冷希喬,陳禮偉

(中國鐵道科學(xué)研究院,北京 100081)

國內(nèi)很多學(xué)者對黃土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究,如文獻(xiàn)[2]及文獻(xiàn)[3]從黃土節(jié)理方面對黃土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析,認(rèn)為黃土節(jié)理是造成黃土結(jié)構(gòu)性破壞的重要原因。文獻(xiàn)[4]對黃土構(gòu)造節(jié)理進(jìn)行了調(diào)查分析,認(rèn)為黃土隧道的開挖造成節(jié)理面在隧道中發(fā)育,對黃土隧道穩(wěn)定性影響較大。文獻(xiàn)[5]從土力學(xué)角度對黃土隧道進(jìn)行研究,但其假設(shè)認(rèn)為干燥黃土壓力為豎向,一般不計側(cè)壓力,顯然與實際情況不符。文獻(xiàn)[6]采用連續(xù)介質(zhì)有限元原理計算襯砌與周圍地層的作用關(guān)系,并應(yīng)用彈塑性有限元對施工過程進(jìn)行三維模擬分析。由于隧道內(nèi)存在節(jié)理發(fā)育情況,黃土隧道開挖后結(jié)構(gòu)由各向同性變?yōu)楦飨虍愋?應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)有限元方法值得商榷。目前國內(nèi)對于大斷面黃土隧道的設(shè)計和施工尚處于總結(jié)和積累經(jīng)驗階段,無相應(yīng)的設(shè)計、施工技術(shù)規(guī)范,因此,開展黃土隧道的設(shè)計及施工優(yōu)化研究顯得尤為重要。

1 現(xiàn)場監(jiān)測分析

1.1 工程概況

鄭西客運專線東起鄭州,終至西安,線路全長 485 km。其間有隧道 38座,其中秦東、潼洛川、高橋、鳳凰嶺 4座雙線隧道為黃土隧道,毛洞開挖面積達(dá)到 168m2。本次監(jiān)測的秦東隧道試驗斷面位于 Q1(老黃土)砂質(zhì)地層中,隧道埋深為 30m,隧道斷面凈寬約 14.8m,試驗段內(nèi)測試斷面采用CRD法施工。

1.2 監(jiān)測項目與監(jiān)測結(jié)果

秦東隧道試驗段測試的內(nèi)容為施工階段變形測試,根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的凈空周邊位移(拱頂、拱腳及水平收斂)數(shù)據(jù),將監(jiān)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測時間描繪成曲線圖,具體參見圖 1。

圖1 凈空位移曲線

由圖 1可以看出,開挖隧道右上臺階時,拱頂下沉量增加,水平收斂量增大,但無突變趨勢;說明此時黃土隧道在開挖斷面寬度較小情況下,黃土的結(jié)構(gòu)性并沒有被破壞,即無破裂面產(chǎn)生,因而黃土隧道變形特征符合連續(xù)介質(zhì)模型。

隨著開挖隧道右下臺階,拱頂下沉量繼續(xù)增加,但增加的速率呈減緩趨勢;水平收斂量增大,但增加的速率呈增大趨勢;此時可以認(rèn)為隧道在開挖擾動情況下,隧道開挖斷面寬度仍然較小,隧道內(nèi)節(jié)理破裂面還沒有形成,但開挖后臨空面的形狀為長軸豎直方向的橢圓形,因而產(chǎn)生上述變形特征,隧道變形特征仍符合連續(xù)介質(zhì)模型。

在開挖左上臺階時,拱頂下沉量繼續(xù)增大,但增加的速率呈增大趨勢;水平收斂量則出現(xiàn)拐點(收斂值減小);此時可以認(rèn)為隧道內(nèi)由于開挖斷面寬度的增大,致使隧道內(nèi)節(jié)理破裂面開始發(fā)育并形成一定的規(guī)模,故拱頂下沉速率呈增大趨勢,破裂面形成后導(dǎo)致豎向力過大,由于右上橫撐的作用,使上部開挖面趨向長軸為水平方向的橢圓狀變形,因而水平收斂量出現(xiàn)拐點,此時隧道的穩(wěn)定狀態(tài)已經(jīng)受到影響;甚至節(jié)理破裂面嚴(yán)重發(fā)育時,可能發(fā)生坍塌事故。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

式中:kn為法向剛度,ks為切向剛度,K為彈性模量,G為剪切模量,ΔZmin為法向方向連接帶的最小寬度。

(注:E為彈性模量、μ為泊松比、γ為重度、c為粘聚力、φ為內(nèi)摩擦角)

2.2 計算結(jié)果及其與監(jiān)測對比分析

計算分析主要包括模擬隧道初始開挖——節(jié)理破裂面發(fā)育——拆除中隔壁——節(jié)理破裂面繼續(xù)發(fā)育過程,得出隧道拱頂、拱腳及水平收斂的變形位移曲線圖。本算例假設(shè)節(jié)理破裂面由垂直節(jié)理及構(gòu)造斜節(jié)理共同產(chǎn)生,由于構(gòu)造斜節(jié)理其破裂面傾角一般較大,故以垂直節(jié)理破壞為主進(jìn)行分析,凈空位移曲線圖參見圖2。

圖2 凈空位移曲線

由圖2可以看出,模擬計算中隧道右上臺階和右下臺階開挖完成后,與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢相比基本相同,開挖右上臺階時,拱頂下沉量增加,水平收斂量增大,開挖右下臺階時,拱頂下沉量增加,增加的速率同樣呈減緩趨勢;水平收斂量增大,增加的速率同樣呈增大趨勢,說明在開挖斷面寬度較小情況下,采用連續(xù)介質(zhì)為基礎(chǔ)的模型進(jìn)行分析符合實際情況。當(dāng)開挖左上臺階時,計算數(shù)據(jù)曲線與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢相比基本相同,拱頂下沉量繼續(xù)增大,增加的速率同樣呈增大趨勢;水平收斂量同樣出現(xiàn)拐點(收斂值減小),說明此時隨著開挖斷面寬度的擴大,采用非連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行計算符合實際情況。對橫撐拆除后,繼續(xù)模擬節(jié)理帶發(fā)育情況時,拱頂下沉量顯著增加,水平收斂量呈現(xiàn)平緩趨勢,這與試驗段內(nèi)對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析情況相符合。

3 結(jié)論與建議

(1)在隧道埋深較淺的條件下,隧道斷面大小、形狀的不同對隧道內(nèi)節(jié)理破裂面的發(fā)育程度有著重要的影響。因此,建議在隧道施工中應(yīng)縮小隧道開挖的徑空斷面面積,即在大斷面黃土隧道施工中應(yīng)盡量采用雙側(cè)壁法,而且盡少采用弧形導(dǎo)坑法;在施工中,一定要及時施做初期支護(hù)及臨時支護(hù),同時使隧道及早封閉成環(huán),防止節(jié)理破裂面進(jìn)一步發(fā)育,完善結(jié)構(gòu)受力體系,確保施工安全。

(2)在施工中采用CRD法,CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑時由于節(jié)理破裂面的存在,在拆除臨時支護(hù)時應(yīng)給予足夠的重視,嚴(yán)格控制拆撐時機和長度,防止節(jié)理破裂帶嚴(yán)重發(fā)育使應(yīng)力突然釋放,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn),嚴(yán)重時引起隧道坍塌。

(3)當(dāng)隧道節(jié)理破裂面地層被水浸入后,節(jié)理破裂面發(fā)育更快,導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的安全性迅速降低。因此建議對于隧道內(nèi)由節(jié)理破裂面發(fā)育產(chǎn)生的裂縫,應(yīng)嚴(yán)格防止外界水浸入裂縫內(nèi)部,阻止節(jié)理破壞面進(jìn)一步發(fā)育。

(4)關(guān)于大斷面黃土隧道中是否噴射錨桿,由于節(jié)理破裂面的臨界狀態(tài)形成位于開挖斷面徑空較大處。因此建議在拱頂及拱腰位置處可不噴射錨桿,而在邊墻處應(yīng)加大噴射錨桿的密度。

[1]謝定義.黃土力學(xué)特性與應(yīng)用研究的過去、現(xiàn)在與未來[J].地下空間,1999,19(4):273-284

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[3]王景明,張駿.論黃土節(jié)理[J].西安地質(zhì)學(xué)院學(xué)報,1985,7(2):31

[4]鐘世航.黃土中的構(gòu)造節(jié)理及其對黃土隧道穩(wěn)定性的影響[J].巖土工程學(xué)報,1983,5(4)

[5]蘭州鐵道學(xué)院五七鐵路工程處.黃土隧道設(shè)計中幾個問題的討論[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,1972(8)

[6]張金柱,郝文廣.鄭西大斷面黃土隧道施工方法模擬分析[J].隧道建設(shè),2007(z2)

[7]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005

[8]宋冶.鄭西客運專線大斷面黃土隧道施工方法與監(jiān)測技術(shù)研究力學(xué)特性現(xiàn)場測試階段成果報告[R].中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,2007