黃土隧道圍巖壓力拱效應(yīng)分析

劉根學(xué)

摘 要：文章以實(shí)際工程為例，首先對(duì)黃土壓力拱效應(yīng)數(shù)值進(jìn)行分析，對(duì)其數(shù)值模型的建立、計(jì)算結(jié)果分析進(jìn)行了詳細(xì)地闡述，其后對(duì)黃土圍巖拱效應(yīng)模型試驗(yàn)分析展開(kāi)了探究，通過(guò)試驗(yàn)裝置及相似常數(shù)的確定，順利完成了試驗(yàn)及得出了相應(yīng)的結(jié)論，保證了施工安全順利的完成，取得了良好的施工效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模型建立 相似常數(shù) 黃土陷穴

1.工程概況

1.1隧道概況

彬縣隧道位于陜西省咸陽(yáng)市彬縣境內(nèi)，為黃土梁源溝壑區(qū)，進(jìn)口位于炭店鄉(xiāng)林家堡村東北側(cè)沖溝涇河右岸，出口位于新民鎮(zhèn)東溝村東北側(cè)紅巖溝左岸。隧道起訖里程DK138+326.58～DK152+577.9，全長(zhǎng)14251.32m，最大埋深約280m；隧道設(shè)置1座單車道、2座雙車道無(wú)軌運(yùn)輸斜井輔助施工。

隧道圍巖分級(jí)情況為：主洞圍巖級(jí)別：Ⅳ級(jí)11105m，占隧道全長(zhǎng)的77.92%、Ⅴ級(jí)3346.32m，占隧道全長(zhǎng)的22.08%。

1.2地質(zhì)情況

（1）滑坡、錯(cuò)落及溜坍

a隧道西安端洞口，線路位于1號(hào)溜坍與2號(hào)滑坡結(jié)合處，線路先斜穿2號(hào)滑坡左緣，后穿入到1號(hào)溜坍右緣，洞口位于1號(hào)溜坍右緣中部；1號(hào)溜坍主軸長(zhǎng)約113m，寬29m，堆積厚度3～5m，溜坍體物質(zhì)主要為黃土，屬小型淺層溜坍，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)；2號(hào)滑坡主軸長(zhǎng)約171m，寬125m，堆積體厚10～20m，滑坡物質(zhì)主要為黃土，屬大型中深層滑坡，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）黃土陷穴

線路位于黃土梁源溝壑區(qū)，黃土陷穴發(fā)育，一般位于梁源坎邊、滑坡滑體及后緣及沖溝溝心，直徑4～6m，深5～12m，一般底部有出口，相鄰陷穴相互連通。

隧道西安端洞口DK138+400左線線路中線左側(cè)約1 8 m處、DK138+432右線線路中線處發(fā)育有陷穴，直徑4.0～5.0m，可見(jiàn)深度6.0～8.0m，靠近洞口，對(duì)工程產(chǎn)生影響。其它線路附近陷穴底部距拱頂距離>50m，影響較小。

2.黃土壓力拱效應(yīng)數(shù)值分析

2.1數(shù)值模型的建立

計(jì)算機(jī)技術(shù)及軟件的快速發(fā)展，推動(dòng)了數(shù)值模擬方法在地下工程的應(yīng)用，且數(shù)值模擬方法取力不受邊界效應(yīng)、模型尺寸、試驗(yàn)周期等因素影響。為了將其形象化，文章以彬縣隧道為例，依照圣維南理論以及施工現(xiàn)場(chǎng)的具體狀況，討論隧道位移以及內(nèi)力作用的環(huán)節(jié)中，只將距隧道某范圍當(dāng)中的土體性質(zhì)作為研究對(duì)象。計(jì)算區(qū)間設(shè)置為一個(gè)長(zhǎng)120m、寬60m、高95m的空間，不考慮上表面，其余各個(gè)面邊線條件都設(shè)置為簡(jiǎn)支約束，詳見(jiàn)圖1。

2.2計(jì)算結(jié)果分析

壓力拱形成的過(guò)程就是：圍巖為了抵抗變形自主調(diào)整變化所引起的承重傳遞途徑出現(xiàn)偏離，從而激發(fā)的一種在應(yīng)力層面上所進(jìn)行的重組。倘若產(chǎn)生了最大值，則該位置就是壓力拱的內(nèi)邊界，將最大主應(yīng)力方向出現(xiàn)偏移的地方作為壓力拱外邊界，并且在界定拱頂、邊墻還有拱底這幾個(gè)應(yīng)力路線可將起點(diǎn)設(shè)定成隧道的邊界，將終點(diǎn)設(shè)定成模型的邊界，具體可參照?qǐng)D2。

經(jīng)分析應(yīng)力路徑徑向/切向應(yīng)力變化曲線，可知：

（1）將3種應(yīng)力路線放在一起來(lái)比較，項(xiàng)目工程開(kāi)始后，隨著工程周邊巖徑向應(yīng)力的減少，切向應(yīng)力不斷地提升，最大主應(yīng)力路徑上出現(xiàn)偏移，而且隨著時(shí)間的推移，切向方向上的應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變成為最大主應(yīng)力。

（2）工程在實(shí)施過(guò)程當(dāng)中徑向應(yīng)力與和切向應(yīng)力曲線出現(xiàn)交點(diǎn)的地方，就是最大主應(yīng)力出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的臨界處。

（3）在隧道工程卸載效應(yīng)的影響下，土層材質(zhì)為了防止變形的出現(xiàn)，進(jìn)行自主的調(diào)整，一直到再次達(dá)到平衡，主要體現(xiàn)在主應(yīng)力路線上的變換上，壓力拱外側(cè)切向應(yīng)力會(huì)隨著所受到的載荷數(shù)值上的增多而出現(xiàn)傳遞路徑上的偏轉(zhuǎn)。因?yàn)楹奢d的途徑出現(xiàn)變化，壓力拱的自身狀態(tài)也會(huì)伴隨著工程的不斷深入出現(xiàn)有向外擴(kuò)張的趨勢(shì)。

（4）倘若以開(kāi)挖施工開(kāi)始前的原巖切向應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)與徑向應(yīng)力進(jìn)行比較，那么靠近邊墻的應(yīng)力路線3其實(shí)是與其數(shù)據(jù)相差程度最小，邊墻處壓力拱外邊界與隧道邊界兩者之間的直線距離其實(shí)基本上在2D左右。

使用最大主應(yīng)力時(shí)，把存在極值的地方當(dāng)做是其壓力的內(nèi)邊線，而其出現(xiàn)偏移的地方當(dāng)做是外邊線，依照?qǐng)D3來(lái)就其形狀來(lái)對(duì)壓力拱的邊線進(jìn)行描繪。

3.黃土圍巖拱效應(yīng)模型試驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)裝置

北京交通大學(xué)隧道與地下工程研究設(shè)計(jì)部創(chuàng)造并提出了一個(gè)模型試驗(yàn)基地，這樣一來(lái)就可更為便捷地觀察到縱向以及橫向的變化情況。借助氣囊本身的穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)來(lái)進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

3.2相似常數(shù)的確定

建模過(guò)程當(dāng)中要求設(shè)定的變量中最為主要其實(shí)就是結(jié)構(gòu)的大小，將其設(shè)定一個(gè)具體的數(shù)值，也就是l，其余就是應(yīng)力為σ、彈性模量E、容重γ、泊松比μ，而應(yīng)變就是ε。認(rèn)定各個(gè)物理數(shù)值均符合函數(shù)如式（1）。

借助實(shí)驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)與實(shí)際結(jié)果，能用重晶石來(lái)發(fā)揮出原本骨料、石英砂的作用，而凡士林就可發(fā)揮膠結(jié)劑的作用，依照比例混合，再依照12：4.2：0.5的比重不斷進(jìn)行壓實(shí)操作。并且聯(lián)系試驗(yàn)臺(tái)架的具體情況，確定幾何大小，將幾何相似常數(shù)設(shè)置成α1=80，也就是將隧道模型跨度設(shè)定成17.8cm；將容重相似常數(shù)設(shè)定成α=1。主要的研究對(duì)象就是大斷面黃土隧道V級(jí)圍巖力學(xué)的相關(guān)參數(shù)，并且具體數(shù)值在表1中已進(jìn)行了闡述。

4.得出結(jié)論

（1）整個(gè)施工過(guò)程中要貫穿一個(gè)思想：快速和干燥，即循環(huán)快，進(jìn)尺快；干燥就是要保證隧道內(nèi)部無(wú)水狀態(tài)下施工。濕陷性黃土最大的優(yōu)點(diǎn)是：在干燥的狀態(tài)下，粘滯性好，整體穩(wěn)定性好，不容易掉塊，不易在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生坍塌。

（2）在上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)保證預(yù)留核心土弧形開(kāi)挖，機(jī)械為主，人工為輔。

（3）在下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中，單洞左右邊墻一定要錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖。

（4）不同類圍巖交接處，嚴(yán)格控制水，開(kāi)挖后立即進(jìn)行支護(hù)，切寧強(qiáng)勿弱。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，黃土隧道，特別是土質(zhì)隧道，雖然有不用爆破的有利條件，但也存在著圍巖自穩(wěn)能力嚴(yán)重不足且抵抗施工破壞能力弱的缺點(diǎn)，因此必須針對(duì)這些特點(diǎn)，施工前制定可靠、可行的施工組織計(jì)劃，切實(shí)做好開(kāi)挖方案的選擇及工序的嚴(yán)格執(zhí)行，目的就是要充分利用圍巖有限的自穩(wěn)能力，盡量減少破壞干擾，開(kāi)挖后及時(shí)緊跟支護(hù)體系，形成巖體與支護(hù)結(jié)構(gòu)盡快整體受力的效果。

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