49-大斷面黃土隧道圍巖變形分析(最終版)8-15

1、鄭西大斷面黃土隧道圍巖變形特征李寧 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院摘要：隧道圍巖變形是一個(gè)極其復(fù)雜的問題，涉及的因素較多。論文主要利用現(xiàn)場量測的手段分析了隧道變形、圍巖壓力、一次襯砌 和二次襯砌接觸壓力以及仰拱和型鋼鋼架隨時(shí)間變化規(guī)律及分布特征，對今后類似工程的設(shè)計(jì)、施工具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：大斷面， 黃土隧道， 變形；1黃土隧道工程特性黃土是在干燥氣候條件下形成的一種具有褐黃、灰黃或黃褐等顏色，具有針狀大孔、垂直節(jié)理發(fā)育的特殊性質(zhì)的土體。黃土可按其形成的年代可分為：形成于下更新世Q1的午城黃土和中更新世Q2的離石黃土稱為老黃土。普遍覆蓋在上述黃土上部及河谷階地地帶上更新世Q3馬蘭黃土及全更新世Q4

2、下部此生黃土稱為新黃土。黃土土體性質(zhì)不同（如新老黃土）、含水量不同，其力學(xué)指標(biāo)差異較大，而且隨隧道跨度和斷面大小不同，圍巖所表現(xiàn)出的力學(xué)行為也不一樣。根據(jù)隧道所處的地質(zhì)條件，結(jié)合研究內(nèi)容，我們將黃土隧道分為新黃土隧道和老黃土隧道。1.1 新黃土隧道新黃土（Q3、Q4 )大孔發(fā)育，具垂直節(jié)理，土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散稍密中密，含水量較小，一般515，易產(chǎn)生天生橋和陷穴，覆蓋于地表,厚度一般3050m，由于其垂直節(jié)理發(fā)育，在垂直節(jié)理面上因節(jié)理切割形成豎向軟弱面，軟弱面之間粘聚力很小，多個(gè)軟弱面互相切割,形成與周邊圍巖粘聚力很小的棱體，在下部開挖隧道時(shí)形成臨空面，受開挖擾動，在重力的作用下棱體塌落易形成塌方。根

3、據(jù)對其變形分析,在新黃土（Q3、Q4 )地層，圍巖變形釋放快、具突然性，屬脆性破壞，故要強(qiáng)調(diào)變形的控制。1.2 老黃土隧道一般覆于新黃土之下，埋深較大，含水量為1540，與隧道位置原始地應(yīng)力相比，其圍巖強(qiáng)度低，圍巖容易發(fā)生屈服形成塑性區(qū)，這時(shí)的變形為塑性變形，可進(jìn)行柔性支護(hù)和適度釋放變形，但若無支撐或支護(hù)強(qiáng)度不足圍巖蠕變過大，會脫落形成塌方。深埋老黃土隧道其變形具蠕變特性，它有一個(gè)發(fā)展過程，若監(jiān)控量測位移不收斂，應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)或調(diào)整施工方法或及時(shí)施做二次襯砌。老黃土隧道含水量的大小對施工的影響很大，直接影響著隧道的圍巖穩(wěn)定和施工安全。2工程概況及量測2.1 工程概況鄭西客專大斷面隧道通過黃土臺

4、塬區(qū)，洞身穿越地層主要為Q1、Q2老黃土。隧道洞口段基底多位于Q3新黃土地層中，具級自重濕陷性，濕陷性土層厚度為1535m，洞身附近0=150kPa，需對基底進(jìn)行加固處理以消除濕陷性、提高地基承載力；沿線新老黃土常具有不同方向的原生與構(gòu)造節(jié)理，特別是垂直節(jié)理發(fā)育，并具有一定的延續(xù)性、多孔性、疏松、松散結(jié)構(gòu)、密度低；不抗水的粒間結(jié)構(gòu)使黃土遇水易崩解、剝落，多具濕陷性，易產(chǎn)生潛蝕。隧道地下水類型為黃土孔隙、裂隙潛水和砂夾礫石層孔隙承壓水兩大類。地下水質(zhì)良好，無侵蝕性。鄭西客專隧道黃土物理力學(xué)參數(shù)如下表所示：表1 鄭西客專黃土物理力學(xué)參數(shù)表試驗(yàn)項(xiàng)目單位 Q3eol3Q2eol3+el1Q1eol3+

5、el1Q1lgl1含水量 (w)(%)13.4517.4717.2519.43密度 ()g/cm31.731.861.992.04干密度 (d)g/cm31.551.611.60孔隙比 (e)0.800.7140.5950.593飽和度 (Sr)%50.5968.2678.8288.88孔隙度 ( n)%44.3541.4737.0536.47變形模量EoMpa12.8915.4210.4612.53直剪試驗(yàn)內(nèi)摩擦角(°)19.319.8322.924.14凝聚力(C)kPa17.5221.9321.7328.82 鄭西客運(yùn)專線黃土隧道是目前我國在黃土地區(qū)修建的斷面最大的隧道，開挖斷

6、面為164m2，開挖跨度為15.2m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)分為深、淺埋兩種形式:深埋襯砌為變截面，拱頂襯砌厚度為 76 cm，仰拱厚度為 86cm，復(fù)合式襯砌由26 cm一次襯砌及拱部50 cm、仰拱60cm的二次襯砌組成，一次襯砌內(nèi)設(shè)型鋼鋼架支撐作為永久性支撐，鋼架每 0.8m設(shè)一榀；淺埋襯砌結(jié)構(gòu)也為變截面，拱頂襯砌厚度為95 cm，仰拱厚度為105 cm，復(fù)合式襯砌由 35 cm一次襯砌及拱部60 cm、仰拱70cm的二次襯砌組成，一次襯砌內(nèi)設(shè)型鋼鋼架支撐作為永久性支撐，鋼架每 0.6 m設(shè)一榀。深、淺埋隧道二次襯砌均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，淺埋較深埋配筋有所加強(qiáng)。鄭西線大斷面黃土隧道主要結(jié)合黃土的基

7、本特性，施工時(shí)主要采用弧形導(dǎo)坑法、CD、CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)坑等工法，嚴(yán)格按照“管(桿)超前、少擾動、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、留核心、勤量測、早封閉” 21字施工原則進(jìn)行施工。2.2 現(xiàn)場測試現(xiàn)場量測的目的是掌握圍巖穩(wěn)定與支護(hù)受力變形的動態(tài)和信息，并以此判斷設(shè)計(jì)、施工的安全與經(jīng)濟(jì)。以前隧道的設(shè)計(jì)完全依賴于經(jīng)驗(yàn)，但隨著理論分析手段的迅速發(fā)展，其分析結(jié)果越來越被人們所重視，也提出了更高的要求，理論研究結(jié)果須經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。因此系統(tǒng)地組織現(xiàn)場測試，研究巖體和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性態(tài)，對于發(fā)展隧道理論具有重要意義。由于大斷面黃土隧道的復(fù)雜性，為保證施工安全，隧道施工期間，故有針對性的選擇不同埋深、不同工法斷面布設(shè)測點(diǎn)測試。

8、大斷面黃土隧道現(xiàn)場測試的主要目的是:了解圍巖與一次襯砌、一次襯砌與二次襯砌之間的接觸壓力;了型鋼鋼架的應(yīng)力應(yīng)變及對整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用;驗(yàn)證二次襯砌的設(shè)計(jì)效果，提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù);全面了解整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)的變形、受力特性，為合理設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)型式提供依據(jù)。測點(diǎn)布置如圖3 現(xiàn)場測試3.1 拱頂下沉及內(nèi)空收斂為研究大斷面黃土隧道的變形特征，在秦東隧道、潼洛川隧道根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)展情況針對性的布置了測試斷面，本文只列取了部分觀測結(jié)果如下所示：秦東隧道拱頂下沉圖（DK335+450）秦東隧道水平收斂圖（DK335+450）潼洛川隧道拱頂下沉圖（DK345+050）潼洛川隧道水平收斂圖（DK345+050） 從秦

9、東隧道、潼洛川隧道的監(jiān)控量測變形數(shù)據(jù)可知，大斷面黃土隧道變形主要呈現(xiàn)為拱頂下沉，拱頂下沉遠(yuǎn)大于水平收斂，70mm150mm，隧道水平收斂約為30mm左右，這與黃土直立性較強(qiáng)的特點(diǎn)相吻合；大斷面黃土隧道在掌子面開挖前10天左右隧道變形是線性變化，呈現(xiàn)明顯的不收斂狀態(tài)，1015天隧道變形趨勢逐漸變緩，15天左右隧道變形基本趨于穩(wěn)定。3.2、地表下沉地面3m3m3m3m3m3m5m6m6m5m秦東隧道各階段地表下沉斷面圖(DK333+450)25m=58°20m=59°Max=59mm9mm地面秦東隧道地表下沉的影響范圍(DK333+450)黃土強(qiáng)度較低，由于在隧道開挖時(shí)，淺埋隧

10、道上部土體極易松動而整體下沉，此時(shí)隧道圍巖壓力為松動壓力，隧道變形主要為松動變形，土體極易順節(jié)理方向張開或剪斷，土體破壞坍落、較難形成通常的承載拱，地表附近拉力過大而開裂，常伴隨隧道開挖產(chǎn)生地表平行及環(huán)形裂縫。測試如上圖所示，地表最大沉降為59mm以內(nèi)，對地表的影響寬度45m（破裂角接近于60°），相當(dāng)于3倍洞徑。3.3 圍巖壓力秦東隧道圍巖壓力分布圖（KPa）圍巖豎向壓力呈明顯的“馬鞍型”分布形狀，拱腰、拱腰的圍巖較拱頂圍巖大3倍左右。起拱線處壓力較小，邊墻側(cè)向壓力越往下越大。二襯與初支之間接觸壓力明顯較圍巖壓力小，大約占圍巖壓力的47，說明二次襯砌在大斷面黃土隧道中不但是結(jié)構(gòu)安全

11、儲備，而且承擔(dān)50左右的圍巖壓力，對隧道整個(gè)結(jié)構(gòu)安全起著至關(guān)重要的作用。3.4 鋼架受力潼洛川隧道鋼架受力力分布圖（KPa）測試顯示，鋼架呈顯著受壓狀態(tài)，并表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，鋼架內(nèi)外側(cè)最大壓應(yīng)力在目前分別達(dá)到-360和-350MPa水平，淺埋場合分別達(dá)到-250和-300MPa水平。鋼架在拱頂和拱腰處受力較大，起拱線處受力較小，這與圍巖壓力分布趨勢相吻合。從施工過程看，隧道施工第一個(gè)月左右鋼拱架壓力呈現(xiàn)明顯的線性增長趨勢，施工第二個(gè)月左右鋼拱架壓力增長趨勢逐漸變緩，第三個(gè)月以后鋼拱架壓力基本趨于穩(wěn)定。3.5 隧道變形的處理方法 在隧道施工時(shí)，由于地面有動荷載、地質(zhì)特點(diǎn)及不合理的開挖方法等因素

12、的影響，常伴隨隧道開挖產(chǎn)生地表平行及環(huán)形裂縫。此時(shí)隧道的水平收斂和拱頂、地表下沉較大或長期不收斂，造成初期支護(hù)的變形、開裂甚至坍塌。在一般隧道施工時(shí)，控制隧道變形的方法一般有以下幾種： （1）縮短開挖進(jìn)尺，快速封閉； （2）提高支護(hù)強(qiáng)度； （3）控制隧道結(jié)構(gòu)的整體下沉； （4）地表預(yù)注漿； （5）超前預(yù)注漿； 鄭西可用專線結(jié)合黃土隧道基本特性，主要采用以下措施控制隧道圍巖變形： （1）增大擴(kuò)大腳即增大支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面積等形式，以改善結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布； （2）施做鎖腳錨桿，提高支護(hù)承載能力； （3）增加鋼架縱向連接筋，增大支護(hù)剛度；（4）選擇合理工法、開挖進(jìn)尺，及早封閉成環(huán)。4 結(jié)論 (1)施工時(shí)應(yīng)

13、嚴(yán)格按照21字方針進(jìn)行，各工序應(yīng)銜接及時(shí)，防止開挖臨空面暴露時(shí)間過長而造成隧道失穩(wěn)。 (2)隧道變形主要呈現(xiàn)為拱頂下沉遠(yuǎn)，在現(xiàn)場量測時(shí)應(yīng)制定相應(yīng)的觀測等級方案，并對量測數(shù)據(jù)及時(shí)作回歸分析，一旦變形數(shù)據(jù)發(fā)生突變時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的施工方案，以保證施工安全。(3)圍巖圍巖壓力呈“馬鞍型”分布形狀較為明顯。圍巖壓力最大之處并不在拱頂而是在拱腰處，說明拱腰處是最危險(xiǎn)部位，在施工及設(shè)計(jì)中應(yīng)予以足夠的重視。接觸壓力明顯小于圍巖壓力，二次襯砌不僅僅是隧道結(jié)構(gòu)的安全儲備，而且承擔(dān)部分圍巖壓力。 (4)型鋼拱架在拱頂和拱腰處的受力較大，拱架呈明顯的受壓狀態(tài)，并表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性。 隧道圍巖變形問題是一個(gè)極其復(fù)雜的問題，涉及的因素較多，論文通過對現(xiàn)場測試結(jié)果分析了圍巖變形的分布形式、特點(diǎn)，旨在拋磚引玉，引起同行的關(guān)注和