淺埋大斷面黃土隧道災(zāi)害機(jī)理分析-(中鐵三局集團(tuán)第六工程有限公司-張勇建)論文

PAGE1淺埋大斷面黃土隧道災(zāi)害機(jī)理分析中鐵三局集團(tuán)第六工程有限公司張勇建（助理工程師）摘要：通過對(duì)鄭西客運(yùn)專線的函谷關(guān)、賀家莊和張茅隧道圍巖壓力的實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比分析，確定出適合于不同埋深的圍巖壓力計(jì)算理論，本文結(jié)合黃土隧道施工實(shí)踐過程中出現(xiàn)的主要工程地質(zhì)災(zāi)害，歸納出黃土隧道的主要地質(zhì)災(zāi)害類型，分析黃土隧道施工地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理，旨在更好的促進(jìn)在黃土地區(qū)修建隧道工程理論的完善，為安全、高效施工提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:黃土隧道，災(zāi)害類型，圍巖壓力1緒論我國黃土分布面積廣、厚度大、層位齊全，具有特殊成分和特定工程地質(zhì)特性，黃土隧道開挖于黃土地下土體中,其地質(zhì)特性對(duì)隧道開挖過程中的穩(wěn)定性或?yàn)?zāi)害產(chǎn)生的類型及規(guī)模起主要作用。通過對(duì)我國黃土特性的不斷研究，各個(gè)時(shí)期在黃土隧道施工中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)運(yùn)營隧道現(xiàn)狀的調(diào)查分析，建立了黃土隧道襯砌的設(shè)計(jì)理論和標(biāo)準(zhǔn)圖；黃土隧道施工方法也從單工序的施工到多工序施工，從小斷面開挖發(fā)展到全斷面、大斷面開挖，隧道施工的機(jī)械化水平不斷提高。2黃土的工程特性黃土一般天然密度為1.13～2.21(×103kg/m3)，干密度為1.02～1.87(×103kg/m3)，天然含水量為8%～30%，孔隙比為0.6～1.2，比重為2.61～2.72，工程中一般按粉土、粉質(zhì)粘土對(duì)待[1]；黃土壓縮性呈現(xiàn)兩個(gè)變化趨勢(shì)：一是地質(zhì)年代稍早的Q2和Q31黃土，固結(jié)度稍高，多為中等偏低或低壓縮性，而Q32和Q4黃土多為中等偏高壓縮性；二是受顆粒分布(孔隙率)和含水量變化的影響較大。濕陷黃土在自重壓力或外荷載不變時(shí)，受水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞，急驟顯著下沉，從而引起地面的變形和建筑物破壞，遇水浸泡后黃土聯(lián)結(jié)削弱強(qiáng)度降低，極易產(chǎn)生濕陷、呈飽和流塑狀態(tài)，從而減弱甚至喪失承載和自穩(wěn)能力。黃土擊實(shí)性是指黃土在一定外力沖擊作用下密度、含水量、強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)隨沖擊強(qiáng)度而變化的特性，黃土抗剪強(qiáng)度則是黃土抵抗剪切破壞作用的能力。土體被水浸濕，土骨架往往就會(huì)崩潰，不但變形量大，而且引起強(qiáng)度的大量損失，因而往往使工程出現(xiàn)問題，甚至喪失穩(wěn)定。3黃土隧道災(zāi)害機(jī)理分析3.1物理地質(zhì)作用物理地質(zhì)作用是指塑造地殼面貌的自然地質(zhì)作用，包括內(nèi)力與外力地質(zhì)作用。黃土的c、φ值較低，在開挖后，隧道周邊一定范圍內(nèi)很快發(fā)生松弛變形，隨著這些變形的逐漸擴(kuò)展，圍巖的整體強(qiáng)度降低，同時(shí)土壓增加，進(jìn)而引發(fā)局部的塑性變形，在圍巖內(nèi)部出現(xiàn)空洞導(dǎo)致局部發(fā)生坍塌，局部出現(xiàn)下沉，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，土壓力劇增，最終導(dǎo)致整體失穩(wěn)，大面積的塌方。隧道洞口及隧道表層斜坡地段均可能產(chǎn)生滑坡、滑塌。表層斜坡地段具有黃土邊坡特征，同時(shí)又是受人為改變較大的自然邊坡，坡體內(nèi)應(yīng)力大小和方向均發(fā)生了變化，經(jīng)過反復(fù)干濕膨脹收縮，發(fā)生裂隙，在雨水的催化作用下容易產(chǎn)生滑坡、滑塌等工程地質(zhì)災(zāi)害[2]。3.2水文地質(zhì)條件與含水狀態(tài)多年氣象資料表明，黃土區(qū)雨水集中在7，8，9三個(gè)月且分布極不均勻，集中降雨沖擊、松動(dòng)并攜帶走大量表層黃土向低處流動(dòng)，改變了隧道覆蓋層的厚度、地形地貌，造成隧道受力變化甚至引起偏壓。地表沖刷、流失水土還可能攜帶砂土掩擋隧道洞口或在隧洞內(nèi)堆積成災(zāi)。當(dāng)隧道開挖至含水地層中，切穿黃土含水層，導(dǎo)致其原有滲流規(guī)律發(fā)生重大改變，于是儲(chǔ)存于黃土含水層中的地下水，沿黃土的層面、垂直節(jié)理，或沿黃土與第三系泥巖界面，向隧道集中滲入，導(dǎo)致隧道的滲水、滴水，嚴(yán)重時(shí)可爆發(fā)隧道涌水。3.3地震作用黃土的粒狀架空接觸結(jié)構(gòu)，土體以點(diǎn)接觸的形式連接，當(dāng)土體受不大的外荷載作用時(shí)顆粒接觸點(diǎn)處應(yīng)力易于集中而導(dǎo)致移動(dòng)和整個(gè)架空結(jié)構(gòu)的破壞，顯示崩潰性，在地震作用下崩潰性更強(qiáng)，從而引發(fā)崩塌、傾覆、垮塌等災(zāi)害。地震使隧道坡體最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力明顯增大，應(yīng)力集中帶的范圍擴(kuò)大，坡體塑性區(qū)迅速擴(kuò)大，黃土自身的粘聚力明顯不足以抵抗，產(chǎn)生大面積的高邊坡滑塌。3.4開挖方法的影響隧道開挖后由于應(yīng)力重新分布，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化；目前采用的開挖方法主要有以下幾類：方法一：雙側(cè)壁導(dǎo)坑先拱后墻法[3]。采用上下短臺(tái)階法開挖，上臺(tái)階部分又采用預(yù)留核心土小眼睛法，先用挖掘機(jī)開挖雙側(cè)壁，再開挖拱部土體，人工修整粉面后，立即施作初期支護(hù)及一次模筑襯砌混凝土，下臺(tái)階采用開挖中槽及四步跳跌馬口法開挖，并完成縱橫向排水系統(tǒng)安設(shè)及側(cè)墻支護(hù)襯砌。方法二：雙側(cè)壁大導(dǎo)坑全斷面開挖法。雙側(cè)壁大導(dǎo)坑全斷面開挖法。機(jī)械開挖雙側(cè)壁導(dǎo)坑后，人工開挖拱部土體預(yù)留大核心土，再進(jìn)行墻腳縱橫向排水系統(tǒng)安設(shè)，完成初期支護(hù)及全斷面一次模筑襯砌混凝土施工。方法三：雙側(cè)壁導(dǎo)坑先墻后拱反臺(tái)階法。先開挖下斷面雙側(cè)壁導(dǎo)坑完成排水系統(tǒng)安設(shè)及初期支護(hù)，一次襯砌后，一次開挖拱部土體，完成初期支護(hù)及一次襯砌。根據(jù)對(duì)三種開挖方法進(jìn)行的數(shù)值模擬表明：從圍巖受力及塑性區(qū)的發(fā)展過程看，純黃土隧道采用方法一比方法三有利，而方法二最為不利，方法二較其它兩種方法圍巖塑性區(qū)大的多。這種化大跨為小跨分部逐次開挖方法，使得土體應(yīng)力和變形有多次轉(zhuǎn)移和平衡過程，因而能起到降低圍巖壓力和減小塑性區(qū)的作用。3.5工程勘察與設(shè)計(jì)黃土是非常特殊的土體，因此，在勘察階段，應(yīng)查明黃土的性質(zhì)，重點(diǎn)查明土層中滲流場(chǎng)的分布規(guī)律。但因多種原因，在勘察階段，很難查明黃土隧道區(qū)工程地質(zhì)條件，對(duì)涌流水條件勘查認(rèn)識(shí)不足，做出了錯(cuò)誤判斷，開挖時(shí)產(chǎn)生了隧道的災(zāi)害，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)勘察提供的物理學(xué)參數(shù)進(jìn)行必要的折減。3.6農(nóng)業(yè)灌溉當(dāng)隧道穿越區(qū)上方黃土為農(nóng)耕地時(shí)，農(nóng)業(yè)用水使隧道上方黃土產(chǎn)生變形破壞，如黃土濕陷等，進(jìn)而波及隧道，引起隧道圍巖的變化乃至隧道的變形和破壞。4淺埋大斷面黃土隧道圍巖壓力分析圍巖壓力理論一直是隧道與地下工程重要的研究課題。確定圍巖壓力的計(jì)算方法很多，下面分別介紹三種常用計(jì)算方法。（1）太沙基理論距地面深H處取厚度為dH的水平單元體如圖4.1所示，根據(jù)微土條豎直方向平衡條件，經(jīng)過微分方程積分和引入邊界條件，得到圍巖壓力公式（4.1）。（4.1）圖4.1太沙基公式圍巖壓力計(jì)算圖示式中：γ-土體容重（kN/m3）；k-滑動(dòng)面土體側(cè)壓力系數(shù)，太沙基取k=1；c-土的黏聚力（kPa）；φ-圍巖的內(nèi)摩擦角，（圖4.1太沙基公式圍巖壓力計(jì)算圖示（2）謝家烋理論隧道淺埋時(shí)，地層多為松散堆積物，為方便計(jì)算，利用極限平衡理論，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)形成謝家烋論圍巖壓力示意圖4.2。（4.2）（4.3）（4.4）圖4.2淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算圖（謝家烋理論）式中：γ-土體容重（kN/m3）；θ-洞頂巖體EFHG與兩側(cè)三棱體之間的摩擦角（°），按經(jīng)驗(yàn)選用；φ-土壤計(jì)算內(nèi)摩擦角（°），且有0<θ<φ；β-水平面與滑動(dòng)面的夾角（圖4.2淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算圖（謝家烋理論）（3）比爾鮑曼理論比爾鮑曼法先得出微元體上的側(cè)摩阻力，通過積分將其轉(zhuǎn)化為整個(gè)土柱的側(cè)滑阻力，最后從土柱的整體平衡出發(fā)，得出豎向圍巖壓力，如圖4.3[4]。（4.5）（4.6）（4.7）圖4.3比爾鮑曼公式圍巖壓力計(jì)算圖式中：c-土的黏聚力（kPa）；γ-土體容重（kN/m3）；φ-土的內(nèi)摩擦角（圖4.3比爾鮑曼公式圍巖壓力計(jì)算圖5鄭西客運(yùn)專線黃土隧道圍巖壓力分析5.1理論計(jì)算與實(shí)測(cè)壓力對(duì)比分析鄭西客運(yùn)專線上黃土隧道深淺埋分界設(shè)計(jì)階段可按表5.1選取。表5.1鄭西客運(yùn)專線黃土隧道設(shè)計(jì)階段深淺埋判定依據(jù)出處《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》《隧道手冊(cè)》鐵一院黃土隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分界深度/m18~3620~5040~50方法統(tǒng)計(jì)公式調(diào)查及統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)本文按《鐵一院黃土隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)》的最小值作為深淺埋的分界。并選取鄭西客運(yùn)專線上函谷關(guān)隧道、賀家莊隧道和張茅隧道等5個(gè)斷面進(jìn)行圍巖壓力值的計(jì)算，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析。鄭西高速鐵路函谷關(guān)隧道進(jìn)口、賀家莊隧道出口計(jì)算參數(shù)如表5.2所示。表5.2函谷關(guān)隧道進(jìn)口、賀家莊隧道出口計(jì)算參數(shù)隧道斷面里程埋深（m）密度（g/cm3）黏聚力（kPa）內(nèi)摩擦角（°）計(jì)算摩擦角（°）破裂角（°）開挖高跨（m）θ（°）函谷關(guān)DK270+525271.5720.8627.628.7671.413/1520.13賀家莊DK242+960361.73131.7823.9331.3275.513/1525.06太沙基、謝家烋、比爾鮑曼三種方法的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值如表5.3。表5.3淺埋段隧道圍巖壓力理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)最值分析比較表格隧道埋深（m）實(shí)測(cè)值（kPa）太沙基理論（kPa）謝家烋理論（kPa）比爾鮑曼理論（kPa）函谷關(guān)27126.26246.96292.45339.12賀家莊36186.69157.95301.3373.68鄭西高速鐵路函谷關(guān)隧道斜井、賀家莊隧道進(jìn)口、張茅隧道計(jì)算參數(shù)如表5.4所示。表5.4函谷關(guān)隧道斜井、賀家莊隧道進(jìn)口、張茅隧道計(jì)算參數(shù)表隧道斷面里程埋深（m）密度（g/cm3）內(nèi)摩擦角（°）黏聚力（kPa）開挖高跨（m）函谷關(guān)DK273+0151101.8125.815513/15賀家莊DK242+063431.8023.9914513/15張茅DK225+945952.133.215513/15鄭西高速鐵路函谷關(guān)隧道、賀家莊隧道和張茅隧道的圍巖壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值及三種理論計(jì)算的壓力值如表5.5。表5.5深埋段隧道圍巖壓力理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)最值分析比較表格隧道埋深（m）實(shí)測(cè)值（kPa）太沙基理論（kPa）謝家烋理論（kPa）比爾鮑曼理論（kPa）函谷關(guān)110213.81186.431166.56219.01賀家莊4388.46174.6639.63410.22張茅95238.62165.691042.62458.85