黃土地鐵暗挖隧道浸水濕陷變形工程特性分析

【摘要】黃土隧道圍巖發生濕陷變形時，將會引起襯砌結構不均勻沉降，從而威脅隧道的安全運行。針對典型地鐵地層結構建立數值模型和現場試驗，得到飽和狀態下的土性參數。然后，模擬隧道圍巖及支護結構，分析了隧道黃土圍巖不同浸水條件下黃土地基濕陷壓縮應力條件的變化規律。

【關鍵詞】黃土隧道；濕陷壓縮應力；地表水入滲；地下水位抬升

1、引言

濕陷性黃土具有大孔隙、結構性、濕陷性和水敏性等性質，天然低濕度下具有明顯高強度和低壓縮性的黃土，一旦浸水或增濕時會發生強度驟降和變形突增的特性。它們在定量上的不可忽視性和在定性上的急速發展性，是黃土變形影響其上建筑物穩定性的突出問題[1]。

濕陷性黃土隧道是指襯砌結構位于濕陷性黃土地層的隧道，在黃土地區公路、鐵路和城市地鐵工程中比較普遍。在含有地下水的黃土層中修建隧道，由于黃土在干燥時很堅固，承壓力也較高，施工可順利進好。當其受水浸濕后，呈不同程度的濕陷性，會突然發生下沉現象，使開挖后的圍巖迅速喪失自穩能力，如果支護措施滿足不了變化后的情況，極容易造成坍塌[2]。本文針對地鐵濕陷性黃土隧道工程，從地表積水入滲及地下水位抬升兩種情況出發，主要分析黃土隧道浸水后其對襯砌結構的影響，為濕陷性黃土隧道地基的加固治理提供指導[3]。

2、暗挖區間隧道黃土濕陷性數值模擬分析

2.1數值模擬濕陷性黃土的難點

巖土界常用的本構模型包括摩爾一庫侖模型、劍橋模型、鄧肯一張模型等。這些模型大都適用于粘土或者是砂性土的計算，不能反映濕陷性黃土濕陷變形的特點。考慮到上述各種常用計算模型的優點與不足，本文采用董曉明博士提出的“密模修正法”進行濕陷性黃土的數值模擬[4]。

“密模修正法”從分析土體強度三大指標開始考慮：①對變形模量E0、粘聚力c，摩擦角φ同時進行修正；②單獨對變形模量E0進行修正：③同時對粘聚力c，摩擦角φ進行修正[4-5]。其中方法二考慮黃土濕陷后的大變形特點，變形模量對變形影響最大，對變形模量E進行折減。其中圍巖采用平面應變單元，初支、二襯采用梁單元，錨桿采用桿單元。方法三對其中的兩個指標進行折減，故又稱“折減法”，“折減法”一般應用于基坑穩定分析、邊坡穩定分析中：本文采用方法一，因其涉及三個強度指標，在操作過程中需要對黃土浸水濕陷后的所有指標進行試驗量測，故精確度相對比較高。

2.2數值模型

本文通過對兩種工況進行分析，第一種工況即自上而下浸水（地表積水入滲）型，未浸水（Ⅰ0）、雜填土浸水（Ⅰ1）、黃土狀土1浸水（Ⅰ2）、黃土狀土2浸水（Ⅰ3）。由于隧道下伏地基的均勻濕陷會引起隧道襯砌結構產生較大的沉降變形量，屬于大變形有限元分析問題，這種基于工程原型建立的模型的大變形往往會導致有限元計算結果不易收斂。

對于第二種工況即自下而上浸水（地下水位抬升）型，未浸水（Ⅱ0）、黃土狀土2浸水（Ⅱ1）、黃土狀土1浸水（Ⅱ2）、雜填土浸水（Ⅱ3），采取二維網格模型進行計算。兩種模型均采用映射網格劃分，以下工況模型均用符號代替。重力加速度為離心加速度，方向沿Y軸方向豎直向下。

圖2.2-圖2.3為兩種模型八種工況二襯軸力圖，從圖中對比發現：二次襯砌軸力均為負值，表現為壓力。最大軸力均出現在拱肩偏下靠近拱腰位置處，模型Ⅰ，拱腰Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3最大值分別為-440.4kN、-440.9 kN、-439.8 kN、-277.3 kN；最小軸力出現在隧道拱頂處，Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3最小值分別為-182.7kN、-182.7 kN、-182.2kN、-115.3kN。模型Ⅱ拱腰Ⅱ0、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3最大值分別為-435.0kN、-440.9kN、-440.0kN、-438.2kN；最小軸力出現在隧道拱頂處，Ⅱ0、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3最小值分別為-183.0 kN、-186.2kN、-185.7kN、-185.7 kN。由此分析出，地表水對二襯軸力影響不大，地下水位上升對二襯軸力影響比較大，所以，在施工過程中應將地下水位控制在黃土層以下。

圖2.4～圖2.5為兩種模型八種工況二襯彎矩圖，從圖中對比發現：二次襯砌軸力大部分為負值，表現為壓力。二次襯砌彎矩沿洞周左右分布對稱；模型Ⅰ，二次襯砌最大負彎矩值出現在左、右拱腳處；最大負彎矩值為-150.7kN；最大正彎矩均出現在拱底處，最大正彎矩值為213.7kN；浸水對二襯彎矩基本沒有影響。模型Ⅱ，浸水對Ⅱ0、Ⅱ1影響不大，Ⅱ2浸水后變化比較明顯。浸水之后Ⅱ2、Ⅱ3相對變化不大。由此分析出，地表積水入滲對二襯軸力影響不大，地下水位上升對二襯軸力影響比較大，所以，在黃河汛期施工時，應采取降水措施，將地下水位控制在黃土層以下。

結論：

1）地表水對二襯軸力影響不大，地下水位上升對二襯軸力影響比較大，所以，在施工過程中應將地下水位控制在黃土層以下。

2）地表積水入滲對二襯軸力影響不大，地下水位上升對二襯軸力影響比較大。

3）在黃河汛期施工時，應采取降水措施，將地下水位控制在黃土層以下。