大斷面黃土隧道初支作用機(jī)理及變形控制技術(shù)研究

蔡志強(qiáng)

（湖南恒基項(xiàng)目管理有限公司，長沙410004）

大斷面黃土隧道初支作用機(jī)理及變形控制技術(shù)研究

蔡志強(qiáng)

（湖南恒基項(xiàng)目管理有限公司，長沙410004）

通過對(duì)已建設(shè)完成的黃土隧道工程的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)大斷面黃土隧道斷面的力學(xué)特性和初支機(jī)理進(jìn)行研究分析，同時(shí)根據(jù)初支機(jī)理，依托鄭西線黃土隧道工程對(duì)大斷面黃土隧道的沉降變形特性、影響因素進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，并通過實(shí)踐證明得到沉降變形的關(guān)鍵控制技術(shù)。

大斷面黃土隧道；初支作用機(jī)理；沉降變形控制；力學(xué)特征

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.075

1 引言

作為占據(jù)我國國土面積6.3%的黃土地質(zhì)在我國地域上實(shí)際分布面積廣泛，隨著我國改革開放后社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，道路工程建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，特別是黃土隧道的建設(shè)速度也逐年提高。

縱觀我國黃土地區(qū)道路建設(shè)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，黃土隧道施工技術(shù)水平也得到不斷提高，從小斷面隧道到大斷面、超大斷面隧道的施工，從單工序到多工序的隧道施工，在整個(gè)黃土隧道施工過程中已經(jīng)逐步形成一套完整的設(shè)計(jì)理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 大斷面黃土隧道初支作用機(jī)理

黃土隧道的建設(shè)隨著隧道的開挖勢(shì)必會(huì)對(duì)隧道周圍的巖土造成作用力的改變，巖土受力重新分布，被開挖的巖土殘余應(yīng)力釋放，受這一系列作用力的改變，在一定范圍內(nèi)，若巖土得不到及時(shí)有效的支護(hù)作用，那么巖土勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致最終松動(dòng)產(chǎn)生塌方等事故，使隧道失穩(wěn)。

2.1 大斷面黃土隧道初支結(jié)構(gòu)類型

目前我國黃土隧道施工根據(jù)支護(hù)作用原理，其初支結(jié)構(gòu)類型主要有剛性支護(hù)、柔性支護(hù)、復(fù)合支護(hù)3種，在大斷面黃土隧道施工中，主要采用柔性支護(hù)和復(fù)合支護(hù)2種，柔性支護(hù)中廣泛應(yīng)用的有錨噴支護(hù)，即錨桿與噴射混凝土支護(hù)、錨噴與其他支護(hù)共同支護(hù)；復(fù)合支護(hù)是一種新興支護(hù)結(jié)構(gòu)，在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中采用柔性支護(hù)，如錨噴支護(hù)，后期二次則選擇剛性支護(hù)，如現(xiàn)澆鋼筋混凝土支護(hù)。

2.2 大斷面黃土隧道初支原理

初支結(jié)構(gòu)的作用主要是保證周圍巖石的穩(wěn)定，承受各種荷載，保持隧道斷面的凈空高度，保證后續(xù)施工的安全。其原理主要為：

(1)大斷面黃土隧道初支原理主要建立在周圍巖土和隧道外加支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮周圍巖土自身承受應(yīng)力能力，并降低周圍巖土壓力，改善隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力能力。根據(jù)巖石力學(xué)理論，當(dāng)周圍的巖石洞壁位移達(dá)到允許最大變形值時(shí)，其壓力達(dá)到最小值；周圍巖石處于塑性狀態(tài)時(shí)，巖石自身承受應(yīng)力能力最大，因此，大斷面黃土隧道初支原理要求在施工過程中采用快速支護(hù)，超前支護(hù)，在挖據(jù)過程中邊作業(yè)邊根據(jù)作業(yè)面進(jìn)行支護(hù)；此外，要充分發(fā)揮巖石自承能力，分層噴射、調(diào)節(jié)作業(yè)時(shí)間柔性支護(hù)。(2)初支原理的另外一個(gè)內(nèi)容在于要充分發(fā)揮支護(hù)材料的自承能力，分次支護(hù)、柔性支護(hù)、錨桿支護(hù)、封閉支護(hù)等方法，通過與周圍巖石緊密粘結(jié)，能提高支護(hù)材料的自承能力，在發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土承載能力方面要優(yōu)于傳統(tǒng)支護(hù)方法。(3)初支原理要求根據(jù)周圍巖土的地質(zhì)特性、力學(xué)性，通過現(xiàn)場監(jiān)控、建立力學(xué)模型、計(jì)算并指導(dǎo)在大斷面黃土隧道施工過程中因地適宜地選擇支護(hù)方式及施工方法。

2.3 大斷面黃土隧道初支作用力學(xué)特性

初支作用力學(xué)研究數(shù)值計(jì)算模式如下。

數(shù)值計(jì)算根據(jù)不同的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)間，通過改變周圍巖石荷載力釋放的系數(shù)計(jì)算。（1）初支結(jié)構(gòu)施工時(shí)間，荷載釋放系數(shù)為0時(shí)，即隧道動(dòng)工后就立即進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，荷載釋放系數(shù)為1時(shí)，即待周圍巖石在動(dòng)工以后變形穩(wěn)定，調(diào)整好二次應(yīng)力變化后再進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，當(dāng)?shù)竭_(dá)該數(shù)值1時(shí)，說明大斷面黃土隧道的初支結(jié)構(gòu)施工太遲，初支結(jié)構(gòu)不能達(dá)到設(shè)計(jì)效果，那么計(jì)算將不再收斂，故荷載釋放系數(shù)K選取訪問為0＜K＜1，論文選取0.025、0.5、0.75、0.9 4個(gè)數(shù)值。（2）在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究中，支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度也是需重要考量的數(shù)值，其主要體現(xiàn)在初支結(jié)構(gòu)的彈性模量上。根據(jù)彈性模量分級(jí)表可知，噴射混凝土的彈性模量為30GPa。

隧道埋深60m，左右側(cè)距各50m，上下45m，具體參數(shù)如表1所示。

表1 大斷面黃土隧道建設(shè)工程模型設(shè)計(jì)值

3 大斷面黃土隧道的變形

分析已建大斷面黃土隧道的施工，有深埋和淺埋之分，拱頂?shù)焦暗椎淖詈蟪两挡町惙秶?41～-9mm的為深埋大斷面類型，-18～-7mm的范圍則是淺埋大斷面類型。研究大斷面黃土隧道的變形規(guī)律、變形特性，以及黃土隧道地表裂縫發(fā)展規(guī)律，有利于之后的大斷面黃土隧道有針對(duì)性進(jìn)行施工，作出相應(yīng)的準(zhǔn)確對(duì)策措施，保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提高作業(yè)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 大斷面黃土隧道變形特性

論文依托賀家莊等鄭西高速鐵路現(xiàn)場工程實(shí)測數(shù)據(jù)分析后可知：（1）對(duì)深埋大斷面黃土隧道而言，初支變形因周圍黃土的巖石強(qiáng)度低，巖石塑性區(qū)范圍大，以整體沉降的變形形式呈現(xiàn)；隧道的邊墻收斂值小，但在拱底的收斂以及沉降大，變形增劇，易導(dǎo)致隧道失去穩(wěn)定。針對(duì)這種情況，在實(shí)際深埋大斷面黃土隧道的施工工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中顯示，同時(shí)結(jié)合上述初支作用機(jī)理及力學(xué)特性，對(duì)大斷面進(jìn)行及時(shí)封閉并支護(hù)是一種極為有效的防止其變形的措施。（2）對(duì)淺埋大斷面黃土隧道而言，因其自身地質(zhì)發(fā)育特點(diǎn)，垂直節(jié)理發(fā)育，在隧道初支作用中以整體沉降變形為主，拱頂與拱底沉降差異比深埋類型要大，在隧道挖掘后期易產(chǎn)生臨空面，從而易使周圍巖土塌陷，地表產(chǎn)生裂縫，拱底不牢固；隧道周圍巖石具有突變性，不穩(wěn)定性，且釋放應(yīng)力快等特點(diǎn)。因此，針對(duì)淺埋大斷面的黃土隧道施工，在挖掘前期工程設(shè)計(jì)和實(shí)際施工過程中要根據(jù)隧道前進(jìn)面的巖土變形情況和變形量，充分考慮如何控制隧道周圍巖石的變形，使用超前支護(hù)等手段，及時(shí)封閉并支護(hù)斷面。

3.2 大斷面黃土隧道變形影響因素

通過上述的數(shù)值分析可知，大斷面黃土隧道的變形影響因素主要包括黃土自身地質(zhì)特性、隧道斷面大小、隧道類型、山體特性等。

(1)根據(jù)上文的介紹可知，在大斷面黃土隧道中周圍巖石變形受黃土本身的結(jié)構(gòu)特性影響，易造成變形量大、突變性強(qiáng)、易形成地表裂縫等，除此之外，黃土發(fā)育的特點(diǎn)即垂直節(jié)理發(fā)育影響會(huì)破壞周圍巖石的完整性，導(dǎo)致巖土在施工過程塑性區(qū)范圍增大，張拉力破壞范圍也在增大；(2)不同的隧道類型，隧道的受力情況和周圍巖石的應(yīng)力分布都會(huì)受到影響。隨著隧道深度的加深，應(yīng)力分布主要集中于隧道拱頂以及隧道掌子面，若在隧道初期不能及時(shí)采取有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，那么隨著隧道深度加深，極容易造成變形，導(dǎo)致隧道失穩(wěn)；(3)根據(jù)伍法權(quán)的三次立方擬合式子得出隧道斷面大小與安全系數(shù)的關(guān)系，可知隨著隧道斷面面積增大，安全系數(shù)也在降低，說明大斷面黃土隧道斷面周圍的巖石穩(wěn)定性極差，極易造成變形；(4)其他因素還包括地下水、施工技術(shù)等，由于新黃土有明顯的濕陷性缺陷、粘結(jié)性不足，因此地下水對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響也很明顯；施工技術(shù)直接影響著工程質(zhì)量，初支結(jié)構(gòu)剛度不夠，變形量就會(huì)增加。

3.3 大斷面黃土隧道沉降變形控制技術(shù)

3.3.1 沉降變形控制基準(zhǔn)值

（1）針對(duì)路面變形，其評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)值為平整度，其路面平整度控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 混凝土路面平整度控制標(biāo)準(zhǔn)

（2）針對(duì)鐵路，其評(píng)價(jià)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 國內(nèi)外鐵路工程施工測量控制標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)黃土隧道施工，大量工程數(shù)據(jù)顯示淺埋大斷面黃土隧道工程建設(shè)的地表沉降大，因此其最大沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)為50mm。

3.3.2 沉降變形控制技術(shù)

通過工程的實(shí)際應(yīng)用中采用超前大管棚施工和側(cè)導(dǎo)洞施工方案（圖1～圖2），并對(duì)初支數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，得到其沉降變化曲線圖（見圖3），通過最終測量發(fā)現(xiàn)，地表沉降值小于50mm，符合沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 超前大管棚施工圖

圖2 側(cè)導(dǎo)洞施工圖

圖3 初支隧道拱頂沉降變化曲線圖

由此可以得出地表沉降變形關(guān)鍵控制技術(shù)：

（1）大斷面黃土隧道施工在第一層初支結(jié)構(gòu)背后應(yīng)填充足夠的注漿保證其穩(wěn)定，因初支結(jié)構(gòu)整體沉降較大易出現(xiàn)空隙；初支結(jié)構(gòu)的鋼架對(duì)沉降變形也有較大影響，特別是鋼架的穩(wěn)定性，因此還應(yīng)對(duì)初支結(jié)構(gòu)的鋼架進(jìn)行加固作業(yè)；（2）超前大管棚支護(hù)能夠避免管棚到圍巖之間巖土的掉落，為更有效減小它們之間的間距，減小沉降變形量，可采取雙層管棚，增加管棚剛度，或在管距間注漿等方式；（3）側(cè)導(dǎo)洞法施工過程中必須加強(qiáng)初支剛度，可采用雙層初支結(jié)構(gòu)，剛度越大那么抵抗沉降變形的能力就越強(qiáng)，因此需充分加強(qiáng)側(cè)導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)的剛度。

4 結(jié)論

（1）通過大斷面黃土隧道施工數(shù)值分析，初支作業(yè)能有效控制隧道周圍巖石的變形，以此為核心，在保證初支作用結(jié)構(gòu)完全安全的情況下，做到初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的準(zhǔn)確及時(shí)；（2）黃土結(jié)構(gòu)特性和其垂直發(fā)育特點(diǎn)對(duì)大斷面黃土隧道的施工有著顯著的影響，除此之外變形還受隧道斷面大小、深度、地下水等影響。因此在大斷面黃土隧道工程設(shè)計(jì)前，要充分考慮其地質(zhì)特征，力學(xué)特點(diǎn)，及變形影響因素等，充分調(diào)動(dòng)巖石的自承應(yīng)力能力。

【1】李健,譚忠盛,喻渝,等.淺埋大跨黃土隧道管棚受力機(jī)制分析[J].中國工程科學(xué)，2011(9):30-33.

【2】李健,譚忠盛,喻渝,等.下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施研究[J].巖土力學(xué)，2011(9):32-35.

【3】彭正勇.注漿抬升在隧道穿越既有建筑物中的研究及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011(S1):76-78.

Study on Primary Support Mechanism and Deformation Control Technology of the Loess Tunnel w ith Large Sections

CAI Zhi-qiang
(HunanHengji Project Management Co.Ltd.,Changsha410004,China)

Through data statistics of the completed construction in loess tunnel engineering,we use computer technology for numerical simulation,and study the mechanical properties of the big cross section of loess tunnel profile and the primary support mechanism.According to the primary support mechanism, relying on research of deformation characteristics,and influencing factors of the loess tunnel with large cross sections in Zheng-Xiengineering,the paper finds the key to the settlement control technology through practice.

large section loess tunnel;primary support mechanism;settlement deformation control;mechanical characteristics

U455.7

A

1007-9467（2016）08-0138-02

2016-08-10

蔡志強(qiáng)（1983～），男，苗族，湖南靖州人，從事公路橋隧研究。