大断面黄土隧道变形规律及预留变形量研究

大断面黄土隧道变形规律及预留变形量研究

张鹤

中铁十二局第三工程有限公司山西省太原市

摘要：随着西部大开发推进，当地基础设施建设十分活跃。国内黄土隧道的修建并无太多的经验可借鉴，因为黄土土质特殊，洞中位移特点也与众不同，在设计大断面的客运专线铁路黄土隧道的预留变形量时，很难做具体的确定。因隧道初期支护、工程造价等会受到隧道设计的影响，所以，对变形预留量的设计意义重大。

关键词：大断面；黄土隧道；变形规律；预留变形量

通常情况下，明确隧道的变形预留量应参考埋置深度、隧道宽度、支护情况、围岩级别、施工方法等，明确办法为工程类比法。在大断面黄土隧道中，分析实测数据，范围并非完全适合。在研究中，多数停留在定性的描述，定量的分析不多见。立足于某黄土隧道工程，进行了统计分析与现场实测，对变形规律与变形预留量做了研究，希望对工程建设有所启发。

一初期支护保证率与变形量

当前，现有的支护条件与施工技术水平基础上，在开挖隧道后变进行初期支护，因为围岩固有性质，洞内将接受隧道周边的位移，在初期支护作业和后来的基本稳定位移的实现，累计的隧道周边位移值就是初期的隧道支护变形量。

开挖跨度、隧道支护形式、施工工艺技术、围岩性质、施工方法等各因素对初期的隧道支护变形量有影响。在本文中，因为已经明确了的开挖度、隧道支护的形式和施工办法，那么主要研究就可以确定在施工工艺水平与围岩本质特性上，但存在不确定的现场实测。参考不确定的实测数据以及实用性的兼顾，变形预留量的选取要依据不同的围岩级别，在特定保证率基础上确定范围值，满足变形预留量与实际工程相符。保证率则是比给定值测点数小的初期变形支护量和总的统计测点间的比值。

二分析变形量

（一）现场调研

大断面黄土隧道的变形规律与预留变形量的分析是根据现场量测数据进行研究的，在围岩级别差异基础上，对变形规律做分析，同时对变形预留量确定取值范围。在黄土隧道建设项目中，某客运专线将位移量测仪器布置大断面隧道中，对围岩级别差异基础上的初期支护变形做了数据实测。量测数据则来源某高等院校课题组以及铁路施工企业。

调查发现，洞身经过地层为：新黄土，砂质黄土为主要地层，是V级围岩；老黄土，粘质黄土是主要地层，是IV级围岩。

（二）参数设计

该客运专线初期支护为锚网喷，具体的临时与初期支护具体数据不同的围岩级别进行的横断面设计。分析大断面黄土隧道属性，分析其含水率、地形地貌、隧道埋深、新老黄土地层，主要以双侧壁导洞法、CRD法以及弧形导洞法为施工办法。

弧形导洞法适用于老黄土的洞身，双侧壁导洞法或中壁交叉法多在砂纸、较大含水量、偏压、浅埋黄土上适用。对于围岩，都以仰拱、一次衬砌拱墙法进行。

（三）分析实测数据

1.IV级围岩。该级别隧道采集的水平收敛量以及拱顶沉降数据多大上百个，具有代表性的断面位移时态，该级别围岩变形规律是：在初期开挖时，拱脚下沉量以及实测拱顶间具有较大差异，在闭合隧道的初期支护时，二者出现相当的位移量。现象显示，开挖大断面黄土隧道后，整体性的拱部下降是主要变形规律。下沉的拱顶和相对收敛位移有相似的变化规律，但拱顶下沉绝对量大于水平收敛。在对施工阶段中的周边位移比例分析后，占据95%的全部沉降量是发生在全部分布初期支护之前的沉降，也就是封闭全断面初期支护后，周边的隧道位移不会变动。

分析IV级别围岩，隧道埋深和水平收敛、拱顶下沉量的关系，分析后得知，在不超过40m的埋深下，出现实测断面较大沉降，也出现较大的实测性下沉量离散性。在其他埋深区段，出现了相对集中分布的实测沉量区，多不超过10cm。立足隧道埋深和水平收敛关系，没有显著相关性。在差异埋深基础上，在各断面中，最大的水平收敛位移在各测线上都很集中，占据较多的量测断面呈现出低于7.5cm的水平收敛。

2.V级围岩。该级别围岩中水平收敛与拱顶沉降的量测数据收集数量在百个以下，对于代表性的位移断面时态曲线，在封闭初期支护前，黄土隧道的拱顶出现较快速度下沉，在全部封闭初期支护后，增长幅度依然明显，但渐渐变得稳定。在对各施工环节中的隧道周边位移百分比做分析后，占据了95%的全部沉降量是发生在全部封闭前的隧道初期沉降。也就是在封闭全断面的初期支护后，周边的隧道位移将保持稳定。对水平收敛的位移做观察后，发现拱顶下沉大于水平收敛位移，这和IV级别的围岩有相似规律。

分析隧道埋深和下沉拱顶量、最大水平收敛位移间的关系，如果出现低于25m的隧道埋深，因为没有控制好施工工艺，出现较大的拱顶实测下沉量，同时出现相对较大的离散型实测数据，代表性不明显，所以统计分析样本可忽略该数据。在断面实测时，排除低于25m的埋深隧道，其余出现了低于30cm的沉量，分析隧道埋深、拱顶下沉量的关联，不具有显著相关性。另外，埋深、收敛间也具有不显著的相关性，对拱顶下沉与水平收敛做比较，发现水平收敛量小于绝大部分下沉拱顶量。

三明确预留变形量

从上述分析发现，因为黄土地和隧道支护间具有复杂的相互作用，另外，存在不确定的影响隧道初期支护变形原因，所以，对于数据的现场实测结果，离散型比较严重。如果在保证率的基础上得到的预留变形量与之超过80%，那么可以说是合适的变形预留。因为在量测数据中，断面中的水平收敛均小于拱顶下沉。所以，在确定预留变形量时，依据可参考下沉的拱顶量。

在IV级围岩，在参考拱顶下沉量基础上，那么预留变形量应该有所差异，确定的保证率。分析可知，如果以7.5、1.以及25cm为变形预留量，那么可得到90%以上的保证率。因量测数据存在离散，又要实现保证率较高，则对于IV级的围岩，可以10-15cm为变形预留量。

对于V级围岩，参考下沉的拱顶量，在变形预留量差异情况下。分析可知，如果以20、25以及28cm为变形预留量，那么最低的保证率是53.01%，最高为96.39%。因为量测数据存在离散型，由考虑保证率的兼顾，则以25-28为变形预留量。

四结语

以现实工程为参考，在系统研究量测数据后，我们可以得到：拱脚与拱顶出现较小的下沉差别，也就是拱部会因为开挖隧道而出现整体性的略微降沉；在监测中，水平收敛量比下沉的拱顶量小，所以，主要黄土变形特点就是拱顶的下沉；如果存在低于40m的埋深隧道，出现离散性以及最大拱顶下沉。如果超过40m埋深隧道，出现相对集中的水平收敛与拱顶下沉。所以，隧道变形预留量可在统计实测基础上得到；在封闭初期隧道支护后，周围的隧道位移保持稳定。所以，对于变形预留量的控制可参考封闭初期支护的时间；因为量测数据受离散型影响，又要确定保证率，对于不同级别的黄土围岩的变形预留量也有所不同。

参考文献：

[1]轩俊杰.黄土隧道变形规律研究[D].长安大学,2008.

[2]李虎军.黄土隧道变形控制基准研究[D].兰州交通大学,2012.

[3]杨扬.沙塔隧道预留变形量探讨[J].中国公路,2011,(13):120.

[4]刘丰铭.浅埋偏压小净距黄土隧道围岩稳定性研究[D].重庆大学,2013.

[5]夏添.黄土隧道支护方法对其稳定性影响研究[D].郑州大学,2012.