陽曲1號黃土隧道圍巖變形規律研究

吳 永，魏 偉，王國強

(西安科技大學建筑與土木工程學院，西安 710054)

由于黃土隧道的不斷增加，施工中面臨問題較多，國內外許多研究者在此方面做了大量的工作。隧道施工理論計算與現場監測成為隧道施工安全性保障的有利證明，通過現場對圍巖與支護形式監測，為下一步初期支護和二次支護參數調整提供依據，把理論計算與現場監測進行對比整理，可以進一步優化支護方案和施工方案，這樣可以得到合理有效的方案，既可以提高施工速度與質量，還可以節省成本。以陽曲1號黃土隧道為工程依托，通過MIDAS/GTS數值模擬和現場監測，對隧道雙側壁施工法施工過程進行模擬，通過與現場監測數據對比，得到了一些可靠結論。

1 工程概況

山西平陽高速公路21合同段陽曲1號隧道進口工程位于凌井小盆地的地表黃土沖刷溝壑淺埋地段中，洞口淺埋Ⅴ級圍巖地段設計埋深在13～38 m，跨度約為15 m，高度約為10 m;該隧道在施工過程中由于土體自穩性極差，洞頂土體容易失穩。

隧道采用雙側壁導洞法進行開挖，遵循新奧法原理，盡量少擾動圍巖，采用柔性支護，充分發揮圍巖自承作用，并輔以超前支護輔助工法，隧道橫斷面見圖1。本文用于數值模擬的目標斷面為ZK93+917，隧道埋深25 m。

圖1 隧道支護襯砌(單位:cm)

2 隧道施工過程數值模擬

2.1 模型建立

考慮開挖影響的范圍，因此模型尺寸長×寬×高=105 m×10 m×62 m。模型地表面為自由面，四周采用法向變形約束條件，底部采用全約束條件。計算中土體為摩爾-庫侖材料，初支采用C25混凝土，厚度0.25 m，錨桿直徑25 mm，長度4.5 m，總數32根。初始應力場僅考慮土體自重應力場，不考慮地層的地層構造應力。整個模型共個3 638節點，共12 186單元。地層采用實體單元，噴混采用板單元，錨桿采用植入式桁架，網格劃分見圖2。

圖2 隧道計算模型

2.2 參數選取

根據工程地質勘察報告，數值計算所采用的巖土體的物理力學參數見表1。

表1 模型計算材料參數

2.3 現場施工過程模擬

在隧道施工過程中，模型采用開挖每循環進尺1 m，總共10個循環，按照左導坑—右導坑—中間導坑的順序施工。為了研究開挖支護后圍巖變形規律，計算提取了拱頂沉降、周邊收斂數據，而觀測截面選在開挖第一循環截面。

2.4 數值模擬結果分析

2.4.1 隧道圍巖豎向位移分析

從圖3隧道的開挖過程可以看出，左導坑開挖支護結束后，最大位移出現在導坑的拱頂，最大值為1.71 cm，兩肩處位移集中，邊墻和拱腳位移相對較小，發生底鼓現象，而且隨著開挖的進行，由于掌子面對目標面約束減小，整個豎向位移變化規律呈先增長后逐漸平穩。在右導坑開挖支護中，左導坑位移發生突變，位移值達到2.17 cm，但位移集中區域減小，右導坑兩肩也出現位移集中。當右導坑開挖支護結束后，左導坑位移增加到2.43 cm，右導坑位移值為1.75 cm，右導坑也發生底鼓現象。當中間導坑開挖結束后，左右導坑位移集中區域都有所減小，但數值都有所增加，拱頂下沉左導坑從2.43 cm增加到2.47 cm，右導坑從1.75 cm增加到2.46 cm。最大位移出現在拱頂處，最大值為2.53 cm。

圖3 圍巖豎向位移云圖

從上述的描述中及圖4中可發現，豎向位移主要分布在拱頂與拱底處，整個豎向位移隨著開挖的進行，表現出先增長后平穩的變化趨勢，而且位移影響范圍逐漸擴大，擴展到隧道的頂部與底部。

2.4.2 隧道圍巖橫向位移分析

圖4 隧道豎向位移變化曲線

從圖5隧道的開挖過程可以看出，左導坑開挖支護結束后，拱腰的位移最大，且最大位移為20.17 cm，且隨著開挖的進行，橫向位移呈先增長后逐漸平穩。在右導坑的開挖支護中，左導坑橫向位移發生突變，并增長到22.13 cm。當右導坑開挖結束后，左導坑位移增加到22.15 cm，右導坑位移值為20.13 cm，且兩側的位移基本對稱，兩導坑連接處位移較集中而其外側的位移影響范圍大。當中導坑開挖結束后，右導坑從20.13 cm增加到22.16 cm，且影響范圍繼續擴大。

圖5 圍巖橫向位移云圖

從上述的描述中及圖6中可發現，橫向位移主要分布在拱腰處，且左右側基本對稱，而且隨著開挖的進行，影響范圍逐漸增大。由于圍巖的含水率較高，圍巖的橫向位移較大。

圖6 隧道收斂變化曲線

4 現場監測

4.1 監測方案

為了掌握圍巖的變形規律，在施工期間對拱頂下沉及水平收斂進行了監測。收斂采用JSS30A型數字顯示式收斂儀，收斂值取3次測量的平均值，以消除誤差。監測方案如圖7所示。

圖7 測點布置

4.2 隧道水平收斂與拱頂下沉(圖8、圖9)

(1)隧道收斂量與拱頂下沉量呈現先增長后穩定的變化趨勢，但也不是絕對的穩定，穩定中有少許的增長，這與圍巖本身濕軟的特性有關。

(2)隧道的收斂發生在開挖后的短期內，所以實際施工時，根據觀測到的監測數據，要適時調整初期支護的剛度，以達到新奧法施工的特點。

圖8 隧道豎向位移變化曲線

圖9 隧道收斂變化曲線

(3)圍巖的變形在進行不同部開挖時，圍巖的變形會突增，說明對圍巖的擾動較大，在實際施工中要注意及時封閉巖面，以便讓巖體盡早穩定。

(4)監測的數據出現一定的離散性，說明實際施工是各種因素的綜合體。巖體本身濕軟，而且斷面大，整體變形較大，當隧道開挖結束后，巖面不宜暴露太長時間。

5 結論

通過數值模擬與現場監測數據進行對比，對陽曲1號梁隧道變形規律進行了系統分析，可以歸納為以下幾點。

(1)陽曲1號隧道圍巖軟弱，在開挖支護結束短期內，圍巖變形較大，隨后圍巖穩定，但穩定中仍有增長。

(2)圍巖穩定中增長的幅度較小，所以不影響二襯的施作。

(3)對比數值模擬與監測的結果，現場監測的數據偏大，說明實際施工中影響圍巖變形的因素較多，而且圍巖的含水量較高，如不及時封閉，對圍巖的自穩能力會產生較大的影響。

(4)圍巖的含水量較高，初期支護拱角處可能由于強度低而變形大，所以及時施作仰拱，使圍巖的變形減小。

(5)隧道開挖數值模擬與圍巖監測結果基本一致，說明支護參數合理，可被工程接受，為黃土隧道的建設積累了經驗。

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