依据现场施工方案，留核心土法施工模拟，先开挖上半部分，再开挖核心土，最后开挖下半部分，在开挖时荷载释放系数为0.6，初期支护阶段荷载释放系数为0.4。2.4数值模拟结果分析
2.4.1隧道围岩竖向位移分析
2.3
2．1模型建立2．1．1约束的确定
依据圣维南原理、有限元计算误差和工程的要求，选取的计算范围为3～5倍洞径，但当超过5倍洞径，位移一般控制在5%以内，误差较小。
2．1．2钢拱架力学模拟
运用等效的方法考虑时，采取抗压刚度相等的原则，并用钢架的弹性模量折算给喷射混凝土，简化初期支护，计算为：
E=E0+
S g ×E g c
（a ）开挖上台阶竖向位移云图
上式中，E 为折算后混凝土弹性模量；E 0为原混凝土弹性模量；S g
为钢拱架截面积，E g 为钢材弹性模量；S c 为混凝土截面积。
因此模型尺寸长×宽=100m×84m 。模型地面为无约束自由面，四周采用横向变形约束条件，底部采用竖向约束条件。计算中土体采用摩尔—库仑准则，初期支护采用C25混凝土材料，厚度0.3m 。初始应力场仅考虑土体自重应力场，忽略地层的地层构造应力。整个模型共个363节点，共1263单元。地层采用平面单元，初期支护采用梁单元[4-5]，计算模型见图1。2．2参数选取
根据工程地质勘察报告，数值计算采用的参数见表1。
（b ）开挖核心土及下台阶竖向位移云图
图2围岩竖向位移云图
Fig.2Vertical displacement contours of the surrounding rock,
作者简介：辛纯涛（1986—），男，助理工程师，主要从事隧道检测及岩土数值计算。
78
科技信息○科教前沿○
ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第5期
从图2隧道的分部开挖过程可知，上半部分开挖支护结束后，隧道的竖向位移主要分布在拱顶和核心土处，开挖对拱顶下沉影响较大，且拱顶下沉的最大值为94.33mm 。随着开挖的进行，核心土和下半部分开挖支护结束后，竖向位移分布在拱顶和拱底处，出现底鼓，并且位移影响范围逐渐扩大，扩展到整个顶部和底部，拱顶影响范围为25m ，拱底影响范围为20m ，拱顶下沉值为110.42mm 。从竖向位移变化可以看出，拱顶位移在上半部分开挖支护结束后已基本稳定，说明围岩压力已经释放，支护效果明显；拱底位移在下半部分开挖支护结束后变化较大，且大于拱顶位移，建议施作临时仰拱或者初次支护尽早封闭成环。
2.4.2隧道围岩横向位移分析
3.2隧道拱顶下沉与水平收敛变化曲线分析（图5、图6）
图5隧道拱顶下沉变化曲线图
Fig.5Changes of vertical displacement of the tunnel
（a ）开挖上台阶横向位移云图
图6隧道水平收敛变化曲线图
Fig.6Changes of convergences of the tunnel
拱顶下沉及水平收敛表现出先增长后平稳的变化趋势，大致分
为三个变化过程：急速增长、持续增长和稳定阶段，持续时间大约为15天、20天和25天。
3．2．2隧道施工中对不同部进行开挖时，围岩变形会突增，这是由于对围岩的扰动造成的，现场应注意及时封闭岩面，以保证岩体尽早稳定。
3．2．3围岩变形表现出来的变形趋势，符合新奥法施工原则，说明支护及开挖方法合理。
3．2．4数值模拟和现场监测结果基本一致，拱顶下沉及水平收敛数值相近，通过围岩变形曲线可知施作二衬的时间为25天。
3．2．1
（b ）开挖核心土及下台阶横向位移云图
图3围岩横向位移云图
Fig.3Horizontal displacement contours of the surrounding rock
从图3隧道的分部开挖过程可知，上半部分开挖支护结束后，隧道的横向位移主要分布在拱腰和边墙处，但边墙处位移比拱腰处位移大，且最大位移出现在三心圆的过渡处，收敛值为25.15mm ，施工中为保证围岩的稳定，减小围岩塑性区，应加锚杆或锚索固定。核心土和下半部分开挖支护后，拱腰和边墙处位移继续扩展，影响范围增大，且最大收敛值为40.74mm ，影响范围为洞室外30m ，横向位移左右对称分布，变化稳定。
4结论
3
3．1
现场监测
监测方案
为了掌握围岩的变形情况，了解支护效果，必须加强施工现场的监测。本文对目标面K6+450进行了拱顶下沉及水平收敛两项监测，拱顶下沉使用水准仪和钢尺监测；水平收敛使用收敛仪进行监测[6]。监测频率见表2，监测点布置图见图4。
通过数值模拟及现场监测对石羊岭黄土隧道进行了系统的研究，主要得到以下几条结论：
4．1从数值模拟结果可以看出，竖向位移集中在拱顶与拱底处，影响范围为25m （2倍洞径），建议施作临时仰拱或初次支护尽早封闭成环；横向位移集中在拱腰和边墙处，影响范围为30m （2.5倍洞径），三心圆过渡处应加强支护，建议施作锚杆或锚索。
4．2从现场监测数据可以看出，围岩变形大致分为三个变化过程，最后处于稳定，符合新奥法原则，说明支护参数合理。
4．3数值模拟结果和现场监测结果相近，理论计算可靠，计算结果能够反映出此种开挖方法围岩变形情况，对隧道施工具有指导意义。4．4隧道围岩25天处于稳定阶段，可施作二衬。
4．5
通过数值模拟与现场监测数据对比，留核心土法施工适用于此隧道开挖，隧道初期支护设计参数是合理的。科
【参考文献】
［1］刘祖典．黄土力学与工程[M]．西安：陕西科技出版社，1996.
［2］吴永，魏伟，王国强. 阳曲一号黄土隧道围岩变形规律研究[J].铁道标准设计，
图4测点布置图
Fig.4Monitoring points
监测频率
表2
Table 2
监测拱顶下沉水平收敛
monitoring frequency
量测时间
2012，56(4)：113-115.
［3］王国强，王树才，孙美辉，吴永. 超前小导管注浆技术在浅埋暗挖黄土地铁隧道中的应用研究[J].施工技术，2011，40(增）：253-257.
［4］高成雷，罗书学，朱永全. 浅埋暗挖洞桩法的三维有限元模拟分析[J].石家庄铁道学院学报，2002，15(3)：44-47.
［5］丁锐. 不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析[J].铁道工程学报，2005(5)：62-65.
［6］万福明，海洪，刘建平. 大跨度隧道开挖围岩变形稳定监测与主动控制[J].重庆大学学报，2006，29(7)：149-151.
大于3个月
1~14天1~2次／天1~2次／天
15天~1个月1次／2天1次／2天
1~3个月1~2次／周1~2次／周
［责任编辑：王静］
1~3次／月1~3次／月
79