穿越不同地層位置的隧道圍巖穩(wěn)定性研究

王娜（重慶交通大學 河海學院，重慶 400074）

穿越不同地層位置的隧道圍巖穩(wěn)定性研究

王娜
（重慶交通大學 河海學院，重慶 400074）

為研究隧道穿越不同地層位置時圍巖的穩(wěn)定性，以青海東部隧道的施工為案例，采用三維有限元數(shù)值計算方法模擬了隧道在穿越黃土層、黃土層和卵石層夾層、卵石層時圍巖的穩(wěn)定性變化規(guī)律，通過3種情況下應力場和位移場的對比發(fā)現(xiàn)，隧道穿越砂卵石地層時的變形及應力遠遠大于穿越黃土層，且在隧道穿越卵石層時拱頂出現(xiàn)拉應力；隧道拱底隆起大于拱頂沉降，特別是隧道穿越黃土層拱底隆起遠遠大于拱頂沉降.因此，隧道應盡量避免穿越砂卵地層；穿越卵石層和黃土層的隧道也要采取相應措施，避免圍巖被破壞.

地層位置；圍巖變形；圍巖應力；穩(wěn)定性

隧道開挖往往要穿越不同地層，不同地層之間的性質也不同，研究隧道穿越不同地層時所造成破壞變形規(guī)律對隧道工程建設具有積極意義[1-3].在西部地區(qū)修建隧道，隧道開挖所揭示的地層差異更大，該區(qū)以黃土層與砂卵石地層最為顯著，兩者都是地質條件很差的圍巖，特別是砂卵石地層，其一般由粘性土或砂卵石、粗砂、卵石等組成，偶遇巨石塊，大多數(shù)砂卵石地層結構松散，分布不均，具有強烈的離散特性；黃土層則具有明顯的垂直節(jié)理，土質疏松遇到水的侵蝕后極易濕陷等特點.在黃土與卵石土地層建設隧道，施工過程中隧道圍巖自穩(wěn)能力差，容易出現(xiàn)擠出和坍塌、隧道底部隆起、支護結構開裂、襯砌變形和破壞等形式的危害，目前還沒有一套完整的解決方案，本文依托青海東部地區(qū)南山1號隧道工程，對隧道穿越不同地層的圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律進行研究，以期為類似隧道設計、施工提供理論依據(jù).

1 工程概況

青海東部南山1號隧道設計路線為雙線，隧道斷面為三心圓，初步設計為分離式隧道，根據(jù)線路調查，隧道穿越地區(qū)為軟弱土地層，從上至下分為黃土層和卵石層，按照設計埋深的不同，隧道的可能位置分為黃土層中、黃土層和卵石層夾層中、卵石層中這3大類.由于開挖方式的選取對隧道圍巖及支護的穩(wěn)定性起著重要作用，而黃土層、砂卵石層整體強度低、粘聚力小，為了避免擾動，應該盡量少選雙側壁導坑法、環(huán)形預留核心土法等.結合地質、造價、施工速度等因素，本設計采用臺階法開挖隧道.

2 穿越不同地層的隧道開挖模擬

本文采用有限元軟件模擬3種工況下的隧道開挖模型，并對隧道圍巖的位移場和應力場進行對比分析.假設3種工況：1）隧道穿越卵石地層；2）隧道穿越黃土地層；3）隧道穿越黃土層和卵石層夾層.具體模擬參數(shù)及3種工況下的模型如表1、圖1所示：

表1 隧道模擬參數(shù)表

圖1 隧道開挖模型

3 3種工況隨開挖面掘進數(shù)值結果的變化規(guī)律

3.1 隧道圍巖位移場分析

隧道洞口的開挖使軟弱黃土、砂卵石層圍巖受到擾動，勢必引起位移變化，甚至會產(chǎn)生塌方.本文首先分析隧道圍巖在各個方向上產(chǎn)生的位移大小.

3種工況下，完全開挖后的豎向位移云圖如圖2所示，可以看出，隧道穿越卵石層拱頂沉降與拱底隆起最大分別為144.89 mm、139.09 mm；隧道穿越黃土層與卵石夾層時次之，其值分別為33.39 mm、132.43 mm；隧道穿越黃土層最小，其值分別為4.50 mm、51.99 mm.主要原因是卵石層結構分布不均、結構松散、強度及凝聚力小[4].

圖2 DZ方向隧道開挖位移云圖

圖3分別為拱頂、拱底、邊墻處節(jié)點隨隧道開挖步的位移變化規(guī)律圖.由圖3-a、圖3-b可見：1）第1步開挖以后，由于卸荷作用，拱頂、拱底都出現(xiàn)了不同程度的位移，并且隨著隧道不斷向前掘進，位移值越來越大，其中隧道穿越砂卵石層的位移比隧道穿越黃土層的位移大很多；2）隧道穿越黃土層時，其拱底隆起比拱頂沉降大，兩者相差66.7%，這是由于隧道下面的砂卵石地層要比黃土地層地質條件差很多，使得底部隆起要大于頂部沉降.因此，對于3種情況下隧道的施工特別是穿越黃土地層情況下的隧道，應在隧道底部一定范圍內采取注漿加固措施，且及時施作仰拱使支護結構封閉成環(huán)[5].

從圖3-c可以看出，開挖第1步時，由于卸荷作用，3種情況下的隧道邊墻橫向位移均為正數(shù)，說明隧道邊墻向洞內變形，隨著開挖步的增多，邊墻橫向位移不斷減少，最終趨于穩(wěn)定.這是由于隧道拱底、拱頂?shù)奈灰戚^大，使得上下產(chǎn)生的壓力較大，因此造成封閉成環(huán)的初支結構兩邊向洞外擠壓，從而使隧道邊墻向洞外變形，這對于隧道邊墻的穩(wěn)定性是有利的[6].

圖3 拱頂、拱底、邊墻位移隨開挖步掘進的變化規(guī)律

3.2 隧道圍巖應力場分析

3.2.1 隧道圍巖橫向應力xσ變化規(guī)律

由圖4可以看出，隧道開挖后，3種情況下最大橫向應力均出現(xiàn)在洞壁的墻腰處，且為壓應力，而且洞壁四周都為壓應力，這對隧道的穩(wěn)定是有利的.隧道穿越卵石地層（工況1）的最大橫向壓應力為837.56 kPa，隧道穿越黃土層（工況2）與穿越兩者相交地層（工況3）時的最大橫向壓應力相差不大，分別為524.68 kPa、534.46 kPa，且3種情況下的最大橫向壓應力約是最小橫向壓應力的1.6倍，這說明隧道穿越卵石地層時圍巖很容易破壞.

圖4 隧道穿越3種地層的橫向應力云圖

3.2.2 隧道圍巖剪應力xyτ 變化規(guī)律

由圖5可以看出，隧道圍巖開挖后，最大剪應力發(fā)生在隧道拱腰和拱腳處（具體數(shù)值見表2），巖土體主要受拉斷破壞和剪切破壞，拉斷破壞主要由拉應力引起，有時伴隨著巖體滑落或張裂；剪切破壞主要沿著巖體結構面發(fā)生，如果剪應力過大，在拱腰和拱腳處會發(fā)生剪切破壞.因此，隧道穿越有砂卵石地層時，應采取超前支護措施且應加強襯砌.

圖5 隧道穿越3種地層的剪應力云圖

3.2.3 隧道最大主應力變化規(guī)律

表2 3種工況下隧道拱腰和拱腳處的剪應力

圖 6 隧道穿越3種不同地層的最大主應力云圖

圖6為隧道開挖至第6步時的最大主應力云圖，從圖中可以看出，隧道圍巖第一主應力最大值主要發(fā)生在拱頂部位，且隧道穿越卵石層與穿越黃土砂卵石夾層時拱頂出現(xiàn)了拉應力（這對砂卵石的地質構造是極其不安全的）.為了避免隧道圍巖拉裂破壞，必須采取超前小導管注漿、大管棚等的超前支護措施.

4 結論及建議

本文針對隧道穿越3種不同地層施工過程中的圍巖應力、位移運用有限元數(shù)值模擬方法進行了分析，得出以下結論及建議：

1）由于砂卵石的強度及粘聚力極低，隧道穿越砂卵石層時地層變形最大，穿越砂卵石層與黃土層夾層次之，穿越黃土層變形最小，因此，隧道應盡量避免穿越砂卵石地層.

2）在隧道穿越砂卵石地層的開挖過程中，由于砂卵石地層的結構松散、分布不均，在自重作用下拱頂出現(xiàn)了拉應力，導致拱頂圍巖極易受拉破壞.因此，隧道在穿越卵石地層時，應采取相應的預支護措施改善圍巖的受力狀態(tài).

3）3種工況下的開挖過程中，隧道拱底隆起都大于拱頂沉降，其中隧道在黃土地層中開挖時，隧道的拱底隆起遠遠大于拱頂沉降，因此，對于隧道穿越以上任何地層時，都應在拱底一定范圍內進行注漿加固，且應及時施作仰拱支護.

[1]宋修元.砂卵石地層下盾構過淺覆土路段施工技術[J].隧道與地下工程，2009(9):106-109.

[2]李源潮.閘上隧道出口軟弱地層淺埋段的設計與施工[J].鐵道標準設計，2004(4):85-87.

[3]凌榮華，韓貝傳，曲永新.大跨度深埋長黃土隧洞的開挖效應研究[J].工程地質學報，1996,4(3):65-70.

[4]巨建明，任小惠.斜穿過砂卵石層地質構造隧道開挖的三維數(shù)值模擬分析[J].大連交通大學學報，2013, 34(4):82-83.

[5]肖明.地下洞室施工開挖三維動態(tài)施工過程數(shù)值模擬分析[J].巖土工程學報，2000,22(4):421-425.

[6]龐小沖.公路隧道穿越卵石地層技術的探討[J].公路交通科技，2014,12(4):356-357.

[責任編輯：韋 韜]

Research on Stability of Tunnel Surrounding Rocks at Different Stratigraphic Positions

WANG Na
(Hehai College,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

In order to study the stability of tunnel surrounding rocks through different stratigraphic positions,taking the construction of a tunnel in the eastern part of Qinghai as an example,this study using the three-dimensional finite element numerical calculation method simulates the regularity of the stability of surrounding rocks through the layers of loess,loess mixed with gravel,and gravel respectively.A comparative analysis of the stress and displacement fields in the three cases reveals that the deformation and stress of the tunnel through the sandy gravel stratum are far greater than those through the layer of loess and in the gravel layer there arises tensile stress at the arch top;the uplift at the tunnel bottom is greater than the settlement at the tunnel top,especially when the tunnel goes through the loess layer.Therefore,the tunnel should try to avoid crossing the sandy gravel stratum;the tunnel through the gravel layer and the loess layer should also take corresponding measures to avoid the destruction of surrounding rock.

stratigraphic positions;surrounding rock deformation;surrounding rock stress;stability

U459.4

A

1006-7302（2016）03-0044-05

2016-03-16

王娜（1991—），女，江蘇徐州人，在讀碩士生，研究方向為巖土工程病害機理與控制.