1.中交路桥建设有限公司 北京 100027；2.中交路桥南方工程有限公司 北京 101121
摘要：基于膨胀性黄土的特殊工程性质研究黄土隧道围岩与支护特性的关系，通过Hoek准则及基于强度折减的数值计算的方法获得膨胀力与隧道的安全系数之间的关系，为黄土隧道支护设计优化提供了理论依据。
关键词：膨胀力；黄土隧道；支护技术
1 引言
某公路黄土隧道位于徽成盆地边缘，属剥蚀低中山丘陵地貌，地势东北高西南低，四季分明，夏秋两季多雨。隧道夹于两条近南北向的沟谷之间，勘察区最高海拔1172m，最低海拔1052m，相对高差120m。隧道出口自然坡度18-23度，进洞段斜坡大多开垦为耕地。其中左线ZK36+683-ZK37+768，长1085m，IV围岩220.3m，V围岩813.7m；右线YK36+695-YK37+773，长1078m，IV围岩220m，V围岩848m。右线YK36+734-YK36+780及左线ZK36+705-ZK36+780段均基于新奥法原理进行施工。
2 膨胀性黄土隧道围岩与支护特性
隧道开挖后，应力场重分布洞周土体产生变形，如果支护结构刚度过低，将导致隧道失稳而发生塌方。目前，收敛约束法已被广泛应用在隧道变形与支护结构之间的互制关系分析中，并成为设计最优化支护系统的有效手段。如图1所示，随着围岩压力的不断释放，洞周位移逐渐增大，支护抗力也逐渐增大，在某一时刻，系统达到平衡状态。依据收敛约束法的基本原理分析该膨胀性黄土隧道在膨胀力作用下的塌方机理。
图1 围岩与支护特征曲线
Heok和Brown提出了几种典型的支护特征曲线，其中复合支护特征曲线与工程实际最为相符。利用复合支护理论分析支护特征曲线，同时考虑到喷射混凝土硬化，计算支护特征曲线基于以下假设：初期支护前期支护强度由钢架起作用，后期初期支护强度主要由硬化后的喷射混凝土承担该膨胀性黄土隧道围岩，将支护参数应用到复合支护特征理论中，获得支护特征曲线方程。
根据围岩特征曲线与支护特征曲线，可以分析该膨胀性黄土隧道的收敛约束曲线，如图2所示，随着膨胀力的增大，围岩压力不断增大；在各自的平衡状态时，随着膨胀力的不断增大，支护产生的变形越大。因此，当膨胀力的增大导致初期支护变形发生破坏时，隧道就易发生塌方并诱发山体边坡滑塌。
图2 膨胀力与围岩压力关系曲线
在强降雨作用下，道覆湿陷性黄地层开裂，地表裂缝形成丰富的渗水通道，雨水渗入到膨胀性黄土地层中，引起洞周土体膨胀泥化，产生膨胀力。在膨胀力的影响下，造成隧道常规支护强度不足，导致隧道发生大变形，大变形得不到有效控制，引起隧道塌方或上覆土体松动，从而诱发大体积塌方及山体滑塌等工程地质灾害。
3 膨胀应力与安全的关系
隧道开挖至施作支护随道围岩稳定后，塑性区主要分布在隧道拱顶处；当产生的膨胀应力时，膨胀性黄土层发生膨胀变形后，洞室拱腰与边墙处产生塑性区；塑性区很快发展到隧道拱脚处，并在拱腰处幵始沿洞径方向向深部扩展；随着塑性区的；断发展，隧道拱脚塑性区与同侧的上部塑性区连接成一个整体，并向四周深部扩展，由于隧底仰拱的作用，仰拱底部并没有出现塑性区；直至隧道两侧塑性区在隧道拱顶发生贯通，隧道围岩变形一直变大，其中最大值一直发生在边墙处，当初期支护发生屈服时，隧道塌方土体将会在边墙处涌入土体。
综合分析膨胀应力为50、100、150、200KPa四种条件下的塑性区演化过程，可以得出以下结论：（1）隧道开挖后，拱顶处为较薄弱区，容易引发塌方，初期支护强度应符合设计要求；（2）土层发生膨胀变形时，塑性首先在隧道拱腰处产生，并不断向下发展，随着膨胀应力的增大，塑性区的扩展速度更快；（3）整个演化过程中，塑性变形最大值从拱顶开始不断向下分布，膨胀变形越大，最终的塑性变形最大值越靠近边墙，因此膨胀性黄土隧道发生膨胀变形时，拱腰与边墙处为最不利位置，隧道塌方往往从此处发生；膨胀变形引起的塑性区要比隧道开挖扰动引起的塑性区大。因此对于膨胀性黄土隧道施工，初期支护的后期强度决定了膨胀性黄土隧道围岩的后期稳定性，建议选取提高初期支护的后期强度。
根据上述不同膨胀应力条件下求解的隧道围岩安全储备系数，通过方程拟合，可以获得膨胀应力与隧道围岩储备安全系数之间的关系曲线，如下图所示。
图3 膨胀应力与隧道安全系数关系曲线
在实际施工中，通过现场勘察、地质实验等手段确定隧道围岩土体的膨胀潜势，进而推测隧道土体所能产生的膨胀应力，依据膨胀应力与隧道安全系数之间的关系。根据上图高斯拟合曲线确定隧道可能的安全系数，这对于膨胀性黄土随道的设计与施工具有一定的指导意义。
4支护技术及监测分析
4.1开挖方法
为确保黄土隧道在开挖过程中围岩的稳定性，黄土隧道开挖采用中隔壁法（CD法）施工，CD法适用于软弱围岩黄土隧道施工项目，其施工步
4结论与展望
针对国内土地治理工程中，耕地质量提升缺乏侧重性的问题，本次研究通过参考国内已有土地治理项目指标体系，建立适合我国土地治理中耕地质量评价体系，从而提高在土地治理项目中关于耕地质量精准性，提高工程效益。但是在实际应用过程中，需要针对地区的区域性特点，有针对性提出相应质量评定要素，并运用指标体系计算制定相应质量提升治理方案。本次研究充分参考已有指标体系，对土地治理中耕地指标进行量化，便于设立工程目标，提高土地治理精准性，因此本次研究具有一定可行性。
参考文献：
[1]The impact of urban expansion on agricultural land use intensity in China[J] . Li Jiang,Xiangzheng Deng,Karen C. Seto. Land Use Policy . 2013.
[2]Concentration and characteristics of dissolved carbon in the Sanjiang Plain influenced by long-term land reclamation from marsh[J] . Y.D. Guo,Y.Z. Lu,Y.Y. Song,Z.M. Wan,A.X. Hou. Science of the Total Environment . 2014.
[3]转型期中国农村土地综合整治重点领域与基本方向[J].冯应斌,杨庆媛.农业工程学报. 2014(01).
[4]水利技术标准体系问题及对策研究[J].齐莹.中国水利水电科学研究院学报. 2013(04).
骤主要为先分部开挖隧道一侧，再施做中隔壁，最后分部开挖另一侧，采用新奥法进行开挖支护设计施工。
4.2支护方法
本隧道中SVb型复合式衬砌初期支护采用R25中空注浆锚杆，L=3.5m，环向间距1m，纵向间距1m。杆体为中空厚壁全螺纹杆体，内径15mm，外径27mm，长4m。在隧道作业平台上采用孔径40mm的风钻一次钻孔到设计深度。在锚杆达到规定位置时再安装垫板与螺母，锚固端头后施加预应力，再紧固垫板螺母。采用压浆泵一次进行压浆至灌注饱满。
钢筋网按设计要求与锚杆焊接连接，并尽量多地接触性连接。在开挖后应尽量修整轮廓面应消除力集中现象，并使得钢筋网铺设平顺。V级围岩初期支护挂双层钢筋网（直径6mm、网眼20×20cm），钢筋网与岩面紧密接触，钢筋网搭接长度不小1-2个网孔，并喷射一定厚度的混凝土做钢筋网保护层。
4.3钢架安装
钢架在隧道施工现场的工作台上采用冷弯机弯曲成型，并加工焊接而成。钢架安装误差与隧道轮廓的距离应小于3cm。钢拱架由I20a工字钢（A3钢板）组成，段与段之间采用4个22高强螺栓连接，螺栓横纵间距140mm，220长边方向螺栓孔中心距边为40mm，200短边方向螺栓孔中心距边为30mm。20工字钢焊接在220×200×10mm钢板上，纵向插入?22连接钢筋，支撑采用双面焊接，焊接厚度不小于4mm。
钢拱架在隧道开挖后达到一定应力释放率时进行安装，钢架在初喷后安装，钢拱架与岩面保持约4cm的距离以施作混凝土保护层，若钢架和围岩距离较大需垫块稳固钢拱架。钢拱架用?22钢筋相连，环向间距1m布设。为确定拱脚刚度满足要求，需对拱脚基础进行硬化，并用4根L=300mmφ42×4mm锁脚锚管固定，紧贴钢拱架两侧竖直角以30-45°打入岩面，并用?22圆钢包裹且紧贴型钢拱架翼缘焊接固定为一个整体。拱架放置于隧道垂直中线，偏差<5cm，倾斜度<2°。拱脚的基础需满足刚度要求，当标高不满足设计要求时应采用钢垫板或方木予以纠正，而不能采用填土的方式处治。
4.4拱架应力监测
为分析支护技术的支护效果，在该膨胀性黄土隧道选取两个监测断面，分别监测钢拱架与钢格栅的应变，评价其支护效果。
图4 拱脚架拱顶截面处应力变化曲线
结论
经检测数据表明，采用该支护体系可确保膨胀性黄土隧道围岩结构的稳定性。
参考文献
[1]曾仲毅. 降雨入渗下膨胀性黄土隧道围岩力学特性及稳定性分析[D]. 山东大学, 2014.
[2]俞文生, 刘蕙婷, 晏勤,等. 降雨条件下膨胀性黄土隧道支护结构破坏特征[J]. 铁道建筑, 2016(8):86-88.
[3]于新军. 膨胀性黄土隧道大变形控制技术研究[J]. 土工基础, 2013(6):34-37.
[4]曾仲毅, 春军伟. 浅埋偏压膨胀土隧道大管棚预加固效果分析[J]. 交通科技, 2015(1):107-110.
论文作者:牛治明1,2,毕鹏飞1,2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/3
标签：隧道论文; 围岩论文; 黄土论文; 塑性论文; 应力论文; 曲线论文; 钢架论文; 《防护工程》2018年第28期论文;