黃土塬區(qū)接觸帶對(duì)圍巖變形的影響規(guī)律研究

范世鴻 谷笑旭 尚應(yīng)超 王宗學(xué)

摘要：銀西高鐵是我國(guó)西部交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，途經(jīng)世界最大黃土塬——董志塬。其中，賈塬隧道位于銀西高鐵甘寧段，是銀西高鐵控制性工程，穿越多種不同巖性接觸帶，包含有：黏質(zhì)黃土-紅黏土接觸帶、黏質(zhì)黃土-砂巖夾泥巖接觸帶、紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶。文章以賈塬隧道為工程依托，通過三維數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)三種接觸帶下隧道圍巖位移變形規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：（1）圍巖在開挖前會(huì)發(fā)生預(yù)變形，且預(yù)變形在總位移變形中的占比受接觸帶種類、分界面位置和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的影響，隨著分界面的下移，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)變形在總位移變形中的占比逐漸增大;（2）受地層條件的影響，三種接觸帶中隧道上部圍巖位移變形值普遍大于隧道下部圍巖位移變形值，且三種接觸帶最終位移變形值從大到小依次為：黏質(zhì)黃土-紅黏土>黏質(zhì)黃土-砂巖夾泥巖>紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶。

關(guān)鍵詞：接觸帶;數(shù)值模擬;圍巖位移;預(yù)變形

中圖分類號(hào)：U451⁺.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.030

文章編號(hào)1673-4874（2021）01-0106-04

0引言

為滿足西部城市發(fā)展需要，建成西部交通網(wǎng)絡(luò)，連接銀川和西安的銀西高鐵于2015年動(dòng)工修建。銀西高鐵并行西成客專向西北延伸，經(jīng)甘肅省慶陽市，沿包蘭鐵路接入銀川站。西安北站至銀川站正線長(zhǎng)度為618km，全線共設(shè)車站20處，新建特大、大中橋244.40km，共188座，隧道143.85km，共34座，橋梁隧道總長(zhǎng)388.25km，橋隧比為62.97%。其中甘寧段隧道全長(zhǎng)81.82km，共21座，主要位于高原型黃土塬及黃土梁宛區(qū)、董志糠黃土臺(tái)糠及溝壑區(qū)。

在黃土塬區(qū)修建長(zhǎng)大隧道經(jīng)常會(huì)穿越多種地層，即不同巖性接觸帶，接觸帶地層地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖易發(fā)生變形破壞，存在安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成塌方。甘芳隧道、蛟嶺隧道等在修建過程中，由于接觸帶地層的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了開裂、大變形等病害，還有隧道在修建過程中發(fā)生了塌方[1-5]。針對(duì)不同巖性接觸帶，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究并取得了一定成果。Wenkai Feng研究了接觸帶地層條件下，在隧道開挖前后圍巖應(yīng)力和圍巖位移的變化[6];A.Yassaghi通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)穿越火成巖接觸帶的Taloun隧道進(jìn)行分析研究[7];于介研究了施工工法對(duì)不同巖性接觸帶隧道的影響[8];李雪峰等研究了接觸帶對(duì)隧道初期支護(hù)應(yīng)力及變形的影響，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化[9-10];劉俊平等研究了不同巖性分界面對(duì)隧道初期支護(hù)的影響[11]。

但上述研究主要是針對(duì)一種不同巖性接觸帶進(jìn)行研究，缺少關(guān)于多種不同巖性接觸帶的橫向?qū)Ρ妊芯俊１疚囊劳匈Z嫄隧道，對(duì)修建過程中穿越的三種不同巖性接觸帶進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，對(duì)各工況下不同巖性接觸帶的支護(hù)位移變形進(jìn)行對(duì)比分析，為相關(guān)工程的施工設(shè)計(jì)提供參考。

1工程概況

賈塬隧道經(jīng)過甘肅省慶陽市慶城縣蔡家廟鄉(xiāng)及馬嶺鎮(zhèn)，隧道最大埋深約260m，最小埋深為14m;總長(zhǎng)11860m;設(shè)計(jì)為雙線單洞，為銀西鐵路控制性工程。隧道主要經(jīng)過董志嫄邊緣黃土梁宛溝壑區(qū)，地形破碎，沖溝發(fā)育，圍巖分級(jí)多為IV、V級(jí)。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，賈塬隧道三次長(zhǎng)段落穿越同巖性接觸帶，分別是：黏質(zhì)黃土和紅黏土的接觸帶，長(zhǎng)380m，位于DK276+219～DK276+599里程處;紅黏土和砂巖夾泥巖的接觸帶，長(zhǎng)282m，位于DK278+273～DK278+555里程處;黏質(zhì)黃土-紅黏土-砂巖夾泥巖相互交錯(cuò)的接觸帶，長(zhǎng)981m，位于DK285+275～DK286+256里程處。

2三維數(shù)值計(jì)算模型

2.1計(jì)算模型

結(jié)合實(shí)際施工過程中的地質(zhì)條件和施工條件，建立三維數(shù)值模型，隧道跨度為14.6m，高度為12.47m，如圖1所示。為消除邊界效應(yīng)的影響，將模型的高度設(shè)置為114m，寬度為120m，縱向深度為56m。模型除頂面外，采用法向固定約束，并通過在頂部施壓的方式模擬隧道的實(shí)際埋深。在實(shí)際施工過程中接觸帶段落較長(zhǎng)，分界面近乎水平，其與隧道軌面夾角<4°，建立模型時(shí)，接觸帶分界面與水平面平行。

2.2模型參數(shù)與計(jì)算工況

隧道圍巖采用三維實(shí)體單元模擬，圍巖采用shell單元模擬，參數(shù)根據(jù)賈塬隧道地層土工試驗(yàn)物理力學(xué)參數(shù)并通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果迭代確定，在數(shù)值模擬中采用的模型參數(shù)如表1所示。

由于隧道在穿越接觸帶的過程中，分界面在隧道內(nèi)的位置是不斷變化的，所以每種類型接觸帶設(shè)置三種不同的分界面位置：上臺(tái)階中部、中臺(tái)階中部、下臺(tái)階中部，共計(jì)九種工況。

2.3監(jiān)測(cè)斷面

為便于不同工況間對(duì)比分析，選取隧道開挖方向的中部位置為監(jiān)測(cè)斷面，并根據(jù)實(shí)際施工過程中的臺(tái)階位置選取五處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以隧道中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處坐標(biāo)如表2所示。

3數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1分界面位于上臺(tái)階時(shí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

選取分界面位于上臺(tái)階時(shí)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，即三種不同接觸帶地層隧道開挖支護(hù)過程中拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)值，并繪制出拱頂沉降時(shí)程曲線圖（如圖2所示）。

通過圖2可以看出：（1）拱頂處在監(jiān)測(cè)斷面開挖前會(huì)發(fā)生一定位移，有較為明顯的預(yù)變形，且黏質(zhì)黃土-紅黏土接觸帶的預(yù)變形明顯大于紅黏土一砂巖夾泥巖、黏質(zhì)黃土-砂巖夾泥巖接觸帶的預(yù)變形;（2）從圍巖位移規(guī)律來看，三種接觸帶地層的拱頂沉降時(shí)程曲線變化趨勢(shì)一致，在監(jiān)測(cè)斷面開挖前發(fā)生一定預(yù)變形，隨著監(jiān)測(cè)斷面開挖，拱頂沉降迅速增大，監(jiān)測(cè)斷面開挖完成后，位移變形值逐漸收斂，整體位移變形規(guī)律呈現(xiàn)“S”形;（3）從最終位移變形來看，紅黏土處的拱頂沉降值最小，其次為黏質(zhì)黃土-砂巖夾泥巖、黏質(zhì)黃土-紅黏土接觸帶，拱頂沉降值依次為2.96cm、5.22cm、7.31cm。

其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形值與拱頂沉降相似，呈現(xiàn)出位移變形規(guī)律相似，最終位移變形值不同的狀況，位移值從大到小依次為黏質(zhì)黃土-紅黏土接觸帶>黏質(zhì)黃土-砂巖夾泥巖接觸帶>紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶（如表3所示）。且由于分界面位于上部，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)的下移，黏質(zhì)黃土-砂巖夾泥巖接觸帶和紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶的位移變形值越來越相近，兩種地層條件下，仰拱處的位移變形值幾乎相同（如圖3所示）。

3.2分界面位于中、下臺(tái)階時(shí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

采用相同的方法繪制接觸帶位于中、下臺(tái)階時(shí)各種地層條件下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律與分界面位于上臺(tái)階時(shí)相似，且三種地層條件下在監(jiān)測(cè)斷面開挖前，各測(cè)點(diǎn)均有較為明顯的預(yù)變形。具體數(shù)值如表4、表5所示。

從表4～5中可以看出：

（1）三種接觸帶地層中，黏質(zhì)黃土-紅黏土接觸帶地層條件下在開挖前會(huì)發(fā)生較大的預(yù)變形，最終與另兩種接觸帶有明顯差異，且預(yù)變形值隨著分界面的下移逐漸增大。同時(shí)，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形值有所不同，由上至下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)變形值逐漸增大。

（2）相比于黏質(zhì)黃土-紅黏土接觸帶，黏質(zhì)黃土一砂巖夾泥巖、紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶性質(zhì)相近、隧道變形規(guī)律一致，但二者在位移數(shù)值上有所差異，前者變形值略大，因?yàn)轲べ|(zhì)黃土力學(xué)性質(zhì)較紅黏土差。

（3）受接觸帶地層上下圍巖力學(xué)性質(zhì)差異的影響，隧道上部的位移變形值普遍大于隧道下部的位移變形值，且隨著分界面的下移，這種差異逐漸增大。

4結(jié)語

本文依托賈糠隧道，對(duì)三種不同巖性接觸帶：黏質(zhì)黃土-紅黏土、黏質(zhì)黃土-砂巖夾泥巖、紅黏土-砂巖夾泥巖的接觸帶對(duì)圍巖的位移變形進(jìn)行分析，并在每種接觸帶下設(shè)置三種不同的分界面位置：上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階。通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析接觸帶對(duì)隧道位移變形的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）斷面在開挖前，各圍巖位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)就有一定程度的預(yù)變形，不同接觸帶、不同分界面位置、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的預(yù)變形值各不相同，預(yù)變形在總位移變形中的占比也各不相同，三種接觸帶的預(yù)變形值從大到小依次為：黏質(zhì)黃土-紅黏土>黏質(zhì)黃土-砂巖夾泥巖>紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶;隨著分界面的下移，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)變形占總位移變形的比值逐漸增大;由上至下，位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)變形占比逐漸增大。

（2）不同類型接觸帶的圍巖位移變形規(guī)律相同但最終位移變形值各不相同，三種接觸帶最終位移變形值從大到小依次為：黏質(zhì)黃土-紅黏土>黏質(zhì)黃土- 砂巖夾泥巖>紅黏土-砂巖夾泥巖接觸帶。受地層條件的影響，隧道上部的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形值普遍大于隧道下部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形值。

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