山西某地淺埋偏壓小凈距黃土隧道工程的穩(wěn)定性分析

劉 俊 如

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

隧道工程根據(jù)兩洞間的距離可以分為三類[1]，分別是小凈距隧道，連拱隧道和分離式隧道。此三類的結(jié)構(gòu)形式都不同，本文主要針對小凈距隧道，該類隧道的基本特征是：最小凈距為3.0 m-1.5B(B表示隧道開挖斷面的寬度)，占地寬度為2.0B+(3.0 m-1.5B)，接線難度較易，施工難度和質(zhì)量控制難度均為中等，工程造價在130萬元～200萬元之間，需要控制爆破震動，對于山區(qū)狹窄地帶可降低邊坡，適用于短隧道或圍巖較好的中長隧道。

對于小凈距黃土隧道來說，表層土的主要材料是新近堆積土或者是馬蘭黃土[2]，低于表層土的一層為離石黃土，尤其在淺埋偏壓環(huán)境下，地形地質(zhì)條件的復(fù)雜以及惡劣程度不同，使得隧道成洞困難，圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高，容易出現(xiàn)塌方以及滑坡等嚴重的工程事故，因此要加大對淺埋偏壓小凈距黃土隧道圍巖的穩(wěn)定性研究。

本文依托實際工程，對淺埋偏壓小凈距黃土隧道進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，然后通過分析數(shù)據(jù)得出隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形，確定工程隧道圍巖穩(wěn)定的變形量影響因素。

2 小凈距黃土隧道圍巖分類、變形特征研究

基于特殊力學性能的黃土工程，使得圍巖變形在隧道開挖過程中的影響比較特殊，具體變形特征如下。

2.1 應(yīng)力釋放速度快，容易發(fā)生突變變形[3]

垂直節(jié)理發(fā)育普遍存在于黃土隧道中，從而形成軟弱面，這種軟弱面一般呈現(xiàn)豎向狀態(tài)，軟弱面之間的粘聚力不夠堅固，隨著施工的不斷進行，這種情況越發(fā)嚴重，使得圍巖處于臨空狀態(tài)，原巖應(yīng)力開始釋放，產(chǎn)生裂縫，應(yīng)加快力釋放速度，發(fā)生突變變形。

2.2 突變變形量較大

國內(nèi)學者[4]通過對蘭渝高鐵隧道的調(diào)查以及研究分析發(fā)現(xiàn)，黃土隧道圍巖的變形相比于其他土體而言，會發(fā)生較大的變形量，而且跟隨施工工藝發(fā)生變化，變形情況不一，在實際工程以及理論計算中，適合采用三臺階七步法施工，該法施工可以減少大斷面黃土隧道的變形差別，產(chǎn)生最小的位移。靳曉光[5]等學者通過研究工程實例，對三種施工方法(雙刀側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙洞上下臺階法以及側(cè)壁導(dǎo)坑和上下臺階組合法)進行研究，雙洞上下臺階法的優(yōu)先等級最低，側(cè)壁導(dǎo)坑和上下臺階組合法和雙刀側(cè)壁導(dǎo)坑法是比較優(yōu)選的結(jié)果。

2.3 變形持續(xù)時間較長

扈世民等學者[6]對大斷面黃土隧道拱頂沉降的監(jiān)控量測中發(fā)現(xiàn)，沉降量較大的部位位于隧道拱頂，特別是在掌子面開挖的2 d～6 d內(nèi)，之后沉降量越來越低，但是一直趨于變小的狀態(tài)，最大沉降量將近40 mm，之后開挖仰拱后，也要逐漸沉降，直至支護結(jié)構(gòu)閉合。

2.4 開挖過程容易導(dǎo)致地表裂縫的產(chǎn)生

黃土垂直節(jié)理抗剪能力較弱，隨著施工進度的不斷進行，應(yīng)力逐漸釋放，洞周土體鍥形體產(chǎn)生一定的滑動位移，或產(chǎn)生剪裂或者拉裂，隧道埋深較淺，則可能蔓延到地表，造成地表裂縫的產(chǎn)生。

圍巖的變形隨著隧道的開挖，根據(jù)變形大致可以分為兩類：非穩(wěn)定型變形和穩(wěn)定型變形。

1)穩(wěn)定型變形。變形階段比較明顯，同時擁有較高的安全性，是理想狀態(tài)。變形分為三個階段，急劇、勻速以及圍巖穩(wěn)定階段。三個階段順時產(chǎn)生，其中最后一個階段基本可以達到自穩(wěn)狀態(tài)。該狀態(tài)的變形常常出現(xiàn)在地質(zhì)良好的地區(qū)，如果可以加強支護手段和施工工藝則在地質(zhì)比較復(fù)雜的條件下也可以實現(xiàn)。

2)非穩(wěn)定型變形。隨著施工進度的不斷持續(xù)，圍巖變形一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)發(fā)生完全破壞時結(jié)束，主要特點是：初期變化很快，既包括速率也同時包含變形量，變形量隨著時間的推移不是趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而是逐漸增大，甚至可能出現(xiàn)加速度的情形，這種情況來源兩方面：一方面是壓力太大，應(yīng)力釋放快或施工工藝不夠，造成較大的擾動；另一方面是剛度有待于加強，特別是支護結(jié)構(gòu)，使得圍巖結(jié)構(gòu)的變形較大，為了有效減少圍巖結(jié)構(gòu)的破壞，有效的支護手段是必不可少的。

3 工程實測

3.1 工程地質(zhì)分析

工程位置位于黃土丘陵區(qū)，黃土部分覆蓋在隧道建址區(qū)上層結(jié)構(gòu)，經(jīng)勘查未發(fā)現(xiàn)有構(gòu)造現(xiàn)象，而且階段性的升降運動是地殼運動的主要形式，具有黃土峁狀的地表形態(tài)，呈現(xiàn)東西走向，兩側(cè)均為黃土沖溝，谷坡陡立。

3.2 隧道設(shè)計參數(shù)與施工方法

隧道屬于中隧道，兩洞內(nèi)側(cè)間距約10 m，總長206 m，施工方法采用臺階法進行開挖，左右線均采用機械加人工組合方式開挖。

3.3 現(xiàn)場實測內(nèi)容

主要采用相對簡單的量測工具，應(yīng)用常見的數(shù)學測量儀器，采用動態(tài)化觀測隧道開挖過程中圍巖變形的情況。各監(jiān)測項目的監(jiān)測頻度與監(jiān)測次數(shù)如表1所示。

3.4 實測成果應(yīng)用

對于以上項目，本論文主要針對拱頂沉降以及周邊收斂進行數(shù)據(jù)分析和整理，主要分析了兩個斷面的數(shù)據(jù)。

通過圖1量測數(shù)據(jù)得出拱頂沉降量較大，且左、右洞差別明顯，左洞頂累計沉降量較大的為81.07 mm，右洞頂累計沉降量為157 mm，左洞埋深隨著斷面坡度的增大而減小，說明偏壓對淺埋隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

表1 監(jiān)測頻度與監(jiān)測次數(shù)

根據(jù)圖2斷面的周邊收斂曲線可以得知，測線1(上臺階)的收斂量隨著時間的推移逐漸增大，同樣發(fā)生在測線4(下臺階)的曲線發(fā)展，但是測線4(下臺階)的收斂量遠小于測線1(上臺階)的收斂量，說明施工過程中上臺階的擾動影響較大。

斷面的收斂曲線同時可以看到，測量1的收斂速率較大，跟拱頂?shù)某两盗窟M行對比分析，可以得知收斂曲線跟沉降是呈比例的。

從圖3，圖4兩張曲線圖可以看出，該斷面的累計沉降量和周邊收斂量均相對較小，說明在偏壓和埋深均不是很大的情況下，隧道圍巖變形相對較??；左右洞不同時間開挖對于圍巖的變形也有較大的影響，左洞開挖時，右洞拱頂沉降的收斂量均明顯增大，還有后開挖的左洞拱頂沉降量要大于先開挖的右洞拱頂沉降量。

4 結(jié)語

1)通過兩個斷面進行分析，淺埋偏壓小凈距黃土隧道圍巖變形主要發(fā)生在拱頂處，且深埋側(cè)圍巖變形量要小于偏壓側(cè)圍巖變形量；

2)施工過程中上臺階的擾動影響相比于下臺階要較大；

3)后掘進洞室的開挖會導(dǎo)致先掘進洞室的位移出現(xiàn)短時間陡增現(xiàn)象。