黃土地區淺埋隧道的施工技術與仿真模擬研究

羅偉

（九江鑫路交通工程有限責任公司，江西九江 332000）

0 引言

飽和狀態的黃土承載力及抗壓強度均較低，對隧道的開挖會產生較大的不良影響。許多研究學者提出對隧道進行淺埋并對其進行研究，探究較為合適的施工技術。其中,鄭選榮、來弘鵬等[1-2]根據實際工程對淺埋隧道采用暗挖的施工方法進行研究，研究提出隧道上覆地層在工作面開挖擾動下呈區域性變形的特點；李攀[3]針對軟弱圍巖的淺埋隧道施工進行探究，探究得到淺埋隧道在施工時的空間變形規律和裂縫分布規律，并提出具體施工的合理參數；羅祿森等[4]對在黃土地區淺埋隧道的破壞模型進行研究，研究表明黃土隧道的穩定跨度為8m，淺埋大跨條件下的黃土隧道破壞為土體的垂直剪切破壞；劉嘉欣等[5-6]對濕陷性黃土的隧道洞口在淺埋段開挖與支護技術進行研究；侯瑞彬、費康等[7-8]對利用ABAQUS 有限元軟件對隧道結構的動力特性進行研究，研究得到水平剪切波和豎向壓縮波作用下隧道結構的漸進性破壞過程,明確了在不同波型作用下隧道結構的薄弱部位和破壞特征；趙永國、康軍、毛金龍等[9-11]通過研究，對黃土公路隧道的相關技術進行深入研究，提出黃土公路隧道結構選擇原則?，F有對黃土地區淺埋隧道的研究已取得一定成果，但在數值模擬計算時尚存在一些不足。

因此,在現有的研究基礎上，進一步對黃土地區淺埋隧道的施工方法及隧道破壞模式進行分析，并借助ABAQUS 有限元軟件對不同的施工方法進行分析研究，希望能對行業發展有所幫助。

1 黃土地區淺埋隧道的施工方法

黃土地區的隧道具有濕陷性及結構松散性的特點，因此所形成的土拱效應很難滿足正常隧道的要求，常常需要在黃土地區打入鋼管，再通過在鋼管中注漿，使漿液在土體中擴散，從而形成錨固桿的結果，使其土體擁有較高的強度。對于黃土地區的淺埋隧道常采用的施工方法如下：

兩臺階法是指將整個隧道坑段斷面劃分兩層，開挖時從上向下進行開挖，開挖面前后距離一般較小，上臺階的轉進與下臺階的出渣可同時進行，因而可以顯著提高施工的效率，并且該施工方法施工時臺階的支護結構可以較早地進行封閉，對隧道圍巖的擾動較小。但該施工方法各個施工工序之間的聯系較為緊密，施工速度較慢，工期較長。

2 黃土地區淺埋隧道的破壞理論分析

隧道的破壞模式可以在進行隧道圍巖的壓力計算時進行初步判斷，隧道的支護結構和開挖方法對隧道的破壞模式也有關系，因此對常見的隧道破壞模式進行分析，具體如下：

一是拉裂破壞：在拉應力的作用下，圍巖易出現拉裂破壞，拉裂破壞可以分為拉破壞和折斷破壞，常出現在軟弱的圍巖面、風化嚴重或者受潮解體的巖體上，出現這種破壞現象主要是因為圍巖的抗拉強度低，主要的表現形式是隧道圍巖在自重下，導致隧道整體的拱部坍落。為避免出現拉裂破壞，常將隧道斷面設計為矩形或者梯形，并且在實際施工時加強對拱頂的加固。折斷破壞實質上是拉裂破壞的另外一種表現形式，當隧道受到集中的壓應力作用時，會使得隧道拱墻的抗彎折強度小于切向壓應力，即導致圍巖出現折斷破壞。

二是剪切破壞：剪切破壞是隧道圍巖最常見的破壞模式，主要的破壞原因是在圍巖自重荷載的作用下，隧道拱部土體產生滑動產生的剪切破壞。這種破壞容易導致隧道冒頂和坍落，但常出現在深隧道中，在淺隧道中較少發生。因此，在實際工程中需對隧道加固計算，減小圍巖受到的剪切應力，控制圍巖的變形。

三是拉剪復合破壞：拉剪復合破壞是在深隧道和淺隧道中都容易出現的一種破壞模式，這種破壞模式是由拉裂破壞和剪切破壞共同產生的復合型破壞模式，當圍巖的巖性等級較低、風化程度較大、拱部土體的抗拉強度較低時，隧道容易產生拉裂復合破壞模式。

2.1 有限元模擬

2.1.1 有限元模型建立

此次所模擬的模型來源于某黃土區的實際隧道，該隧道的進口里程為DK403+956，出口里程為DK405+247，隧道是全長為1.677km 的單洞雙向隧道，隧道埋深為6～45m，洞徑為12m，隧道所處的圍巖等級為V 級圍巖。在采用ABAQUS 有限元軟件建立隧道計算模型時，分別建立埋深為25m 及45m 的情形進行模擬，模型的長度及寬度大小分別取8 倍的洞徑進行模擬，并且在模型中隧道襯砌結構采用噴射混凝土，厚度為300mm，不同深度的計算模型如圖1 所示。關于模型中其他相關參數如表1 所示。

表1 模型參數設置

圖1 有限元模型圖

2.1.2 有限元結果分析

在此次的有限元結構分析中，分別對采用兩臺階法施工和三臺階法施工來進行模擬。分析不同埋深開挖時塑性區的發展和隧道的豎向應力變化。分析的具體結果如下所述：

（1）兩臺階法施工的結果分析

因NB=AM=DC，故四邊形NBCD為等腰梯形(當N與D重合時該圖形為等腰三角形)，它的頂點N, B, C, D共圓，因此點N在圓ω1上.

第一，開挖過程的塑性區結果分析。

本文對不同埋置深度的隧道在采用兩臺階法施工時，不同掘進深度時的隧道塑性區結果進行分析，具體的模擬云如圖2、圖3 所示。

圖2 25m 埋深的塑性變化圖

圖3 45m 埋深的塑性變化圖

從圖2 及圖3 中可以看出兩臺階法施工隨著隧道開挖深度的增大，隧道的塑性區隨之緩慢增加，當隧道開挖至一定深度后，隧道圍巖的塑性區趨于穩定；當隧道的埋深為45m 時，隧道在開挖時所產生的塑性區比隧道埋深為25m 要小，說明隧道的埋深越大對隧道越有利，此時隧道的自身穩定力越強，并且對環境的影響越小。

第二，開挖過程豎向應力結果分析。

本文對不同埋置深度的隧道在采用兩臺階法施工時，對開挖過程中的隧道豎向最大應力值通過云圖進行統計，具體的結果如表2 所示。

表2 隧道豎向應力結果表

從表2 中可以發現，當采用兩臺階法進行施工時，在隧道的埋深一定時，隧道的開挖深度越深，隧道圍巖的應力越大，主要是因為隧道支護結構的作用使隧道圍巖的應力出現集中現象；對比不同的隧道埋深可以發現，當隧道的埋深為45m 時，隧道圍巖的應力比埋深為25m 的大，主要是因為當隧道的埋深越深圍巖的自穩性能越好，受的應力較大。

（2）三臺階法施工的結果分析

第一，開挖過程的塑性區結果分析。

本文對不同埋置深度的隧道在采用三臺階法施工時，不同掘進深度時的隧道塑性區結果進行分析，具體的模擬云如圖4、圖5 所示。

圖4 25m 埋深的塑性變化圖

圖5 45m 埋深的塑性變化圖

從圖4 及圖5 中可以看出三臺階法施工隨著隧道開挖深度的增大，隧道的塑性區幾乎不變，并且最大的塑性區主要發生在隧道的拱腳處；當隧道的埋深為45m 時，隧道在開挖時的塑性區與埋深為25m 的隧道相近，說明對于三臺階開挖的施工方法能有效控制隧道的塑性區發展。

第二，開挖過程豎向應力結果分析

對不同埋置深度的隧道在采用三臺階法施工時，對開挖過程中的隧道豎向最大應力通過云圖進行統計，具體的結果如表3 所示。

表3 隧道豎向應力結果表

從表3 中可以發現，當隧道埋深為25m 時，隨著隧道開挖深度的增加，隧道的圍巖最大豎向應力在逐漸減?。划斔淼缆裆畹?5m 時，隨著隧道開挖深度的增加，隧道的圍巖最大豎向應力逐漸增大，并且豎向應力值比隧道埋深為25m 情況的圍巖最大豎向應力要大得多，說明當隧道埋深越深，圍巖的自穩定性越好，所受的應力越大。

3 結語

文章通過理論研究對常用的淺埋隧道施工方法及隧道破壞模式進行介紹，并結合ABAQUS 有限元軟件進行分析研究，研究結果表明：對于在黃土地區淺埋的隧道進行施工時，可以采用三臺階法進行施工，該方法對施工隧道圍巖產生的應力較小，產生的塑性變形也較小。并且施工速度較快，可以較好地控制隧道變形。文章僅對淺埋隧道的兩臺階法施工及三臺階法施工進行對比分析研究，相關的施工方法還有待進一步研究，以便得出更為優越的施工方法。