基于圍巖特性的黃土隧道力學性能分析

魏瑞芬

（山西省交通建設工程監理總公司，山西 太原 030012）

隧道交通事業的發展，黃土隧道在我國越來越多。目前黃土隧道的相關規范[1-3]基本參照巖質隧道[4]。而通過大量研究發現，黃土隧道和巖質隧道的力學形態有很大差別，特別是隧道的圍巖性質差異顯著。如黃土具有大孔隙結構、垂直節理發育、遇水濕陷大變形等[5-6]特征，在工程中易產生較嚴重病害，而巖質隧道則不具有這些病因。

綜上，認為在進行黃土隧道相關設計計算時必須考慮圍巖性質的影響，而不是完全照搬規范規定的參數取值。因此筆者通過有限差分軟件FLAC3D建立隧道開挖模型，通過fish編程考慮圍巖特性對隧道開挖變形的影響，并通過現場實測數據對模擬結果進行驗證，以揭示黃土隧道中圍巖結構的重要影響。

1 工程概況

喬原隧道位于鄉寧縣喬原村東側約20 m，設計為左右分離式，隧道左右線均屬長隧道，總體走向呈西北-東南向，兩洞中軸線最大間距約32 m。右線洞體全長1 626 m，吉縣端洞口里程樁號K9+152，洞口底板設計高程1 033.922 m，河津端洞口里程樁號K10+778，洞口底板設計高程1 033.734 m，洞體最大埋深114.98 m，位于K10+100處；左線洞體全長1 572 m，吉縣端洞口里程樁號ZK9+163，洞口底板設計高程1 034.041 m，河津端洞口里程樁號ZK10+735，洞口底板設計高程1 034.352 m，洞體最大埋深116.254 m，河津端洞口里程樁號ZK10+100處。洞口均位于黃土沖溝北岸斜坡上，交通較為困難。

2 數值模擬方法

根據喬原隧道的地質資料及研究內容需要，建立如圖1的數值計算模型，計算參數如表1，模型尺寸為長108 m，寬35 m，高54 m，為雙洞模型，考慮開挖過程中左右洞的相互影響。模型共140 200個單元，145 707個節點。邊界條件為模型底部3個方向全約束，沿隧道軸線方向約束前后兩個表面的y方向，垂直隧道軸線方向約束左右兩個表面的x方向，上表面為自由表面。考慮到實際開挖情況，右洞在開挖時滯后于左洞5個開挖步，每個開挖步開挖0.7 m。

圖1 喬原隧道計算模型

表1 模型計算參數

3 數值計算結果分析

考慮到邊界效應的影響，選取隧道左洞開挖至y=24.5 m，右洞開挖至y=17.5 m處的模型進行分析，首先考察了隧道開挖后左右洞的應力場分布情況。

3.1 不考慮結構性影響時的隧道變形分析

圖2 雙洞開挖后塑性圖

雙洞開挖后的塑性圖2說明，隧道開挖后其洞周發生了明顯的塑性破壞，且呈現出規律性。左洞周圍基本為過去發生的塑性破壞，而右洞周圍靠近左洞側為正在發生的塑性變形，遠離左洞側為過去發生的塑性變形，左右洞的塑性變形區域呈對稱分布。

從圖3中可以看出，隧道開挖后最大沉降出現在拱頂處，之后向地表方向呈柱狀減小。仰拱處表現為隆起，呈半圓狀向基層減小。左右洞開挖后整體豎向位移呈對稱分布。其最大位移值為1.8 cm，最大隆起量為2.47 cm。

考察了雙洞開挖后不同位置處的沉降曲線，如圖4所示。可以發現左右洞拱頂的沉降曲線基本都可分為3個階段，即緩慢增長段、陡增段和穩定段，地表縱向沉降由于總體沉降偏小，不同位置處差異不大，且相對拱頂位移更小，在圖中顯示為較平滑的曲線形態。同時可以看出，在洞口處左右洞拱頂處的沉降值大致相同，可初步判斷為左右洞拱頂沉降相互影響較小，主要受各自洞掌子面的位置影響。地表的沉降曲線則為左右洞共同影響的結果。

圖4 不同位置的豎向沉降曲線

3.2 考慮結構性影響時的隧道變形分析

圖5 隧道開挖塑性區

圖5給出了隧道開挖塑性區在是否考慮結構性影響時的對比云圖。可以看出兩幅圖均是左洞的塑性區面積較右洞的塑性區面積大，原因主要是因為左洞為先行洞，先于右洞5個開挖步距所致。比較圖5a、圖5b兩圖還可發現，不考慮結構性變化時塑性區主要表現為正在發生的剪切破壞，在中線位置和掌子面周邊表現為較少的正在發生和已經發生的剪切破壞。而考慮結構性影響后，塑性區主要表現為正在發生和已經發生的剪切破壞共同作用，影響面積較未考慮結構性影響時大。

圖6 黃土結構性對隧道開挖變形的影響

圖6給出了黃土結構性對隧道開挖后左洞拱頂縱向沉降曲線、右洞拱頂縱向沉降曲線及隧道中線地表縱向沉降曲線的影響規律。可以看出，無論是左洞拱頂沉降、右洞拱頂沉降，還是地表沉降，在考慮結構性變化后三者的沉降值均大于未考慮結構性變化時的沉降值，最大差值約為3 mm，差異效果較明顯。

圖7 結構性影響曲線與實測數據的對比圖

圖7提取了距隧道進口3.5 m處的拱頂監測點沉降數據，并結合現場監測數據進行比對。不難發現，在開始段不考慮結構性變化時的關鍵點拱頂沉降值與監測數據值較為接近，但與考慮結構性變化時拱頂沉降數據值差異較小。到達12 m左右時關鍵點監測數據突然增大，并迅速大于考慮結構性變化時的數據，分析原因是因為開始段結構性破壞較小，整體還沒有發生大變形，隨著開挖的推進，變形逐漸增大，到一定程度結構會發生嚴重破壞，形成次生結構，表現為沉降值驟增。因此總體上分析，認為考慮結構性變化時的計算數據與實測數據較為吻合。

4 結論

黃土隧道是自然界中廣泛存在的一種隧道形式。其因特殊的圍巖結構而被廣大學者所關注。本文通過數值模擬的方法，分析了圍巖特性對黃土隧道開挖變形的影響，得出了以下有益結論：

a）圍巖結構對黃土隧道開挖變形有重要影響，在考慮圍巖特性影響后隧道變形值較未考慮時大。

b）通過與現場實測數據進行比較，得出考慮圍巖特性影響后隧道變形值更接近實測結果。

c）黃土隧道在設計計算時必須考慮圍巖結構特性的影響，分析的結果才能更接近工程實際。