中国铁路兰州局集团有限公司 工程质量监督站 甘肃省兰州市 730000
摘要：由于黄土水敏性强，不同含水率下黄土的强度不同导致黄土隧道的自稳能力也不同，但含水率对黄土隧道自稳跨度的影响规律尚不明确，本文利用有限差分软件FLAC并采用强度折减法对不同含水率下的黄土隧道的稳定性进行了分析。结果表明：不同含水率对黄土隧道稳定性影响显著，高含水率大跨度黄土隧道应采用分部开挖保证隧道的稳定性。本文方法可为黄土隧道施工与设计提供重要的参考价值。
关键词：黄土隧道；含水率；稳定性；强度折减法
Study on Self-Stabilizing Span of Loess Tunnel under Different Moisture Content
Shinian Zhang
（China railway lanzhou bureau group co.LTD Engineering quality supervision station Lanzhou City，Gansu Provinc 730000）
Abstract：Because of the strong water sensitivity of loess，the different strength of loess under different water content leads to different self-stabilization ability of Loess tunnel，but the influence law of water content on the self-stabilization span of loess tunnel is not clear.In this paper，the stability of loess tunnel under different water content is analyzed by using finite difference software FLAC and strength reduction method.The results show that different water content has significant influence on the stability of Loess tunnel，and the large-span loess tunnel with high water content should be excavated step by step to ensure the stability of the tunnel.This method can provide important reference value for the construction and design of Loess tunnel.
Key words：Loess Tunnel；Water Content；Stability；Strength Reduction Method
0引言
隧道的稳定性一直是隧道工程中的热点问题[1-3]，我国西北地区黄土分布最为广泛，随着交通的发展出现大量的公路、铁路黄土隧道，而黄土隧道自稳能力差、施工条件复杂受到了广泛关注。
国内外学者对隧道稳定性的研究成果很多，Davis等[4]采用极限分析法研究不排水条件下浅埋隧道的稳定性，求解出浅埋隧道开挖面稳定性的上下限解；吴建宾[5]运用连续介质与非连续介质数值模拟研究了破碎偏压小净距公路隧道围岩稳定性并给出了保护隧道围岩稳定性的施工对策；周峰[6]有限差分软件FLAC3D分析了路堤荷载和地下水渗流对隧道稳定性的影响并给出了提高隧道施工过程中稳定性的措施；孙文君[7]通过数值模拟对黑山黄土隧道围岩的稳定性进行了计算分析，进而分析了隧道初期支护结构的效果。
由于黄土的水敏性强，不同含水率对黄土的强度影响显著[8-10]，而含水率对黄土隧道的稳定性及自稳跨度的影响规律尚不明确，本文将采用有限差分软件FLAC并结合强度折减法对依托工程在不同含水率下的稳定性进行分析，为黄土隧道的施工与设计提供参考。
1强度折减法理论
1.1基本原理
强度折减法是通过不断折减土体的剪切强度参数黏聚力c和内摩擦角φ达到土体的极限状态。强度折减法最初由英国学者Zienkiewicz提出[2]，采用有限元方法通过不断增加荷载或者减小强度参数来计算安全系数w，当时计算机水平还未能得到广泛推广。目前计算机技术发展迅速，已经广泛应用于岩土工程问题中，隧道围岩抗剪强度折减后：
(1)
上式中，τ、τ'为折减前后的抗剪强度；c为围岩黏聚力；φ为围岩内摩擦角；w为安全系数。
根据上面的式子可以得到折减后的黏聚力c'和内摩擦角正切值tanφ'：
(2)
(3)
1.2安全系数定义
判断隧道稳定性的判据通常有四种[11]：隧道围岩塑性区大小、洞周位移大小、有限差分静力平衡计算不收敛以及剪切安全系数。但隧道围岩塑性区大小受不同泊松比、不同计算软件、不同隧道断面形式等多种因素影响；洞周位移大小受隧道围岩的弹性模量和不同隧道形状、大小等多种因素影响；静力平衡收敛同样受到计算软件及隧道形状等因素的影响，因此最终选择剪切安全系数作为隧道围岩极限稳定状态时的判据[11]。
在计算过程中将1作为临界安全系数，安全系数大于1时隧道围岩即处于稳定状态，当安全系数小于1时隧道围岩即处于失稳状态。
2工程概况
驿马一号隧道位于甘肃省庆阳市西峰区彭原乡，行走于黄土梁塬沟壑区。地面高程1270m~1430m，相对高差约160m，南侧塬面缓平，北侧冲沟发育，多为“V”型沟，隧道西安端洞口位于庆阳西峰区彭原乡李寺村塬面，交通便利；银川端洞口位于驿马沟右岸黄土梁斜坡上。隧道起讫里程：DK254+200～DK259+006.36，全长4806.36m。隧道开挖高度为12.23m，开挖跨度为14.7m，开挖面积达到161m2，属于大断面黄土隧道。
隧道进口位于董志塬黄土塬面上，无地表水体，出口位于驿马沟，地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水。含水层主要为中更新统黄土，黄土塬地下水水位埋深约40～75m，黄土梁峁地区大于100m，冲沟地下水埋深5~20m。隧道穿越第四系中更新统黏质黄土（Q2elo3），黄土以褐黄色和棕黄色为主，厚度大于150m，隧道围岩含水率在18%~33%之间。
3数值模拟
3.1计算模型及计算参数
根据银西高铁黄土大断面隧道设计图纸按一定的比例建立跨度分别为2~16m的平面计算模型，隧道埋深为25m，3m跨度的隧道计算模型如图1所示。围岩计算参数根据李保雄[8-10]的研究成果和《黄土隧道工程》[12]进行选取，不同含水率下的围岩计算参数如表1所示。
表1 围岩计算参数
隧道围岩的本构模型采用弹-塑性模型，土体的屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，计算不同含水率下、不同跨度的隧道围岩的安全系数。
3.2计算结果分析
根据数值模拟得到的不同含水率下不同跨度的安全系数，绘制不同含水率下的黄土隧道的安全系数随不同跨度的变化曲线如图2（a）所示。
当隧道含水率不变时，黄土隧道的安全系数随着跨度的增大而不断减小，说明黄土隧道施工时开挖跨度增大将降低隧道的稳定性，当安全系数小于1时隧道处于失稳状态，安全系数大于1时的跨度为隧道的自稳跨度，根据计算结果可以得到不同含水率条件下的黄土隧道的自稳跨度如图3所示。当含水率小于10%时黄土具有结构性并且抗剪强度大，隧道的自稳跨度可以达到9m；含水率为10%~13%时，隧道的自稳跨度减小为7m；含水率为14%~22%时，黄土隧道的自稳跨度降低为5m；含水率为23%~25%时，隧道的自稳跨度只有3m；含水率大于25%时，隧道的自稳跨度降至2m。可见，随着隧道跨度的增大，隧道的自稳能力不断降低，对于高含水率大跨度黄土隧道应进行分部开挖保证隧道的稳定性。
（a）安全系数随跨度的变化规律
（b）安全系数随含水率的变化规律
图2 安全系数变化规律图
根据图2（b）所示，当隧道跨度一定时，隧道围岩的安全系数随着含水率的增大不断减小，因为含水率的增大不仅导致黄土的结构性降低还使其抗剪强度减小，从而导致隧道围岩的稳定性降低。隧道跨度大于10m时的黄土隧道在含水率10%~31%时是不能一次全断面开挖的，而跨度为2m时的黄土隧道总是能够自稳。
图3 不同含水率区间的黄土隧道自稳跨度
3.3破坏形态分析
以隧道围岩含水率为28%为例，当黄土隧道跨度为3m时，其破坏形态为隧道边墙处发生剪切破坏；当隧道跨度为4m时，在隧道拱腰两侧发生剪切破坏，且剪切破坏带大于跨度为3m时的剪切破坏带；当隧道跨度为6m时，同样在隧道拱腰两侧发生剪切破坏，且剪切破坏带继续增大；当隧道跨度为8m、10m、12m时，均在隧道两侧拱脚发生剪切破坏，且剪切破坏带随跨度增大而增大；当隧道跨度为10m时，同样在隧道两侧拱脚发生剪切破坏，但剪切破坏带大幅增大基本贯穿至地面；当隧道跨度为14m、16时，同样在隧道两侧拱脚发生剪切破坏，但剪切破坏带大幅增大基本贯穿至地面，跨度为16m的剪切破坏带明显大于跨度为14m时的剪切破坏带。现给出不同跨度下黄土隧道的破坏形态如图4所示。
（a）跨度为3m时的隧道剪切破坏形态
（b）跨度为6m时的隧道剪切破坏形态
（c）跨度为10m时的隧道剪切破坏形态
（d）跨度为16m时的隧道剪切破坏形态
图4 不同跨度下的黄土隧道剪切破坏形态图
4结论
本文考虑了黄土的水敏性，利用有限差分软件FLAC且结合强度折减法对黄土隧道在不同含水率条件下的稳定性进行了分析，得到如下结论：
（1）同一隧道跨度下，黄土隧道的稳定性随着含水率的增大而不断降低，并结合计算结果给出了不同含水率区间的黄土隧道的自稳跨度，对于高含水率大跨度黄土隧道应进行分部开挖。
（2）同一含水率条件下，黄土隧道的安全系数随着跨度的增大而降低，同时隧道的剪切破坏带也不断增大。
参考文献：
[1]陈京贤，曾德荣，王俊召，陈彬科，胡晓莉.基于应力释放率的大跨径回填土隧道的围岩稳定性研究[J].中外公路，2018，38（06）：173-177.
[2]李杰，司君岭，仲恒，赵瑞文.基于强度折减法的双孔大跨隧道围岩稳定性研究[J].土木工程学报，2017，50（S2）：198-202.
[3]王志杰，张鹏，高靖遥，杨宝.昔格达地层隧道围岩稳定性及系统锚杆功效研究[J].铁道建筑，2019，59（02）：78-80+105.
[4]Davis E H，Gunn M J，Mair R J.The stability of shallow tunnel and underground openings in cohesive material[J].Geotechnique，1980，30（4）：397-416.
[5]吴建宾.偏压小净距公路隧道围岩稳定性与对策研究[J].路基工程，2019（01）：176-179.
[6]周峰，郝忠，张英姿，魏延晓.道路荷载及地下水渗流对盾构隧道围岩稳定性影响[J].路基工程，2018（06）：189-194.
[7]孙文君，宋杨，孙文杰，路维.黑山隧道施工期黄土围岩稳定性数值模拟分析[J].公路工程，2017，42（02）：195-198+204.
[8]李保雄，牛永红，苗天德.兰州马兰黄土的物理力学特性[J].岩土力学，2007（06）：1077-1082.
[9]李保雄，牛永红，苗天德.兰州马兰黄土的水敏感性特征[J].岩土工程学报，2007（02）：294-298.
[10]李保雄，苗天德.黄土抗剪强度的水敏感性特征研究[J].岩石力学与工程学报，2006（05）：1003-1008.
[11]郑颖人，邱陈瑜，张红，王谦源.关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索[J].岩石力学与工程学报，2008（10）：1968-1980.
[12]赵勇，李国良，喻渝.黄土隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，2011.
论文作者:张世年
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/8
标签：隧道论文; 黄土论文; 跨度论文; 围岩论文; 安全系数论文; 稳定性论文; 含水率论文; 《基层建设》2019年第22期论文;