黃土隧道中仰拱布設合理間距研究

【摘 要】 文章針對某一黃土隧道的圍巖變形監控量測，以及圍巖變形的模型計算，并通過有限元軟件模擬分析，研究出黃土隧道中仰拱布設位置與掌子面之間的合理間距。綜合分析計算結果可知：仰拱對黃土隧道圍巖的有效作用范圍在6m到25m。

【關鍵詞】仰拱；有效應力；圍巖；合理間距

0.引言

黃土是一種在干燥氣候條件下形成的多孔性具有柱狀節理的黃色粉性土，廣泛的分布在我國西北部地區，其工程特性較差，強度較低，開挖后變形量較大，因此在黃土隧道中，對于支護作用要求較高。仰拱作為隧道結構的重要組成部分，在增強圍巖結構穩定性方面起著重要的作用。文章從工程實際出發，分析黃土隧道中仰拱對隧道圍巖的作用機理，提出仰拱布設距離掌子面的合理間距。

1.工程概況

1.1 地質條件

某隧道最大埋深約32m，遂址地層單一，屬第四系上更新統（ ）新黃土，其地質參數見表1

表1 Q3新黃土的地質參數

土質天然容重

（kN/m3）天然含水率

（%）液限

（%）塑限

（%）凝聚強度

（kPa）內摩擦角

Q3eol15.9615.6628.520.0 45.92 28。03`

1.2 隧道概況

該隧道總體走向呈南北向曲線展布。采用小凈距隧道（測設線間距：進口9.7m，出口13.4m），其中：左線長215m；右線長380m。隧道最大埋深約32m，洞軸線走向方位角約135。。根據施工的進展，這里僅以左洞為研究對象，沒有考慮右洞及小凈距的影響。

2.計算模型

2.1 計算模型的建立

為了計算出仰拱布設處距掌子面的距離的有效范圍，以確保圍巖收縮變形在允許范圍內，進而從定量上說明仰拱在維護圍巖穩定性起到的作用。將隧道的受力作用簡化為一個結構力學計算模型。

模型將仰拱、圍巖、掌子面等簡化為一簡支梁，其中一端鉸接，該端是仰拱布設位置；另一端固結，該端是掌子面位置；中間段為簡化的圍巖，所受力為土體重力，由于隧道施工是個動態的過程，其受力特性也是一個動態的，對于某一特定的時間段，該模型可以簡單的模擬計算出這一特定時間段的力學結果。模型前面部分假定為三角形分布，后面部分假定為矩形分布，與實際土體地質勘測基本相符。其模型簡圖如圖1所示：

圖1 隧道計算模型 圖2 進洞20m計算模型

通過對計算模型的力學分析可以得出所要求得的結果。

2.2 求得基本參數

為了計算梁體的最大位移值，需要先求出梁體的力學參數EI值，以及土體本身的自重。首先通過對實際工程中監控量測所得到的數據分析，計算所需的基本數據。

首先取用隧道開挖20m位置的拱頂下沉數據，根據現場監控量測數據可知，洞內拱頂下沉觀測20天進洞大約20m，這里取用這20天的觀測數據，來驗算所需的基本數據。取用左洞樁號為ZK5+720處的拱頂下沉量，ZK5+720恰好是20m長的隧道中點，其計算簡圖如圖2所示。

計算得到中點處位移△h=23ql4/2592EI。這里取用樁號為ZK5+720處的拱頂下沉量作為位移值，其下沉量△h測=0.06281m，其取值時間為一個月監測結果，能反映出該測點在無開挖情況下的最終下沉量的70%，l值取為20m。從而可以得出q/EI的值。

2.3 l允許值確定

根據上面求解參數值的過程及假設，這里將圖1的計算模型簡化為兩個相互疊加的計算單元，如圖3及圖4所示：

圖3 簡化計算模型一 圖4 簡化計算模型二

通過對簡化計算模型一的中點位移值的計算，然后減去簡化計算模型二的中點位移值，可以得出圖1所示的計算模型的中點位移值。

計算簡化計算模型一的△h1=23（l1+l2）5q/2592EI·l1，計算簡化計算模型二的△h2=ql24（5l1+3l2）/240EI·l2-ql24（5l1+4l2）/368EI·l1。其中l1+l2=l。由此可以得出圖1中點處得位移值為△H=△h1-△h2。

拱頂下沉量控制指標的選取，按照《公路隧道施工技術規范》（JTJ042-94）規定，以及根據施工設計中初襯施工中預留的變形量為0.15m要求，由于黃土土質的地質特殊性，取用拱頂下沉量0.1m，即△H控=0.1m。

根據上面計算得出△H≤△H控時計算得到的距離為最大位移量，計算得出L≤26.425m，即為了使拱頂下沉量小于0.1m，布設的仰拱距掌子面的距離要小于26.425m。這里把實際觀測的黃土隧道拱頂監控量測數據列表顯示如表3：

表3 拱頂下沉量累積表

樁號累積下沉量（cm）

ZK5+7103.244

ZK5+7206.281

從表3中得出的數據偏小，主要是因為隧洞開挖后沒有及時的布點觀測數據，導致前期的拱頂下沉量未能及時得到，而前期的下沉量一般是比較大的。

3.仰拱的合理間距模擬分析

選用ABAQUS有限元軟件對整個隧道及山體按照原尺寸進行有限元模擬，模擬分析出在有無仰拱的情況下，拱頂下沉位移量及其應力大小，通過分析對比得出黃土隧道中仰拱距掌子面的合理間距。

說明：1.隧道進洞深度取為40m；2.仰拱布設在洞口處，長度為4m；注：1、2點根據實際工程情況選取，即在進洞40m時，仰拱布設了4m長。3.模擬時，分為布設仰拱和未布設仰拱兩種情況模擬。4.模擬時選用的材料參數如表所示：

參數

材料密度

（g/m3）楊氏模量

（N/m2）泊松比

摩擦角膨脹角粘聚力

（N/m2）

黃土15964×1070.328. 05o17.83o45290

襯砌25512.85×10100.167---

仰拱25512.8×10100.167---

3.1 拱頂下沉量模擬

拱頂下沉量模擬同樣是在布設仰拱和未布設仰拱兩種情況下，取的進洞長度為40m，其模擬分析的拱頂下沉量對比圖，如下圖5所示：

圖5 拱頂下沉量對比圖 圖6拱頂處mise應力對比分析圖

從圖5可以得出：1.兩種情況下，拱頂下沉量隨著進洞深度變化其變化趨勢基本一致；2.兩種情況在洞口處拱頂下沉量的圖形很不一樣，布設仰拱處的下沉量較平穩，而未布設仰拱的的下沉量有大的突變；3.布設仰拱的下沉量從總體上來說比未布設仰拱的要小2-3個mm，最大的地方小了4mm，說明仰拱布設對于黃土隧道圍巖位移變化量影響不大；4.從圖6中可以得出，布設仰拱的作用范圍到了30m左右，進洞30m后的拱頂下沉量兩者基本一致了，加上仰拱4m長度，得出仰拱作用有效距離為25m，這與前面計算模型得出的結論是一致的。

這里列出實測拱頂下沉量的觀測值，與模擬的值進行對比，如表5所示：

表5 拱頂下沉量累積表

樁號累積下沉量（cm）

ZK5+7103.966

ZK5+7207.862

ZK5+7303.922

ZK5+7354.672

ZK5+7404.911

從表5中得出，實測的數據與模擬數據相差較大，比模擬的數據小了很多，但最大位移值所在的位置基本吻合。分析原因是由于實際觀測的時間過于滯后，洞體開挖后未能及時觀測數據，使的在觀測前，拱頂就累積了很大一部分下沉量。

3.2 拱頂處的受力模擬對比分析

拱頂處的受力在有無仰拱的情況下表現不一樣，這里通過模擬分析，得出數據，從數據上加以說明。分析的受力情況取用mises應力來說明，其模擬分析拱頂處mise應力對比圖6。

從圖6可以看出：1.隨著進洞洞深度變化，兩者的應力變化趨勢一樣；2.前10m有仰拱的mise應力明顯大于無仰拱的；3.10m到18m無仰拱的mise應力大于有仰拱，18m到30m有仰拱的mise應力大于無仰拱的；4.30m后兩者mise應力基本相等。

分析對比得出：1.前10m范圍內，仰拱的布設可以明顯加大圍巖的有效應力，特別是前6m，分析原因：仰拱的剛度遠大于黃土的，仰拱的布設使得圍巖的位移量減小，應力得不到釋放，加大了圍巖的應力。因此，仰拱的布設距掌子面的距離要大于6m；2.10m到30m范圍內，兩者應力差別不大，說明在此范圍內，兩者趨于一致；3.30m后，兩者應力大小一致，說明仰拱的作用范圍小于25m。

4.結語

通過上面對黃土隧道中仰拱作用范圍的研究分析，可以得出如下結論：① 通過結構力學計算模型計算結論可知，仰拱布設距離掌子面要小于26.425m；② 布設仰拱與未布設仰拱相比，對其周圍圍巖的位移減小量不大，但其可以避免周圍圍巖進一步變大的趨勢；③ 仰拱的布設距離掌子面的有效作用范圍為6m到25m之間，小于6m即不利于圍巖穩定性，也壓縮了掌子面的施工空間，大于25m仰拱作用明顯減小，因此，仰拱布設距離掌子面的合理距離在6m到25m之間。

參考文獻

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