富水黄土地层隧道开挖破坏的有限元分析

胡建刚,董小恒,牛宝琪

（陕西地矿综合地质大队,陕西 渭南 714000）

富水黄土地层隧道开挖破坏的有限元分析

胡建刚,董小恒,牛宝琪

（陕西地矿综合地质大队,陕西 渭南 714000）

我国西北地区高速铁路建设已经开始面临着富水黄土层隧道开挖问题，虽然我国在对黄土隧道的研究已经进行了半个多世纪，但其理论研究还远远滞后于工程实践，并没有形成真正考虑黄土特性的完整设计方法。因此，本文用有限元方法对富水黄土地层隧道开挖进行分析，对实践的中隧道开挖破坏计算有着重要意义。

富水黄土地层;隧道开挖;有限元分析

0　前言

随着我国高速铁路建设工程的飞速发展，西北地区的高速铁路已逐步开始建设，在黄土地区建设高铁工程，必然要考虑黄土湿陷性问题，特别是修建穿越大型灌溉地区的黄土隧道，富水黄土地层会产生地层的不均匀沉降，隧道顶部的浸水塌方等等，所以富水黄土地层隧道施工中的问题研究具有重要的意义。

1　工程概况及数值模型

宝兰客运专线穿越了陕西省的西部以及甘肃省的东部地区，沿线地貌单元较为复杂，分别有关中盆地，陇南山与西秦岭北缘过渡带山区，天理盆地低山–丘陵区，黄土高原沟壑及黄河河谷兰州盆地区等五个地貌单元。线路全长400公里，隧道工程总计73座，隧线比高达68%，其中有特长隧道6座，长度共计74.5km，长隧道28座，长度共计145.2km，中长隧道23座，长度共计45.3km，短隧道15座，长度共计7.2km。

根据工程状况，采用有限差分软件进行数值模拟，建立尺寸为60m×100m×60m模型，隧道断面为马蹄形，宽10m，高11m，覆土深度10m，富水区位置为隧道纵向50m处，富水带土层受扰动状况下黄土的粘聚力衰减较快开挖土体模型采用莫尔库伦模型，土体模拟参数见表1：

表1　土体模拟参数表

2　隧道围岩塑区域分析

围岩塑性区判据是从岩土材料强度理论的研究发展而来的,土体某一点发生屈服时,表明土体该点由弹性状态过渡到塑性状态。塑性区的大小能反映围岩的受力情况,因而以计算出来的塑性区大小作为破坏的判据。

由图1述将黄土隧道自然黄土地层和饱和含水地层条件下的开挖过程围岩塑性区云图进行对比，在自然黄土（即含水率恒定）地层的开挖过程中，隧道围岩随着开挖进尺的推进，影响区域并没有发生较大的变化，黄土隧道开挖进尺对围岩稳定性影响较小，黄土体有较强的水敏性，随着隧道开挖进尺的推进，围岩影响范围趋于稳定，而当开挖上台阶触到50m区域（即富水区域）时，隧道影响区域迅速扩大，围岩自承能力不足，从围岩塑性区发展云图可以看出，在开挖至50m时，围岩塑性区云图变化较大，承载力降低，导致围岩可能出现病害破坏。

塑性区的大小与围岩破坏状态无严格的力学关系，黄土隧道在开挖推进过程中，地表张力以及围岩受影响区域接近一致，饱和黄土隧道在开挖过程至50m时，隧道塑性区云图围岩影响范围发生突变，地表张力增大，围岩有发生病害的趋势，说明黄土隧道主要受水的影响，在富水区域隧道围岩将发生突变。

3　隧道围岩沉降位移分析

由图3述黄土隧道开挖过程位移图的对比可得：在富水条件下隧道开挖推进至50m时，隧道拱顶沉降量突然增大，可能导致病害的发生。

由图4述对比可知，黄土隧道在开挖过程中，对隧道围岩稳定性的影响较小，而在富水区域时，拱顶沉降量会发生突变，急剧增大，会导致掌子面的涌泥塌方破坏。黄土隧道开挖过程位移图的对比可得：在恒定含水率条件下隧道开挖进尺的推进对地表沉降量的影响较小，地表沉降在可控制范围。在富水条件下隧道开挖推进至50m时，隧道拱顶沉降量突然增大，可能导致病害的发生。

4　结语

黄土地层隧道开挖的破坏方式进行分析，针对10m埋深隧道开挖过程的塑性区云图以及位移图进行对比，以确定水作用下围岩稳定性的影响以及破坏方式，从位移云图定性的分析在富水状态下拱顶的沉降量。通过比较说明黄土这种水敏性地层，在水存在的作用下，承载能力会发生突变，从而应该加强防护措施，做好监控量测。

[1]吉武军.黄土隧道工程问题调查分析[S].中铁七局集团第三工程有限公司.

[2]杨晓华,谢永利.公路隧道塌方综合处置技术[J].长安大学学报(自然科学版),2004,24(01).

[3]杨慧林.隧道病害原因分析及加固方案[J].公路,2004(08).

[4]陈亚林.隧道塌方原因与处理[J].西部探矿工程,2006(10).

[5]康军.黄土公路隧道工程[M].北京人民交通出版社,2011.

[6]李强.浅埋，富水黄土隧道塌方成因及预防对策[J].山西交通科技,2008(06):53-55.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.112