鐵路黃土隧道施工變形規(guī)律及預留變形量研究

曹海靜,劉志強,吳 劍,李秀華,師亞龍,鄭 波,魏星星

(1.中鐵西南科學研究院有限公司,成都 611731； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

黃土主要見于西北和華北地區(qū)，涵蓋陜西、河南、山西、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、山東等13省(區(qū))，黃土是西部隧道與地下工程不可回避的工程地質(zhì)背景。黃土隧道設計中預留變形量值的確定對隧道工程造價及隧道初期支護具有一定程度影響。多個學者對此進行研究，李明耿提出在偏壓黃土隧道施工中要適當加大開挖預留變形量，確保黃土隧道支護穩(wěn)定后不侵限[1]；趙東平等通過對鄭西客運專線隧道實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提出了大斷面黃土隧道預留變形量[2]；席浩等基于寶蘭鐵路黃土隧道的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，提出大斷面隧道開挖預留變形量[3]；金美海等采用現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸分析和ANSYS數(shù)值模擬驗證的方法，對偏壓黃土隧道進行了研究，提出了不同偏壓黃土隧道預留變形量的建議值[4]；王鵬研究了臺階法施工中下臺階開挖對預留變形量的影響[5]；孫國凱等對公路隧道軟弱圍巖預留變形量進行了研究[6]；在預留變形量的研究中，多數(shù)停留在定性的描述，定量的分析不多見[7，10]；我國現(xiàn)行的《鐵路黃土隧道技術規(guī)范》(Q/CR 9511—2014)也對黃土隧道設計預留變形量進行了建議[11]，但是該規(guī)范是針對大斷面黃土隧道(開挖跨度15 m，高度13 m，總面積超過170 m2)[12]，其建議值是否適用于普通斷面(100 m2左右)的黃土隧道，還有待驗證。因此，對蒙華鐵路黃土隧道量測數(shù)據(jù)的研究具有現(xiàn)實意義。

本文依托蒙華鐵路雙線黃土隧道工程，采用現(xiàn)場實測和統(tǒng)計分析的方法，對黃土隧道變形規(guī)律及設計預留變形量進行研究，為后續(xù)類似工程設計提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源及工程概況

統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于蒙華鐵路蒙陜段和晉豫段54座雙線黃土隧道的現(xiàn)場量測資料(拱頂下沉和周邊收斂)。涉及的地層主要為Q2砂質(zhì)和黏質(zhì)老黃土、Q3砂質(zhì)新黃土和Q4砂質(zhì)老黃土，圍巖分級為Ⅳ、Ⅴ級，埋深在250 m以內(nèi)，施工方法采用三臺階法(局部采用三臺階大拱腳臨時仰拱法)[13，15]。

蒙華鐵路黃土隧道初期支護參數(shù)及設計預留變形量見表1、表2，開挖寬度(B)為12～13 m，開挖高度(H)為11～12 m。鐵路黃土隧道的深淺埋分界深度[11]取為1.4(H+B)～2.1(H+B)，此處取深淺埋的分界是40 m。

表1 Ⅴ級圍巖黃土隧道初期支護參數(shù)及設計預留變形量

注：圍巖水平成層段拱部160°外邊墻取消砂漿錨桿。

表2 Ⅳ級圍巖黃土隧道初期支護參數(shù)及設計預留變形量

注：圍巖水平成層段拱部160°外邊墻取消砂漿錨桿。

3 實測數(shù)據(jù)分析

本文統(tǒng)計的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括蒙華鐵路各黃土隧道(雙線)開工以來監(jiān)測時間達到1個月以上監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù)，同時刪除了部分變形過小的異常數(shù)據(jù)，統(tǒng)計斷面共計2 496個。量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計項目包括：各斷面拱頂下沉最大值、周邊收斂最大值、拱頂下沉速率最大值及斷面埋深。

3.1 Ⅳ級圍巖黃土隧道

3.1.1 時態(tài)曲線

圖1 鄭莊隧道DK374+811斷面拱頂下沉曲線

選擇有代表性的Ⅳ級圍巖黃土隧道時態(tài)曲線分析，如圖1、圖2所示。由Ⅳ級圍巖黃土隧道時態(tài)曲線可知，在Ⅳ級圍巖條件下，黃土隧道變形具有如下規(guī)律：在仰拱封閉前，拱頂下沉和周邊收斂發(fā)展較快，仰拱封閉后，變形速率減小，變形趨于穩(wěn)定；周邊收斂小于拱頂下沉值。

圖2 鄭莊隧道DK374+811斷面周邊收斂曲線

3.1.2 洞周位移與埋深的關系

對Ⅳ級圍巖黃土隧道量測數(shù)據(jù)按埋深進行統(tǒng)計，結果如圖3、圖4所示，可以看出：

(1)Ⅳ黃土分布在25～150 m埋深，拱頂下沉的最大值是77.49 mm，周邊收斂的最大值是47.8 mm，均未超出預留變形量；對于同一斷面而言，拱頂下沉普遍大于周邊收斂，拱頂下沉和周邊收斂隨埋深分布離散性較大，無顯著規(guī)律；

(2)25～150 m埋深隧道拱頂下沉速率分布集中在5 mm·d-1以內(nèi)；深埋時，12.26%的斷面速率大于5 mm·d-1。因此，對于深埋隧道的監(jiān)控量測應重點關注拱頂下沉變形速率。

圖3 Ⅳ級圍巖隧道拱頂下沉及周邊收斂隨埋深分布

圖4 Ⅳ級圍巖隧道拱頂下沉及下沉速率隨埋深分布

3.2 Ⅴ級圍巖黃土隧道

3.2.1 時態(tài)曲線

選擇有代表性的Ⅴ級圍巖黃土隧道時態(tài)曲線分析，如圖5、圖6所示。

由Ⅴ級圍巖黃土隧道時態(tài)曲線可知，在Ⅴ級圍巖條件下，黃土隧道變形具有如下規(guī)律：在上、中臺階開挖時，下沉急劇增長，下臺階開挖完成、仰拱封閉后，變形逐漸趨于平穩(wěn)。此外，隧道封閉前的沉降占全部沉降的95%以上；同Ⅳ級圍巖黃土隧道一樣，拱頂下沉大于周邊收斂。

圖5 郭旗隧道DK266+240斷面拱頂下沉曲線

圖6 郭旗隧道DK266+240斷面周邊收斂曲線

3.2.2 洞周位移與埋深的關系

對Ⅴ級圍巖黃土隧道量測數(shù)據(jù)按埋深進行統(tǒng)計，結果如圖7、圖8所示，可以看出：

(1)深埋時，拱頂下沉集中分布在50 mm以內(nèi)，占比96.90%；淺埋時，部分斷面拱頂下沉超出設計預留變形量。周邊收斂比較小，主要分布在30 mm以內(nèi)，未超過設計預留變形量。對于同一斷面而言，拱頂下沉普遍大于周邊收斂。

(2)拱頂下沉速率隨埋深的分布規(guī)律與拱頂下沉隨埋深的分布規(guī)律一樣，深埋時，下沉速率集中分布在5 mm·d-1以內(nèi)，4.13%的斷面速率大于5 mm·d-1；淺埋時，下沉速率分布在15 mm·d-1以內(nèi)，5 mm·d-1以上速率斷面占比12.62%。

(3)臺階法施工在開挖階段對黃土的擾動較大，淺埋黃土隧道拱頂下沉及下沉速率都比較大，因此，對于淺埋隧道施工要控制周邊位移變形。

(4)拱頂下沉和水平收斂的累計值普遍都比較小。這是由于黃土隧道地質(zhì)條件的特殊性，各施工單位比較重視，黃土隧道施工技術日益成熟，施工過程中對黃土隧道變形的控制比較好，黃土隧道的變形比較小。

圖7 Ⅴ級圍巖隧道拱頂下沉及周邊收斂隨埋深分布

圖8 Ⅴ級圍巖隧道拱頂下沉及下沉速率隨埋深分布

3.3 凈空變形特征值與埋深關系

Ⅳ級和Ⅴ級圍巖條件下，凈空變形特征值(下沉與收斂之比)與隧道埋深分布見圖9?？梢钥闯觯盥窈蜏\埋隧道，凈空變形特征值普遍大于1，即拱頂下沉大于周邊收斂。對凈空變形特征值的統(tǒng)計顯示，該特征值的平均值淺埋時為4.1，深埋時為2.2。

圖9 凈空變形特征值隨埋深分布

4 黃土隧道變形預留變形量研究

通過以上分析可知，各量測斷面中拱頂下沉普遍大于周邊收斂，因此最終預留變形量的確定以拱頂下沉量測數(shù)據(jù)為依據(jù)。

4.1 Ⅳ級圍巖黃土隧道預留變形量

Ⅳ級圍巖黃土隧道設計預留變形量是5～8 cm，由圖3可知，當設計預留變形量分別取5、8 cm，拱頂下沉低于5、8 cm的斷面所占百分比分別是96.10%、100.00%?？紤]現(xiàn)場數(shù)據(jù)的離散性，同時兼顧施工安全，建議Ⅳ級圍巖老黃土隧道設計預留變形量取值范圍可為8～10 cm

4.2 Ⅴ級圍巖黃土隧道預留變形量

Ⅴ級圍巖黃土隧道設計預留變形量是8～12 cm，由圖7可知，當設計預留變形量分別取8、12、15 cm，拱頂下沉量低于8、12、15 cm的斷面所占百分比分別是97.97%、99.64%、100.00%?？紤]現(xiàn)場數(shù)據(jù)的離散性，同時兼顧施工安全，建議Ⅴ級圍巖新黃土隧道設計預留變形量取值范圍可為12～15 cm。

5 結論

本文依托蒙華鐵路雙線黃土隧道工程實際，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析得出了以下結論。

(1)隧道開挖時，拱頂下沉和周邊收斂發(fā)展較快，仰拱封閉后，變形速率減小，變形趨于穩(wěn)定；周邊收斂普遍小于拱頂下沉值。

(2)Ⅳ級圍巖黃土隧道深埋時，12.26%的斷面下沉速率>5 mm·d-1；淺埋時，拱頂下沉速率小于5 mm·d-1。因此，Ⅳ級圍巖黃土隧道深埋時，應重點關注拱頂下沉速率。

(3)Ⅴ級圍巖黃土隧道深埋時，拱頂下沉集中分布在50 mm以內(nèi)，速率集中分布在5 mm·d-1以內(nèi)；淺埋時，部分斷面拱頂下沉超出設計預留變形量，速率分布在15 mm·d-1以內(nèi)，超出5 mm·d-1的斷面占比12.62%；其表現(xiàn)出的特點是：淺埋變形大，速率大。

(4)凈空變形特征值的平均值在淺埋時為4.1，深埋時為2.2。

(5)對于采用三臺階法施工黃土隧道，建議在Ⅳ級黃土圍巖條件下，隧道設計預留變形量可取8～10 cm；在Ⅴ級黃土圍巖條件下，隧道設計預留變形量可取12～15 cm。

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