黃土隧道地表浸水對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響

付迎春

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院河北石家莊 050041）

1 引言

工程實(shí)踐證明，黃土天然含水量對(duì)黃土力學(xué)性能和黃土隧道開(kāi)挖后變形情況影響較大。淺埋黃土隧道地表沉降槽顯著、地表裂縫普遍嚴(yán)重，甚至形成一個(gè)地表匯水長(zhǎng)廊。這個(gè)集水過(guò)程會(huì)使地表黃土內(nèi)的含水量發(fā)生顯著增加，甚至使地表水滲入隧道，使其強(qiáng)度大大降低。這種強(qiáng)度降低是非常有害的，特別是在隧道運(yùn)營(yíng)階段，使襯砌所承受的壓力逐漸增大。隧道結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)由圍巖、初期支護(hù)和二次襯砌共同承擔(dān)，所以研究地表滲水對(duì)隧道穩(wěn)定性影響是十分必要的。

2 工程概況

鄭州至西安客運(yùn)專線第二標(biāo)段里程為DK269+400～DK277+700，標(biāo)段全長(zhǎng) 9.267 km， 主要工程為函谷關(guān)隧道。函谷關(guān)隧道位于河南省靈寶市函谷關(guān)鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道進(jìn)口里程為 DK270+429，出口里程為 DK278+280，隧道全長(zhǎng)7851 m。隧道埋深淺，新老黃土不同方向的原生與構(gòu)造垂直節(jié)理發(fā)育，多孔性、疏松、松散結(jié)構(gòu)、密度低。在隧道開(kāi)挖施工時(shí)，土體極易順節(jié)理方向張開(kāi)或剪斷，土體破壞區(qū)域大，較難形成通常的承載拱，淺埋地表附近拉力過(guò)大而開(kāi)裂，產(chǎn)生地表平行及環(huán)形裂縫，所以研究地表滲水對(duì)隧道穩(wěn)定性影響是十分必要的。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

3 模型建立及計(jì)算參數(shù)選取

模型采用ANSYS 二維模型，兩側(cè)邊界至隧道中心線距離為80m，底部邊界至隧道軌頂距離為30m，隧道埋深25m，從地表往下15 m 為新黃土，其余為老黃土地層。側(cè)面邊界為水平位移約束，底面邊界為豎向位移約束。模型上部邊界為自由邊界，不受任何約束。初期支護(hù)采用BEAM3 單元，其它采用PLANE42 單元。整個(gè)計(jì)算模型共有6268 個(gè)4 節(jié)點(diǎn)四邊形單元，共有節(jié)點(diǎn)數(shù)6351 個(gè)，模型網(wǎng)格劃分具體見(jiàn)圖1。

根據(jù)隧道穿越地層地質(zhì)勘探資料，計(jì)算所采用的地層和結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)具體見(jiàn)表1。

表1 圍巖及材料物理力學(xué)指標(biāo)

4 計(jì)算工況

計(jì)算考慮隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程地表水對(duì)隧道的各種不利影響。計(jì)算共分5 種工況，第1 種工況為隧道施工結(jié)束以后穩(wěn)定階段，在計(jì)算中按圍巖承受30%的圍巖壓力，初期支護(hù)與圍巖共同承受10%的圍巖壓力，二次襯砌、初期支護(hù)與圍巖共同承受60%的圍巖壓力。第2 種工況為地表以下7.5 m 地層浸水。第3 種工況為地表以下15 m 地層浸水。第4 種工況為地表以下25 m 地層浸水。第5 種工況為地表以下25 m 和延墻腳45°地層浸水。工況2、3、4、5 分別與工況1 在二次襯砌應(yīng)力、地表沉降和拱頂下沉這幾方面進(jìn)行比較，最后分析地層浸水對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 二次襯砌應(yīng)力

各種工況結(jié)束后襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力如圖2 到圖11 所示。

圖2 工況1 最大主應(yīng)力云圖

圖3 工況1 最小主應(yīng)力云圖

圖4 工況2 最大主應(yīng)力云圖

圖5 工況2 最小主應(yīng)力云圖

圖6 工況3 最大主應(yīng)力云圖

圖7 工況3 最小主應(yīng)力云圖

圖8 工況4最大主應(yīng)力云圖

圖9 工況4最小主應(yīng)力云圖

圖10 工況5 最大主應(yīng)力云圖

圖11 工況5 最小主應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖可以看出，工況1 結(jié)束以后最大主應(yīng)力最大值為2.86 MPa，最小主應(yīng)力最大值為10.2MPa。工況5 結(jié)束以后最大主應(yīng)力最大值為4.14 MPa，最小主應(yīng)力最大值為14.5 MPa。最大主應(yīng)力最大增加值為1.08MPa，最小主應(yīng)力最大增加值為4.3 MPa。隧道拱頂、仰拱和墻中處襯砌的外緣主要受拉應(yīng)力，在其他位置以壓應(yīng)力為主。在工況1 應(yīng)力水平不大，在工況5 結(jié)束以后應(yīng)力值有所增加，尤其在仰拱和拱腳處，施工時(shí)應(yīng)該把仰拱處的襯砌厚度增加。

各工況結(jié)束后幾個(gè)關(guān)鍵截面單元編號(hào)見(jiàn)圖12，各工況關(guān)鍵截面內(nèi)力、安全系數(shù)及裂縫寬度見(jiàn)表2到6。

圖12 關(guān)鍵截面單元布置圖

表2 工況1 關(guān)鍵截面內(nèi)力、安全系數(shù)及裂縫寬度

表3 工況2 關(guān)鍵截面內(nèi)力、安全系數(shù)表及裂縫寬度

表4 工況3 關(guān)鍵截面內(nèi)力、安全系數(shù)表及裂縫寬度

表5 工況4 關(guān)鍵截面內(nèi)力、安全系數(shù)表及裂縫寬度

表6 工況5 關(guān)鍵截面內(nèi)力、安全系數(shù)表及裂縫寬度

表7 安全系數(shù)匯總及安全系數(shù)降低值

各工況安全系數(shù)K 匯總及工況2、工況3、工況4 和工況5 與工況1 相比較降低值見(jiàn)表7。

各工況裂縫寬度δ匯總及工況2、工況3、工況4 和工況5 與工況1 相比較增加值見(jiàn)表8。

正常隧道施工時(shí)隧道襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為9.64。地表以下7.5 m 地層裂縫浸水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為9.19，減小了0.45。地表以下15 m 地層裂縫浸水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為8.21，減小了1.43。地表以下25 m 地層裂縫浸水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為7.29，減小了2.35。地表以下25 m地層及邊墻三角形地層裂縫浸水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為6.76，減小了2.88。

正常隧道施工時(shí)隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度為0.094 mm。地表以下7.5 m 地層裂縫浸水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度為0.099 mm，增加了0.005 mm。地表以下15 m 地層裂縫浸水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度為0.105 mm，增加了0.011 mm。地表以下25 m 地層裂縫浸水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度為0.110 mm，增加了0.016 mm。地表以下25 m 地層及邊墻三角形地層裂縫浸水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度為0.113 mm，增加了0.019 mm。

5.2 拱頂與地表沉降附加值

各工況拱頂與地表沉降及增量值見(jiàn)表9。

表8 裂縫寬度匯總及裂縫寬度增加值

表9 拱頂與地表沉降及增量值

由于地層浸水對(duì)地表和拱頂下沉都有影響，工況5 結(jié)束以后地表最大沉降值增加了4.71cm，拱頂最大沉降值增加了1.79cm。

6 結(jié)論

(1) 正常隧道施工時(shí)隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力最大值為2.86 MPa，最小主應(yīng)力最大值為10.2MPa，地表以下地層裂縫浸水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力最大值和最小主應(yīng)力最大值都有所增加，工況5 結(jié)束以后增加最多，最大主應(yīng)力最大值為4.14 MPa，最小主應(yīng)力最大值為14.5 MPa，最大主應(yīng)力最大增加值為1.08MPa，最小主應(yīng)力最大增加值為4.3 MPa。隧道拱頂、仰拱和墻中處襯砌的外緣主要受拉應(yīng)力，在其他位置以壓應(yīng)力為主。在工況1 應(yīng)力水平不大，在工況5 結(jié)束以后應(yīng)力值有所增加，尤其在仰拱和拱腳處，施工時(shí)應(yīng)該把仰拱處的襯砌厚度增加。

(2) 從安全系數(shù)表可以看出，最小安全系數(shù)為6.76，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不破壞的最小安全系數(shù)為2.0，當(dāng)計(jì)算所得安全系數(shù)小于2.0 認(rèn)為結(jié)構(gòu)不能正常工作，由于6.76＞2.0，所以該隧道在地表水滲入地層時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)是安全的。

(3) 從襯砌結(jié)構(gòu)裂縫寬度可以看出，最大裂縫寬度為0.113mm，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件，按作用基本組合所求得的最大裂縫寬度，不應(yīng)大于0.2mm，由于0.113＜0.2mm，所以該隧道在地表水滲入地層時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)是安全的。