大斷面黃土隧道初支作用機理及變形控制技術研究

蔡志強

（湖南恒基項目管理有限公司，長沙410004）

大斷面黃土隧道初支作用機理及變形控制技術研究

蔡志強

（湖南恒基項目管理有限公司，長沙410004）

通過對已建設完成的黃土隧道工程的數據統計，利用計算機技術進行數值模擬計算，對大斷面黃土隧道斷面的力學特性和初支機理進行研究分析，同時根據初支機理，依托鄭西線黃土隧道工程對大斷面黃土隧道的沉降變形特性、影響因素進行系統深入的研究，并通過實踐證明得到沉降變形的關鍵控制技術。

大斷面黃土隧道；初支作用機理；沉降變形控制；力學特征

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.075

1 引言

作為占據我國國土面積6.3%的黃土地質在我國地域上實際分布面積廣泛，隨著我國改革開放后社會經濟迅猛發展，道路工程建設的規模不斷擴大，特別是黃土隧道的建設速度也逐年提高。

縱觀我國黃土地區道路建設，隨著我國經濟的發展，黃土隧道施工技術水平也得到不斷提高，從小斷面隧道到大斷面、超大斷面隧道的施工，從單工序到多工序的隧道施工，在整個黃土隧道施工過程中已經逐步形成一套完整的設計理論及實踐經驗。

2 大斷面黃土隧道初支作用機理

黃土隧道的建設隨著隧道的開挖勢必會對隧道周圍的巖土造成作用力的改變，巖土受力重新分布，被開挖的巖土殘余應力釋放，受這一系列作用力的改變，在一定范圍內，若巖土得不到及時有效的支護作用，那么巖土勢必會產生變形，導致最終松動產生塌方等事故，使隧道失穩。

2.1 大斷面黃土隧道初支結構類型

目前我國黃土隧道施工根據支護作用原理，其初支結構類型主要有剛性支護、柔性支護、復合支護3種，在大斷面黃土隧道施工中，主要采用柔性支護和復合支護2種，柔性支護中廣泛應用的有錨噴支護，即錨桿與噴射混凝土支護、錨噴與其他支護共同支護；復合支護是一種新興支護結構，在初期支護結構中采用柔性支護，如錨噴支護，后期二次則選擇剛性支護，如現澆鋼筋混凝土支護。

2.2 大斷面黃土隧道初支原理

初支結構的作用主要是保證周圍巖石的穩定，承受各種荷載，保持隧道斷面的凈空高度，保證后續施工的安全。其原理主要為：

(1)大斷面黃土隧道初支原理主要建立在周圍巖土和隧道外加支護結構共同作用的基礎上，充分發揮周圍巖土自身承受應力能力，并降低周圍巖土壓力，改善隧道支護結構受力能力。根據巖石力學理論，當周圍的巖石洞壁位移達到允許最大變形值時，其壓力達到最小值；周圍巖石處于塑性狀態時，巖石自身承受應力能力最大，因此，大斷面黃土隧道初支原理要求在施工過程中采用快速支護，超前支護，在挖據過程中邊作業邊根據作業面進行支護；此外，要充分發揮巖石自承能力，分層噴射、調節作業時間柔性支護。(2)初支原理的另外一個內容在于要充分發揮支護材料的自承能力，分次支護、柔性支護、錨桿支護、封閉支護等方法，通過與周圍巖石緊密粘結，能提高支護材料的自承能力，在發揮支護結構混凝土承載能力方面要優于傳統支護方法。(3)初支原理要求根據周圍巖土的地質特性、力學性，通過現場監控、建立力學模型、計算并指導在大斷面黃土隧道施工過程中因地適宜地選擇支護方式及施工方法。

2.3 大斷面黃土隧道初支作用力學特性

初支作用力學研究數值計算模式如下。

數值計算根據不同的初期支護結構施工時間，通過改變周圍巖石荷載力釋放的系數計算。（1）初支結構施工時間，荷載釋放系數為0時，即隧道動工后就立即進行支護結構施工，荷載釋放系數為1時，即待周圍巖石在動工以后變形穩定，調整好二次應力變化后再進行支護結構施工，當到達該數值1時，說明大斷面黃土隧道的初支結構施工太遲，初支結構不能達到設計效果，那么計算將不再收斂，故荷載釋放系數K選取訪問為0＜K＜1，論文選取0.025、0.5、0.75、0.9 4個數值。（2）在初期支護結構穩定研究中，支護結構剛度也是需重要考量的數值，其主要體現在初支結構的彈性模量上。根據彈性模量分級表可知，噴射混凝土的彈性模量為30GPa。

隧道埋深60m，左右側距各50m，上下45m，具體參數如表1所示。

表1 大斷面黃土隧道建設工程模型設計值

3 大斷面黃土隧道的變形

分析已建大斷面黃土隧道的施工，有深埋和淺埋之分，拱頂到拱底的最后沉降差異范圍在-41～-9mm的為深埋大斷面類型，-18～-7mm的范圍則是淺埋大斷面類型。研究大斷面黃土隧道的變形規律、變形特性，以及黃土隧道地表裂縫發展規律，有利于之后的大斷面黃土隧道有針對性進行施工，作出相應的準確對策措施，保證隧道結構穩定，提高作業效益和經濟效益。

3.1 大斷面黃土隧道變形特性

論文依托賀家莊等鄭西高速鐵路現場工程實測數據分析后可知：（1）對深埋大斷面黃土隧道而言，初支變形因周圍黃土的巖石強度低，巖石塑性區范圍大，以整體沉降的變形形式呈現；隧道的邊墻收斂值小，但在拱底的收斂以及沉降大，變形增劇，易導致隧道失去穩定。針對這種情況，在實際深埋大斷面黃土隧道的施工工程統計數據中顯示，同時結合上述初支作用機理及力學特性，對大斷面進行及時封閉并支護是一種極為有效的防止其變形的措施。（2）對淺埋大斷面黃土隧道而言，因其自身地質發育特點，垂直節理發育，在隧道初支作用中以整體沉降變形為主，拱頂與拱底沉降差異比深埋類型要大，在隧道挖掘后期易產生臨空面，從而易使周圍巖土塌陷，地表產生裂縫，拱底不牢固；隧道周圍巖石具有突變性，不穩定性，且釋放應力快等特點。因此，針對淺埋大斷面的黃土隧道施工，在挖掘前期工程設計和實際施工過程中要根據隧道前進面的巖土變形情況和變形量，充分考慮如何控制隧道周圍巖石的變形，使用超前支護等手段，及時封閉并支護斷面。

3.2 大斷面黃土隧道變形影響因素

通過上述的數值分析可知，大斷面黃土隧道的變形影響因素主要包括黃土自身地質特性、隧道斷面大小、隧道類型、山體特性等。

(1)根據上文的介紹可知，在大斷面黃土隧道中周圍巖石變形受黃土本身的結構特性影響，易造成變形量大、突變性強、易形成地表裂縫等，除此之外，黃土發育的特點即垂直節理發育影響會破壞周圍巖石的完整性，導致巖土在施工過程塑性區范圍增大，張拉力破壞范圍也在增大；(2)不同的隧道類型，隧道的受力情況和周圍巖石的應力分布都會受到影響。隨著隧道深度的加深，應力分布主要集中于隧道拱頂以及隧道掌子面，若在隧道初期不能及時采取有效的支護結構進行支撐，那么隨著隧道深度加深，極容易造成變形，導致隧道失穩；(3)根據伍法權的三次立方擬合式子得出隧道斷面大小與安全系數的關系，可知隨著隧道斷面面積增大，安全系數也在降低，說明大斷面黃土隧道斷面周圍的巖石穩定性極差，極易造成變形；(4)其他因素還包括地下水、施工技術等，由于新黃土有明顯的濕陷性缺陷、粘結性不足，因此地下水對圍巖的穩定性影響也很明顯；施工技術直接影響著工程質量，初支結構剛度不夠，變形量就會增加。

3.3 大斷面黃土隧道沉降變形控制技術

3.3.1 沉降變形控制基準值

（1）針對路面變形，其評價的基準值為平整度，其路面平整度控制標準如表2所示。

表2 混凝土路面平整度控制標準

（2）針對鐵路，其評價沉降控制標準如表3所示。

表3 國內外鐵路工程施工測量控制標準

針對黃土隧道施工，大量工程數據顯示淺埋大斷面黃土隧道工程建設的地表沉降大，因此其最大沉降值控制標準為50mm。

3.3.2 沉降變形控制技術

通過工程的實際應用中采用超前大管棚施工和側導洞施工方案（圖1～圖2），并對初支數值進行優化，得到其沉降變化曲線圖（見圖3），通過最終測量發現，地表沉降值小于50mm，符合沉降控制標準。

圖1 超前大管棚施工圖

圖2 側導洞施工圖

圖3 初支隧道拱頂沉降變化曲線圖

由此可以得出地表沉降變形關鍵控制技術：

（1）大斷面黃土隧道施工在第一層初支結構背后應填充足夠的注漿保證其穩定，因初支結構整體沉降較大易出現空隙；初支結構的鋼架對沉降變形也有較大影響，特別是鋼架的穩定性，因此還應對初支結構的鋼架進行加固作業；（2）超前大管棚支護能夠避免管棚到圍巖之間巖土的掉落，為更有效減小它們之間的間距，減小沉降變形量，可采取雙層管棚，增加管棚剛度，或在管距間注漿等方式；（3）側導洞法施工過程中必須加強初支剛度，可采用雙層初支結構，剛度越大那么抵抗沉降變形的能力就越強，因此需充分加強側導洞初支結構的剛度。

4 結論

（1）通過大斷面黃土隧道施工數值分析，初支作業能有效控制隧道周圍巖石的變形，以此為核心，在保證初支作用結構完全安全的情況下，做到初期支護結構施工的準確及時；（2）黃土結構特性和其垂直發育特點對大斷面黃土隧道的施工有著顯著的影響，除此之外變形還受隧道斷面大小、深度、地下水等影響。因此在大斷面黃土隧道工程設計前，要充分考慮其地質特征，力學特點，及變形影響因素等，充分調動巖石的自承應力能力。

【1】李健,譚忠盛,喻渝,等.淺埋大跨黃土隧道管棚受力機制分析[J].中國工程科學，2011(9):30-33.

【2】李健,譚忠盛,喻渝,等.下穿高速公路淺埋大跨度黃土隧道施工措施研究[J].巖土力學，2011(9):32-35.

【3】彭正勇.注漿抬升在隧道穿越既有建筑物中的研究及應用[J].巖石力學與工程學報，2011(S1):76-78.

Study on Primary Support Mechanism and Deformation Control Technology of the Loess Tunnel w ith Large Sections

CAI Zhi-qiang
(HunanHengji Project Management Co.Ltd.,Changsha410004,China)

Through data statistics of the completed construction in loess tunnel engineering,we use computer technology for numerical simulation,and study the mechanical properties of the big cross section of loess tunnel profile and the primary support mechanism.According to the primary support mechanism, relying on research of deformation characteristics,and influencing factors of the loess tunnel with large cross sections in Zheng-Xiengineering,the paper finds the key to the settlement control technology through practice.

large section loess tunnel;primary support mechanism;settlement deformation control;mechanical characteristics

U455.7

A

1007-9467（2016）08-0138-02

2016-08-10

蔡志強（1983～），男，苗族，湖南靖州人，從事公路橋隧研究。