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【摘 要】 由于我国地质条件复杂，在隧道工程施工中经常会遭遇到各种特殊地质条件的施工，黄土地质隧道施工就是其中极具代表性的一种。本文结合山西省新建兴保铁路郑家塔隧道工程为例，对围岩变形特性进行了探讨，对有效控制隧道围岩变形，保证隧道工程施工质量具有非常重要的意义。
【关键词】 大断面；浅埋；隧道；围岩变形
该隧道工程为货运专线，具有大断面浅埋黄土隧道工程的特性，在隧道开挖后极易造成变形与塌陷。本工程采用三台阶七步开挖法施工，对施工现场的围岩变形情况进行监测，分析其变形规律，对于指导同类工程施工具有一定的借鉴意义。
1.现场测试与结果分析
1.1测试方案
该隧道工程采用三台阶七步开挖法施工，隧道测试断面的选择充分考虑了隧道埋深、节理裂隙发育程度及施工情况等因素，共布置4个断面，本文选取DK0+059断面实测数据进行分析。其测试内容包括地表沉降、拱顶下沉、洞周水平收敛和围岩内部位移。
地表沉降采用精密水准仪量测，拱顶下沉采用精密水准仪和钢挂尺量测，洞周水平收敛采用收敛计、隧道激光断面仪和全站仪量测，围岩内部位移采用杆式多点位移計量测。测点在距开挖轮廓面1.5 m、3.0 m、4.5 m处布设，其监测频率为每天一次。
1.2地表沉降、洞周位移实测结果及分析拱顶下沉与洞周水平收敛是隧道围岩应力变化最直观的反映，能为围岩稳定性判定提供可靠直接的信息，且地表变形对于地面既有构筑物的影响不容忽视。
（1）隧道拱顶与地表总沉降值分别为22.5mm和5.98 mm，两者变形规律一致，各台阶开挖时两者沉降速率均较大，尤其是下台阶开挖时，两者沉降速率达1.73 mm/d和0.75 mm/d。说明围岩开挖导致的应力释放响应效应从拱顶逐渐向地表减弱。
（2）隧道上、中、下导坑水平收敛规律一致，总收敛量上导坑最大，中导坑次之，下导坑最小，且水平收敛受各台阶开挖影响较大，上中下导坑最大收敛速率分别达1.34 mm/d、1.04 mm/d和1.17mm/d，尤其是下台阶开挖时其水平收敛出现了突变。因此，下台阶开挖对洞周水平变形极为重要，开挖前应强化预支护措施，开挖后初期支护宜及时施作。
（3）仰拱浇筑前，隧道拱顶和地表沉降及洞周水平收敛占总变形比例分别为85%、80%和90%，仰拱浇筑以后，围岩变形速率明显减小，并趋于零。因此，采用三台阶七步开挖法施工过程中，仰拱封闭时机是隧道围岩变形的关键控制点，在施工中应及时封闭仰拱，使隧道受到的支护反力形成封闭系统，进一步控制围岩的变形，考虑到施工作业要求，其仰拱浇筑与开挖步的距离宜控制在20 m左右，并加强监测和防治措施。
1.3围岩内部位移实测结果及分析
隧道围岩内部位移大小与隧道地质条件、施工工法和支护措施等密切相关。因此，围岩内部位移可评判三台阶七步开挖法在大断面浅埋黄土隧道施工中的适用性及施工控制效果。
（1）隧道各部位围岩内部位移与径向距离成反比且沿径向基本上经历了“急剧变化→缓慢变化”的过程，尤其是在拱顶。距开挖轮廓4.5 m处，围岩位移量仍较大，约为1.5 m处的24%～50%，由此推测围岩的松动圈为6 m左右；
（2）隧道围岩内部位移在拱脚部位相对较小，但其位移值沿径向衰减速率较慢，得出该部位稳定性较差、强度最低，需重点控制其围岩内部为宜，并提高支护强度。
（3）隧道拱顶内部位移量远大于其他部位，这与拱顶下沉大于洞周水平收敛的规律相吻合，即在不埋设围岩内部位移测点的情况下，可以运用拱顶下沉和洞周水平收敛来推测隧道不同部位围岩内部位移的情况。
2围岩变形特性的数值模拟分析
2.1计算模型
采用Midas/GTS软件对隧道施工过程进行了三维有限元数值模拟，计算模型只考虑隧道一定范围内的土体特性，在计算过程中对实际工程进行相应简化，将围岩视为连续、均质、各向同性介质，仅考虑围岩自重。为减小有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围在各个方向上均取不小于两倍的洞跨，其中在水平方向隧道左右两侧各取两倍洞跨，在竖直方向上按实际地形选取，边界条件除上表面自由外，其他各面均为简支约束。隧道为五心圆仰拱曲墙，宽取15.20 m，高12.98 m。结合隧道工程地层，选取与实测相应断面进行数值分析，计算时围岩采用实体单元进行模拟。
2.2计算结果及分析
2.2.1拱顶下沉分析
隧道围岩拱顶下沉随着掌子面的推进先增加后稳定，从1～9施工步沉降速率基本不变，保持在3 mm/d左右，到第12步达到稳定，在施工模拟中第12步即封闭仰拱，这与实测变形规律一致。数值计算拱顶总沉降为26.20 mm，比实测值大3.7 mm，推测原因为在模拟计算时钢拱架和钢筋网支护参数的换算而导致。
2.2.2围岩竖向位移场分析
选取计算结果中隧道纵向位置为0 m处的横断面，在距离掌子面20 m时的位移等值线进行分析。图6中负值表示位移向下，正值表示位移向上。根据围岩位移竖向等值线分析可知：围岩竖向位移等值线分布沿隧道轮廓线径向由密到疏，可知不同深度处围岩竖向位移衰减较快，最大位移在拱顶处为27.1 mm，其位移值向地表衰减的速率逐渐降低，仰拱处和拱顶发展规律一致，整个围岩的变形由拱顶和仰拱向两侧发散，其拱顶处位移值略大于实测值，而拱腰处小于实测值，这是由于计算中设置的围岩应力释放系数与隧道实际开挖的差异导致。
3结论
通过对大断面浅埋黄土隧道采用三台阶七步开挖法施工过程中围岩变形现场测试、数值模拟及理论解析，可得出以下几点结论：
（1）大断面浅埋黄土隧道采用三台阶七步开挖法施工过程中围岩变形随上、中、下台阶的开挖变化较大；仰拱浇筑前，拱顶和地表沉降及洞周水平收敛占总变形比例分别为85%、80%和90%，仰拱施作完成后变形基本稳定，说明在隧道施工中仰拱应及时封闭，仰拱的封闭是控制围岩变形的关键点，有利于开挖后整个围岩变形的稳定。
（2）围岩内部位移越靠近开挖轮廓线越大，越远越小，沿径向基本上经历了“急剧变化→缓慢变化”的过程，距开挖轮廓线4.5 m处约为1.5 m处的24%～50%。拱脚位移值沿径向变化较慢，位移值为0处距开挖轮廓线较远，这一部位应该是稳定性最差、强度最低，应加强支护和控制围岩变形的重点部位，数值计算结果中围岩塑性区主要集中在沿拱脚45°的方向，且范围较大约为6 m，与实测结果相吻合。
参考文献：
[1]王明年，郭军，罗禄森，等.高速铁路大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究[J].岩土力学，2010（4）.
[2]霍润科，王艳波，宋战平，等.黄土隧道初期支护性能分析[J].岩土力学，2009（增2）.
[4]扈世民，张顶立，郭婷，等.大断面黄土隧道变形特征分析[J].铁道学报，2012（8）.
[6]王洪峰，钟祖良.超浅埋大偏压分离式黄土隧道大变形灾害及治理[J].地下空间与工程学报，2012（增2）.
[7]陈建勋，王梦恕，轩俊杰，等.两车道公路黄土隧道变形规律[J].交通运输工程学报，2012，12（3）：9-18.
【关键词】 大断面；浅埋；隧道；围岩变形
该隧道工程为货运专线，具有大断面浅埋黄土隧道工程的特性，在隧道开挖后极易造成变形与塌陷。本工程采用三台阶七步开挖法施工，对施工现场的围岩变形情况进行监测，分析其变形规律，对于指导同类工程施工具有一定的借鉴意义。
1.现场测试与结果分析
1.1测试方案
该隧道工程采用三台阶七步开挖法施工，隧道测试断面的选择充分考虑了隧道埋深、节理裂隙发育程度及施工情况等因素，共布置4个断面，本文选取DK0+059断面实测数据进行分析。其测试内容包括地表沉降、拱顶下沉、洞周水平收敛和围岩内部位移。
地表沉降采用精密水准仪量测，拱顶下沉采用精密水准仪和钢挂尺量测，洞周水平收敛采用收敛计、隧道激光断面仪和全站仪量测，围岩内部位移采用杆式多点位移計量测。测点在距开挖轮廓面1.5 m、3.0 m、4.5 m处布设，其监测频率为每天一次。
1.2地表沉降、洞周位移实测结果及分析拱顶下沉与洞周水平收敛是隧道围岩应力变化最直观的反映，能为围岩稳定性判定提供可靠直接的信息，且地表变形对于地面既有构筑物的影响不容忽视。
（1）隧道拱顶与地表总沉降值分别为22.5mm和5.98 mm，两者变形规律一致，各台阶开挖时两者沉降速率均较大，尤其是下台阶开挖时，两者沉降速率达1.73 mm/d和0.75 mm/d。说明围岩开挖导致的应力释放响应效应从拱顶逐渐向地表减弱。
（2）隧道上、中、下导坑水平收敛规律一致，总收敛量上导坑最大，中导坑次之，下导坑最小，且水平收敛受各台阶开挖影响较大，上中下导坑最大收敛速率分别达1.34 mm/d、1.04 mm/d和1.17mm/d，尤其是下台阶开挖时其水平收敛出现了突变。因此，下台阶开挖对洞周水平变形极为重要，开挖前应强化预支护措施，开挖后初期支护宜及时施作。
（3）仰拱浇筑前，隧道拱顶和地表沉降及洞周水平收敛占总变形比例分别为85%、80%和90%，仰拱浇筑以后，围岩变形速率明显减小，并趋于零。因此，采用三台阶七步开挖法施工过程中，仰拱封闭时机是隧道围岩变形的关键控制点，在施工中应及时封闭仰拱，使隧道受到的支护反力形成封闭系统，进一步控制围岩的变形，考虑到施工作业要求，其仰拱浇筑与开挖步的距离宜控制在20 m左右，并加强监测和防治措施。
1.3围岩内部位移实测结果及分析
隧道围岩内部位移大小与隧道地质条件、施工工法和支护措施等密切相关。因此，围岩内部位移可评判三台阶七步开挖法在大断面浅埋黄土隧道施工中的适用性及施工控制效果。
（1）隧道各部位围岩内部位移与径向距离成反比且沿径向基本上经历了“急剧变化→缓慢变化”的过程，尤其是在拱顶。距开挖轮廓4.5 m处，围岩位移量仍较大，约为1.5 m处的24%～50%，由此推测围岩的松动圈为6 m左右；
（2）隧道围岩内部位移在拱脚部位相对较小，但其位移值沿径向衰减速率较慢，得出该部位稳定性较差、强度最低，需重点控制其围岩内部为宜，并提高支护强度。
（3）隧道拱顶内部位移量远大于其他部位，这与拱顶下沉大于洞周水平收敛的规律相吻合，即在不埋设围岩内部位移测点的情况下，可以运用拱顶下沉和洞周水平收敛来推测隧道不同部位围岩内部位移的情况。
2围岩变形特性的数值模拟分析
2.1计算模型
采用Midas/GTS软件对隧道施工过程进行了三维有限元数值模拟，计算模型只考虑隧道一定范围内的土体特性，在计算过程中对实际工程进行相应简化，将围岩视为连续、均质、各向同性介质，仅考虑围岩自重。为减小有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围在各个方向上均取不小于两倍的洞跨，其中在水平方向隧道左右两侧各取两倍洞跨，在竖直方向上按实际地形选取，边界条件除上表面自由外，其他各面均为简支约束。隧道为五心圆仰拱曲墙，宽取15.20 m，高12.98 m。结合隧道工程地层，选取与实测相应断面进行数值分析，计算时围岩采用实体单元进行模拟。
2.2计算结果及分析
2.2.1拱顶下沉分析
隧道围岩拱顶下沉随着掌子面的推进先增加后稳定，从1～9施工步沉降速率基本不变，保持在3 mm/d左右，到第12步达到稳定，在施工模拟中第12步即封闭仰拱，这与实测变形规律一致。数值计算拱顶总沉降为26.20 mm，比实测值大3.7 mm，推测原因为在模拟计算时钢拱架和钢筋网支护参数的换算而导致。
2.2.2围岩竖向位移场分析
选取计算结果中隧道纵向位置为0 m处的横断面，在距离掌子面20 m时的位移等值线进行分析。图6中负值表示位移向下，正值表示位移向上。根据围岩位移竖向等值线分析可知：围岩竖向位移等值线分布沿隧道轮廓线径向由密到疏，可知不同深度处围岩竖向位移衰减较快，最大位移在拱顶处为27.1 mm，其位移值向地表衰减的速率逐渐降低，仰拱处和拱顶发展规律一致，整个围岩的变形由拱顶和仰拱向两侧发散，其拱顶处位移值略大于实测值，而拱腰处小于实测值，这是由于计算中设置的围岩应力释放系数与隧道实际开挖的差异导致。
3结论
通过对大断面浅埋黄土隧道采用三台阶七步开挖法施工过程中围岩变形现场测试、数值模拟及理论解析，可得出以下几点结论：
（1）大断面浅埋黄土隧道采用三台阶七步开挖法施工过程中围岩变形随上、中、下台阶的开挖变化较大；仰拱浇筑前，拱顶和地表沉降及洞周水平收敛占总变形比例分别为85%、80%和90%，仰拱施作完成后变形基本稳定，说明在隧道施工中仰拱应及时封闭，仰拱的封闭是控制围岩变形的关键点，有利于开挖后整个围岩变形的稳定。
（2）围岩内部位移越靠近开挖轮廓线越大，越远越小，沿径向基本上经历了“急剧变化→缓慢变化”的过程，距开挖轮廓线4.5 m处约为1.5 m处的24%～50%。拱脚位移值沿径向变化较慢，位移值为0处距开挖轮廓线较远，这一部位应该是稳定性最差、强度最低，应加强支护和控制围岩变形的重点部位，数值计算结果中围岩塑性区主要集中在沿拱脚45°的方向，且范围较大约为6 m，与实测结果相吻合。
参考文献：
[1]王明年，郭军，罗禄森，等.高速铁路大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究[J].岩土力学，2010（4）.
[2]霍润科，王艳波，宋战平，等.黄土隧道初期支护性能分析[J].岩土力学，2009（增2）.
[4]扈世民，张顶立，郭婷，等.大断面黄土隧道变形特征分析[J].铁道学报，2012（8）.
[6]王洪峰，钟祖良.超浅埋大偏压分离式黄土隧道大变形灾害及治理[J].地下空间与工程学报，2012（增2）.
[7]陈建勋，王梦恕，轩俊杰，等.两车道公路黄土隧道变形规律[J].交通运输工程学报，2012，12（3）：9-18.