閆 春 莉

(張家口遠大建設集團有限公司,河北 張家口 075000)

1 前 言

黃土強度低、變形大、自承能力小、工程性質差、受水的影響十分強烈，一旦被水浸泡達到飽和狀態(tài)，其強度會明顯降低。因此，在黃土地區(qū)修建隧道的難度遠大于巖石隧道。張承高速草帽山黃土隧道還具有淺埋偏壓等現象。本文采用數值模擬、監(jiān)控量測等方法對該隧道V級圍巖淺埋偏壓段施工、支護方案進行研究，并進行優(yōu)化。

2 隧道工程概況

隧道建筑限界單洞凈寬12.50 m，橫斷面組成為0.75+0.75+3.75×2+2.75+0.75 m，限界高度5.0 m，設雙側檢修道。隧道暗洞按照新奧法原理施工。淺埋黃土段或Ⅴ級圍巖段采用雙側壁導坑法開挖或留核心土開挖法，機械或人工開挖，嚴禁洞內積水，以臺階法開挖為主，上半斷面長度控制在5 m左右[1]。

3 隧道數值模擬建模

采用FLAC3D有限差分程序[5]進行數值模擬計算。

3.1 模擬范圍

隧道Ⅴ級圍巖淺埋段開挖斷面為14.9 m×11.2 m(寬×高)，計算模型基本尺寸為：開挖斷面左右分別取距隧道中心線的4倍洞寬，向下取隧道距隧道底部的3倍洞高，向上取至地表，縱向長60米。對于地表深約十米的取土坑，在模擬隧道開挖前先恢復地表原始狀態(tài)，當地表被破壞后模擬出地應力重新分配的情況。

3.2 計算模型和計算參數

在計算模型中，圍巖采用了FLAC3D提供的Mohr-Coulomb強度準則，計算各土層所采取的的物理力學參數取自河北省交通規(guī)劃設計院所做的土工試驗結果；隧道的其它物理力學參數直接來自施工現場取樣。具體見表1。

表1 數值模擬參數表

巖土體的體積模量(K)和剪切模量(G)由下式確定[6-7]：

(1)

(2)

式中E為彈性模量，μ為泊松比。

3.3 數值模擬監(jiān)測點的布置

為滿足施工需要并指導施工，需對模擬的隧道進行一系列點的監(jiān)控，把輪廓隧道洞內收斂和地表下沉觀測點。本次數值模擬將重點監(jiān)測隧道開挖至坑體時土體的力學響應，以及控制開挖對隧道周圍土體的影響，確定合理的開挖順序及支護方法。監(jiān)測橫斷面的測點將包括地表下沉觀測點和洞內收斂點，具體的布點情況如下圖1。監(jiān)測斷面布設在隧道進入地表坑體6米處。

圖1 數值模擬監(jiān)測點布置圖

3.4 隧道的開挖

草帽山隧道穿越黃土段開挖斷面大、地表情況復雜。雙側壁導坑法雖然施工安全，但工序復雜、進度慢、造價高。正臺階法施工，雖然進度快，但在掌子面土體開挖完成后，拱頂土體下沉嚴重，存在安全風險。兼顧施工安全和進度，確定采用正臺階環(huán)形開挖預留核心土法施工。

4 模擬計算結果

4.1 隧道上導洞開挖模擬.

1)上導洞開挖至監(jiān)測斷面

當上導洞開挖至監(jiān)測斷面且無支護時，上導洞沿左右兩側大約45度角的范圍內出現剪切破壞，可能出現拱頂處坍塌和地表土下沉并出現裂縫。從拱頂下沉和地表下沉曲線及下沉速率圖中可以看出下沉量和下沉速率基本相同，從數值上分析可知隧道無支護時隧道拱頂下沉量和地表下沉量都超過80 cm且下沉速率變大，這表明掌子面土體已經失穩(wěn)。所以，隧道在上導洞開挖前，應進行超前支護，開挖后要及早布置徑向錨桿并支護鋼拱架噴射混凝土。

2)監(jiān)測斷面前方上導洞施工.

當隧道上導開挖遠離監(jiān)測斷面1 m時，拱頂下沉量達6.8 cm，中心地表下沉量達5 cm，左拱腰下沉量達9.2 cm，右拱腰下沉達3.6 cm，沉降差為5.6 cm；當隧道上導開挖遠離監(jiān)測斷面3 m時，拱頂下沉量達7.4 cm，地表下沉量達5.5 cm，拱頂左拱腰下沉量達10 cm，右拱腰下沉達4 cm，沉降差為6 cm。

3)隧道上導洞施工對監(jiān)測斷面的影響.

在隧道上導洞有支護時，開挖至監(jiān)測斷面時，拱頂下沉量達5.2 cm，中心地表下沉達4.3 cm，左拱腰下沉達7.3 cm，右拱腰下沉達3 cm，沉降差為4.3 cm，各監(jiān)測沉降曲線的收斂速率增大；當隧道上導開挖遠離監(jiān)測斷面1 m時，拱頂下沉量達6.8 cm，地表下沉量達5 cm，拱頂下沉速率和地表下沉速率收斂明顯，左拱腰下沉量達9.2 cm，右拱腰下沉達3.6 cm，沉降差為5.6 cm，兩側不均勻沉降進一步加大。

由以上可知，進行上導洞開挖時，應對掌子面進行超前支護，開挖后及時支護錨桿噴射混凝土。左右拱腰出現的不均勻下沉，表明土體在受到偏壓及重力作用下，由于黃土體承載力低，隧道產生了不均勻的沉降，應及時在沉降量較大側墊木支撐，必要時進行臨時性加固。當周邊收斂較大時，不宜進行上導洞施工。

4.2 隧道核心土開挖模擬

1)核心土開挖至監(jiān)測斷面.

在核心土有超前支護和環(huán)向錨桿的支護下，當隧道核心土開挖至監(jiān)測斷面時，隧道拱頂下沉量達13 cm，下沉曲線速率迅速增大，中心地表下沉達9.2 cm，下沉速率趨勢與拱頂下沉相同，迅速增大；左側拱腰下沉達20 cm，右側拱腰達8.5 cm，沉降差為11.5，兩拱腰下沉速率增大；左側墻橫向位移3 cm，右側墻橫向位移-12.2 cm，隧道收斂距離為15.2 cm，位移速率在核心土開挖初期較大，隨著時間的推移，速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

2)監(jiān)測斷面前方核心土開挖.

當隧道監(jiān)測斷面前方核心土開挖后，隧道拱頂下沉量達17 cm，中心地表下沉達12 cm，下沉曲線速率在開挖前曾出現收斂，但隨著核心土的進一步開挖，平衡被破壞，下沉速率又出現增大；左側拱腰下沉達27 cm，右側拱腰達12 cm，沉降差為15 cm；左側墻橫向位移1 cm，右側墻橫向位移-15 cm，隧道收斂距離為14 cm。

3)隧道核心土施工對監(jiān)測斷面的影響.

當隧道核心土開挖后，剪切破壞區(qū)域沿隧道拱腳兩側繼續(xù)發(fā)展，右側剪應力破壞開始明顯。從隧道Z方向上的應力圖中可以看出，核心土左右兩側出現了應力集中，且左側應力高于右側。初期支護混凝土Z方向上最大壓應力出現在隧道所受偏壓側的核心土支護的拱腳處，拱頂局部地方產生了拉應力。初期支護的左拱腰處出現了X方向的最大壓應力。從錨桿軸力圖中可以看出，隧道錨桿左側所受軸力大于右側，從泥漿的應力圖中發(fā)現，左側底部錨桿周圍端部的泥漿曾出現過滑移。

4.3 隧道下導洞開挖模擬

1)隧道下導洞開挖至監(jiān)測斷面.

當隧道下導洞開挖至監(jiān)測斷面時，隧道拱頂下沉量達25 cm，中心地表下沉達19 cm，左右拱腰沉降差為18，左右惻墻收斂距離為14.2 cm。

2)隧道監(jiān)測斷面前方下導洞開挖.

當隧道監(jiān)測斷面前方下導洞施工后，隧道拱頂下沉量達28 cm，中心地表下沉達21.5 cm，左右拱腰沉降差為19；左右側墻收斂距離為14.5 cm。

3)隧道下導洞施工對監(jiān)測斷面的影響.

當隧道下導洞開挖后，隧道剪切破壞區(qū)沿兩拱腳呈45°向下發(fā)展，隧道初期支護的最大主應力出現在左拱腰和兩拱腳處。為增大拱腳兩處的地基承載力，在兩拱腳處各增加兩根鎖腳錨桿，增加的錨桿提供了軸向壓應力。根據先前的施工經驗，兩拱腳處的注漿范圍應進一步擴大，當少量的注漿后對附近土體的改善作用不大，兩側拱腳處的錨桿的周邊部位出現了滑移。

4.4 隧道仰拱開挖模擬

1)隧道仰拱開挖至監(jiān)測斷面.

當隧道的仰拱開挖至監(jiān)測斷面，在未對仰拱施工回填時，隧道拱頂下沉量達31.5 cm，中心地表下沉達24 cm，左側拱腰下沉達44 cm，右側拱腰達22 cm，沉降差為22；左側墻橫向位移2.5 cm，右側墻橫向位移-15.5 cm，隧道收斂距離為13 cm。

在對仰拱施作回填后，隧道各沉降收斂速度明顯，隧道拱頂下沉量達35 cm，中心地表下沉達28 cm，左側拱腰下沉達47 cm，右側拱腰達24 cm，沉降差為23；左側墻橫向位移2.5 cm，右側墻橫向位移-15.3 cm，隧道收斂距離為12.8 cm。

2)監(jiān)測斷面前方仰拱施工.

當隧道監(jiān)測斷面前方仰拱施工并回填后，隧道拱頂下沉量達38 cm，中心地表下沉達30 cm，左右拱腰沉降差為25；左右側墻收斂距離為12.5 cm。

3)隧道仰拱施工對監(jiān)測斷面的影響.

當隧道仰拱開挖后，從支護和回填前后各曲線圖發(fā)現，仰拱的及時回填起著至關重要的作用，可以使其下沉速率迅速收斂，所以在仰拱開挖后應立即對其進行回填。

4.5 二襯施工對監(jiān)測斷面的影響

二襯的施工是隧道采用新奧法施工的最后一道支護措施，一般二襯的施工即表示先前監(jiān)測的各項指標均趨于穩(wěn)定，以便使得二襯施工后，不至于造成二襯的破壞。

5 數值模擬與監(jiān)測數據比較

細線：中心地表下沉、周邊收斂 粗線：拱頂下沉、拱腰沉降

根據圖2～5施工監(jiān)測曲線可以看出，隧道中心線地表下沉累計達34.5 cm(數值模擬累計沉降31 cm)，拱頂下沉累計達29 cm(數值模擬累計39 cm)，周邊收斂累計達13.8 cm(數值模擬累計12.5)，兩拱腰沉降差達15 cm(數值模擬累計達24.5 cm)。從以上數據的分析可以得知，隧道支護參數的改變對隧道的拱頂下沉和拱腰的不均勻沉降影響較大。隧道地表和拱頂下沉主要集中在上導洞的開挖、核心土的開挖和下導洞的開挖。在控制左右不均勻沉降方面主要是在左右拱腳的處理上，當對隧道變形要求嚴格的工程，應著重加強拱腳所處地基土的加固。

通過與優(yōu)化方案模擬數據結果對比可知，數據模擬分析結果與監(jiān)測結果基本吻合。

6 結 論

通過對草帽山黃土隧道淺埋偏壓段分步開挖過程進行三維數值模擬，得出結論如下：

(1)上導洞施工前應進行超前支護，避免掌子面土體坍塌。

(2)核心土的開挖對隧道整體穩(wěn)定性影響較大，尤其是偏壓的狀況下，應先開挖核心土中部，使左右兩側的壓力得到釋放。偏壓側后開挖，且多預留變形量，拱腰支護應加強。

(3)下導洞施工前，上臺階必須施工鎖腳錨桿，并避免鋼拱架懸空。

(4)從監(jiān)測結果可以發(fā)現，仰拱施工前隧道一直處在下沉趨勢中，仰拱施工后隧道變形才得到有效控制。所以，仰拱施工宜盡早進行。

參 考 文 獻

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