黃土隧道變形規(guī)律及其穩(wěn)定性方案研究

杜軍鋒

摘要：本文以我國公路及鐵路的建設現(xiàn)狀為基礎，系統(tǒng)地分析和研究了黃土隧道變形規(guī)律，并提出了穩(wěn)定性方案，將實際測量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進行了對比分析，得出了最終結論。

關鍵詞：公路 量測分析 數(shù)值分析 量測數(shù)據(jù)

我國人口數(shù)量眾多，耕地資源不足，約有四分之三的國土為丘陵和山地，這就給山區(qū)的公路建設帶來了很大難度，直接影響了山區(qū)公路事業(yè)的發(fā)展進程。早期公路建設活動中，山區(qū)地區(qū)由于建設資金不足和技術水平低下，其公路通常采用切坡深挖或盤山繞行的方式進行修建，而較少采用隧道形式。近年來，隨著我國交通運輸事業(yè)的發(fā)展，山區(qū)公路建設越來越多地采用隧道，有效地解決了傳統(tǒng)山區(qū)公路建設線性差、能耗高、生態(tài)破壞嚴重等問題，受到了當?shù)鼐用竦囊恢職g迎。

隨著公路隧道數(shù)量的急劇增加，其建設規(guī)模也不斷擴大，為更好地解決隧道設計施工中存在的問題，并積極施工監(jiān)測活動，施工單位必須掌握黃土隧道變形規(guī)律，并制定穩(wěn)定性方案，將實際測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行對比，更好地進行隧道設計與施工活動。

1 方案研究背景

目前，我國黃土面積總量高達64萬km2，約占世界黃土分布面積總量的一半，主要分布在我國的西北地區(qū)，呈現(xiàn)出一定的地理分布性特征[1]。黃土作為一種第四紀松散堆積物，其成分和特性均顯示了其在工程地質(zhì)土類中的重要性。以往在黃土地區(qū)修筑公路和鐵路隧道時，黃土隧道曾經(jīng)出現(xiàn)過嚴重的地表開裂、支護變形、塌方等問題，影響了其正常使用，造成了資源的極大浪費。經(jīng)過科研工作者和設計施工人員的一致商議和討論，施工單位積累了豐富的隧道建設經(jīng)驗，并取得了一些科研成果，有效地解決了隧道質(zhì)量問題。但在實際建設過程中，受種種因素限制，一些研究成果難以轉化并在黃土隧道修建中推廣使用。此外，很多技術難題仍困擾著施工單位，直接影響了工程進度。本課題以在建的陜西省榆林至綏德高速公路黃土隧道為依托，系統(tǒng)地研究了黃土隧道的變形規(guī)律，并分析了其穩(wěn)定性[1]。

2 方案研究內(nèi)容

2.1 現(xiàn)場施工監(jiān)控量測及分析 選擇黃土隧道不同圍巖及襯砌類型測試段進行現(xiàn)場測試。在施工過程中，實地測量拱部下沉和凈空收斂量，實時監(jiān)控黃土隧道圍巖的穩(wěn)定性和初期支護結構的實施情況，并記錄其工作動態(tài)，找出黃土隧道變形的規(guī)律及特征；分析和處理測量數(shù)據(jù)，通過計算和判斷測量結果，及時預測和反饋數(shù)據(jù)信息，評估其設計方案的合理性和可行性，以保證整個施工活動的安全性和穩(wěn)定性，并對工程施工安全和結構可靠性進行評價[4]。

2.2 理論與數(shù)值分析 結合榆林至綏德高速公路黃土隧道的工程特點，選擇不同圍巖及襯砌類型，采用MIDAS分析軟件或ANSYS結構分析軟件模擬計算黃土隧道的整個開挖過程，并計算其初期支護受力，從理論層面上掌握黃土隧道的變形規(guī)律和后續(xù)發(fā)展，分析和評價隧道圍巖的穩(wěn)固性以及支護實施情況[3]。

通過對比分析理論計算結果和實際測量數(shù)據(jù)，驗證現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的準確性，保證理論數(shù)值計算與實測結果的一致性。

3 現(xiàn)場量測要求及測試的內(nèi)容與方法

在進行現(xiàn)場測試時，測量人員必須掌握一定的方法，以保證其測量效率和質(zhì)量：①快速完成測點埋設。一般地，測試斷面應設置在距開挖工作面2m的范圍內(nèi)。在開挖12h內(nèi)，測量人員應及時測量并讀取數(shù)值；②快速測量出數(shù)據(jù)，并準確讀取和記錄；③測點的選取必須典型，保證其數(shù)據(jù)讀取的精確性、可靠性和穩(wěn)定性；④測量數(shù)據(jù)的可靠性要高，每次測量時可測出3個數(shù)據(jù)，并求出平均值[3]。

施工人員可根據(jù)黃土隧道的結構特點、施工技藝和施工現(xiàn)場情況選擇合適的監(jiān)測方法，并確定監(jiān)測內(nèi)容，如隧道內(nèi)部觀察、拱部下降和凈空收斂。

4 現(xiàn)場量測規(guī)劃

4.1 試驗段的選擇 根據(jù)榆林至綏德高速公路多座黃土隧道的地質(zhì)條件和工程條件，結合不同的襯砌結構類型，選擇試驗段進行圍巖和支護結構變形監(jiān)測，通過監(jiān)測來掌握黃土隧道變形規(guī)律及其穩(wěn)定性，指導施工和修正設計，以確保施工安全和工程質(zhì)量，具體試驗段及測試斷面頻率根據(jù)現(xiàn)場施工情況確定[2]。

4.2 測點布置

5 量測數(shù)據(jù)處理及分析

5.1 數(shù)據(jù)的采集與整理 為減少一些人為因素對測量數(shù)據(jù)精度的影響，測量人員可每天集中在同一時段內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集，通常以上午8-9點為宜，并將測得數(shù)據(jù)存入檔案表格當中。待返回駐地后，測量人員應及時將數(shù)據(jù)輸入計算機中，并采用專門的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)分析和處理，并繪制數(shù)值分析圖。當測量至一定階段時，測量人員可通過數(shù)據(jù)分析和預報制定出階段性測量報告[3]。

5.2 量測數(shù)據(jù)的處理目的、內(nèi)容及方法 由于現(xiàn)場測得的原始數(shù)據(jù)具有一定的離散性，甚至存在著測量或測試錯誤。因此，測量人員應該對這些數(shù)據(jù)進行必要的整理和數(shù)學處理，不能直接利用，否則會影響其最終計算結果。數(shù)據(jù)處理的意義在于：①對比和印證統(tǒng)一測量面中各數(shù)據(jù)的準確性和合理性，增強測試的可靠性；②更好地掌握圍巖以及支護結構的變化和分布規(guī)律，保證其呈現(xiàn)出穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)狀態(tài)[5]。

當前，測量人員多使用微機管理，主要通過Excel軟件進行數(shù)據(jù)整理與分析，其內(nèi)容主要包括以下幾個方面：①隨著時間變化，繪制出時間變化曲線和時態(tài)曲線；②繪制出位移速率-時間變化曲線；③繪制位移隨開挖面推進變化的曲線——空間曲線。

實際測量數(shù)據(jù)誤差導致其存在一定的離散性，其位移等數(shù)值變量呈現(xiàn)出一定的上下波動規(guī)律，難以分析和把握[6]。因此，測量人員需要采用數(shù)學處理的方法，將實測數(shù)據(jù)整理成實驗曲線或經(jīng)驗公式。

參考文獻：

[1]谷拴成，周云鵬.超大斷面黃土公路隧道監(jiān)控量測與分析[J].施工技術，2014（18）.

[2]陳建勛，王夢恕，軒俊杰，喬雄.兩車道公路黃土隧道變形規(guī)律[J].交通運輸工程學報，2012（03）.

[3]韓瑞庚.地下工程新奧法[M].北京：科學出版社，1987.

[4]王夢恕.大瑤山隧道——20世紀隧道修建新技術[M].廣州：廣東科技出版社，1994.

[5]王夢恕.地下工程淺埋暗挖法技術通論[M].合肥：安微教育出版社，2004.

[6]高宏剛.黃土隧道開挖對洞頂建筑物的影響分析[J].山西建筑，2011（20）.