浅埋大断面黄土隧道灾害机理分析-(中铁三局集团第六工程有限公司-张勇建)论文

PAGE1浅埋大断面黄土隧道灾害机理分析中铁三局集团第六工程有限公司张勇建（助理工程师）摘要：通过对郑西客运专线的函谷关、贺家庄和张茅隧道围岩压力的实测值和理论值的对比分析，确定出适合于不同埋深的围岩压力计算理论，本文结合黄土隧道施工实践过程中出现的主要工程地质灾害，归纳出黄土隧道的主要地质灾害类型，分析黄土隧道施工地质灾害机理，旨在更好的促进在黄土地区修建隧道工程理论的完善，为安全、高效施工提供理论依据。关键词:黄土隧道，灾害类型，围岩压力1绪论我国黄土分布面积广、厚度大、层位齐全，具有特殊成分和特定工程地质特性，黄土隧道开挖于黄土地下土体中,其地质特性对隧道开挖过程中的稳定性或灾害产生的类型及规模起主要作用。通过对我国黄土特性的不断研究，各个时期在黄土隧道施工中进行的实验以及对运营隧道现状的调查分析，建立了黄土隧道衬砌的设计理论和标准图；黄土隧道施工方法也从单工序的施工到多工序施工，从小断面开挖发展到全断面、大断面开挖，隧道施工的机械化水平不断提高。2黄土的工程特性黄土一般天然密度为1.13～2.21(×103kg/m3)，干密度为1.02～1.87(×103kg/m3)，天然含水量为8%～30%，孔隙比为0.6～1.2，比重为2.61～2.72，工程中一般按粉土、粉质粘土对待[1]；黄土压缩性呈现两个变化趋势：一是地质年代稍早的Q2和Q31黄土，固结度稍高，多为中等偏低或低压缩性，而Q32和Q4黄土多为中等偏高压缩性；二是受颗粒分布(孔隙率)和含水量变化的影响较大。湿陷黄土在自重压力或外荷载不变时，受水浸湿后结构迅速破坏，急骤显著下沉，从而引起地面的变形和建筑物破坏，遇水浸泡后黄土联结削弱强度降低，极易产生湿陷、呈饱和流塑状态，从而减弱甚至丧失承载和自稳能力。黄土击实性是指黄土在一定外力冲击作用下密度、含水量、强度等物理力学性质随冲击强度而变化的特性，黄土抗剪强度则是黄土抵抗剪切破坏作用的能力。土体被水浸湿，土骨架往往就会崩溃，不但变形量大，而且引起强度的大量损失，因而往往使工程出现问题，甚至丧失稳定。3黄土隧道灾害机理分析3.1物理地质作用物理地质作用是指塑造地壳面貌的自然地质作用，包括内力与外力地质作用。黄土的c、φ值较低，在开挖后，隧道周边一定范围内很快发生松弛变形，随着这些变形的逐渐扩展，围岩的整体强度降低，同时土压增加，进而引发局部的塑性变形，在围岩内部出现空洞导致局部发生坍塌，局部出现下沉，塑性区进一步扩大，土压力剧增，最终导致整体失稳，大面积的塌方。隧道洞口及隧道表层斜坡地段均可能产生滑坡、滑塌。表层斜坡地段具有黄土边坡特征，同时又是受人为改变较大的自然边坡，坡体内应力大小和方向均发生了变化，经过反复干湿膨胀收缩，发生裂隙，在雨水的催化作用下容易产生滑坡、滑塌等工程地质灾害[2]。3.2水文地质条件与含水状态多年气象资料表明，黄土区雨水集中在7，8，9三个月且分布极不均匀，集中降雨冲击、松动并携带走大量表层黄土向低处流动，改变了隧道覆盖层的厚度、地形地貌，造成隧道受力变化甚至引起偏压。地表冲刷、流失水土还可能携带砂土掩挡隧道洞口或在隧洞内堆积成灾。当隧道开挖至含水地层中，切穿黄土含水层，导致其原有渗流规律发生重大改变，于是储存于黄土含水层中的地下水，沿黄土的层面、垂直节理，或沿黄土与第三系泥岩界面，向隧道集中渗入，导致隧道的渗水、滴水，严重时可爆发隧道涌水。3.3地震作用黄土的粒状架空接触结构，土体以点接触的形式连接，当土体受不大的外荷载作用时颗粒接触点处应力易于集中而导致移动和整个架空结构的破坏，显示崩溃性，在地震作用下崩溃性更强，从而引发崩塌、倾覆、垮塌等灾害。地震使隧道坡体最大主应力和剪应力明显增大，应力集中带的范围扩大，坡体塑性区迅速扩大，黄土自身的粘聚力明显不足以抵抗，产生大面积的高边坡滑塌。3.4开挖方法的影响隧道开挖后由于应力重新分布，应力场发生变化；目前采用的开挖方法主要有以下几类：方法一：双侧壁导坑先拱后墙法[3]。采用上下短台阶法开挖，上台阶部分又采用预留核心土小眼睛法，先用挖掘机开挖双侧壁，再开挖拱部土体，人工修整粉面后，立即施作初期支护及一次模筑衬砌混凝土，下台阶采用开挖中槽及四步跳跌马口法开挖，并完成纵横向排水系统安设及侧墙支护衬砌。方法二：双侧壁大导坑全断面开挖法。双侧壁大导坑全断面开挖法。机械开挖双侧壁导坑后，人工开挖拱部土体预留大核心土，再进行墙脚纵横向排水系统安设，完成初期支护及全断面一次模筑衬砌混凝土施工。方法三：双侧壁导坑先墙后拱反台阶法。先开挖下断面双侧壁导坑完成排水系统安设及初期支护，一次衬砌后，一次开挖拱部土体，完成初期支护及一次衬砌。根据对三种开挖方法进行的数值模拟表明：从围岩受力及塑性区的发展过程看，纯黄土隧道采用方法一比方法三有利，而方法二最为不利，方法二较其它两种方法围岩塑性区大的多。这种化大跨为小跨分部逐次开挖方法，使得土体应力和变形有多次转移和平衡过程，因而能起到降低围岩压力和减小塑性区的作用。3.5工程勘察与设计黄土是非常特殊的土体，因此，在勘察阶段，应查明黄土的性质，重点查明土层中渗流场的分布规律。但因多种原因，在勘察阶段，很难查明黄土隧道区工程地质条件，对涌流水条件勘查认识不足，做出了错误判断，开挖时产生了隧道的灾害，因此设计时应对勘察提供的物理学参数进行必要的折减。3.6农业灌溉当隧道穿越区上方黄土为农耕地时，农业用水使隧道上方黄土产生变形破坏，如黄土湿陷等，进而波及隧道，引起隧道围岩的变化乃至隧道的变形和破坏。4浅埋大断面黄土隧道围岩压力分析围岩压力理论一直是隧道与地下工程重要的研究课题。确定围岩压力的计算方法很多，下面分别介绍三种常用计算方法。（1）太沙基理论距地面深H处取厚度为dH的水平单元体如图4.1所示，根据微土条竖直方向平衡条件，经过微分方程积分和引入边界条件，得到围岩压力公式（4.1）。（4.1）图4.1太沙基公式围岩压力计算图示式中：γ-土体容重（kN/m3）；k-滑动面土体侧压力系数，太沙基取k=1；c-土的黏聚力（kPa）；φ-围岩的内摩擦角，（图4.1太沙基公式围岩压力计算图示（2）谢家烋理论隧道浅埋时，地层多为松散堆积物，为方便计算，利用极限平衡理论，根据实践经验形成谢家烋论围岩压力示意图4.2。（4.2）（4.3）（4.4）图4.2浅埋隧道围岩压力计算图（谢家烋理论）式中：γ-土体容重（kN/m3）；θ-洞顶岩体EFHG与两侧三棱体之间的摩擦角（°），按经验选用；φ-土壤计算内摩擦角（°），且有0<θ<φ；β-水平面与滑动面的夹角（图4.2浅埋隧道围岩压力计算图（谢家烋理论）（3）比尔鲍曼理论比尔鲍曼法先得出微元体上的侧摩阻力，通过积分将其转化为整个土柱的侧滑阻力，最后从土柱的整体平衡出发，得出竖向围岩压力，如图4.3[4]。（4.5）（4.6）（4.7）图4.3比尔鲍曼公式围岩压力计算图式中：c-土的黏聚力（kPa）；γ-土体容重（kN/m3）；φ-土的内摩擦角（图4.3比尔鲍曼公式围岩压力计算图5郑西客运专线黄土隧道围岩压力分析5.1理论计算与实测压力对比分析郑西客运专线上黄土隧道深浅埋分界设计阶段可按表5.1选取。表5.1郑西客运专线黄土隧道设计阶段深浅埋判定依据出处《铁路隧道设计规范》《隧道手册》铁一院黄土隧道设计经验分界深度/m18~3620~5040~50方法统计公式调查及统计设计经验本文按《铁一院黄土隧道设计经验》的最小值作为深浅埋的分界。并选取郑西客运专线上函谷关隧道、贺家庄隧道和张茅隧道等5个断面进行围岩压力值的计算，并与实测值进行比较分析。郑西高速铁路函谷关隧道进口、贺家庄隧道出口计算参数如表5.2所示。表5.2函谷关隧道进口、贺家庄隧道出口计算参数隧道断面里程埋深（m）密度（g/cm3）黏聚力（kPa）内摩擦角（°）计算摩擦角（°）破裂角（°）开挖高跨（m）θ（°）函谷关DK270+525271.5720.8627.628.7671.413/1520.13贺家庄DK242+960361.73131.7823.9331.3275.513/1525.06太沙基、谢家烋、比尔鲍曼三种方法的理论计算值与实测值如表5.3。表5.3浅埋段隧道围岩压力理论计算值与实测最值分析比较表格隧道埋深（m）实测值（kPa）太沙基理论（kPa）谢家烋理论（kPa）比尔鲍曼理论（kPa）函谷关27126.26246.96292.45339.12贺家庄36186.69157.95301.3373.68郑西高速铁路函谷关隧道斜井、贺家庄隧道进口、张茅隧道计算参数如表5.4所示。表5.4函谷关隧道斜井、贺家庄隧道进口、张茅隧道计算参数表隧道断面里程埋深（m）密度（g/cm3）内摩擦角（°）黏聚力（kPa）开挖高跨（m）函谷关DK273+0151101.8125.815513/15贺家庄DK242+063431.8023.9914513/15张茅DK225+945952.133.215513/15郑西高速铁路函谷关隧道、贺家庄隧道和张茅隧道的围岩压力现场实测值及三种理论计算的压力值如表5.5。表5.5深埋段隧道围岩压力理论计算值与实测最值分析比较表格隧道埋深（m）实测值（kPa）太沙基理论（kPa）谢家烋理论（kPa）比尔鲍曼理论（kPa）函谷关110213.81186.431166.56219.01贺家庄4388.46174.6639.63410.22张茅95238.62165.691042.62458.85