黄土地层条件下隧道衬砌结构受力变形分析

摘要：针对黄土隧道建设过程中黄土地基湿陷引起的衬砌结构病害，以某实际工程为依托，结合现场模型试验，对不同地层条件下隧道结构的受力变形进行研究。试验结果表明：在天然黄土地层上，隧道浸水湿陷使衬砌结构发生不均匀沉降，且仰拱中心处的变形最大，从而导致衬砌开裂，经三七灰土处理后，隧道基底承载力得到显著提高，有效缓解了仰拱的不均匀变形，使隧道衬砌的受力变形得到了明显的改善，从而保证隧道的安全运营。试验结果以期为黄土湿陷性地区的隧道建设提供一定的参考与指导。

关键词：黄土隧道;浸水湿陷;现场模型试验;隧道受力变形;

基金：国家自然基金地区科学基金资助项目，项目编号51768041;国家自然科学基金，项目编号51968041;交通运输部重点清单项目，项目编号2019-MS2-048;

在黄土地层修建隧道，由于黄土具有土质较为疏松，垂直节理发育，孔隙率大，水敏性强等特殊性质[1,2,3],隧道衬砌结构往往因地层湿陷会出现很多病害。而引起黄土隧道衬砌结构病害的主要原因是黄土地层强度不足，导致衬砌结构发生不均匀沉降，从而导致仰拱底鼓、衬砌开裂等病害，严重威胁隧道的安全运营。所以控制隧道基底变形对于黄土隧道的建设具有重要意义。

针对上述存在的问题，众多学者进行了大量的研究。邵生俊等[4]通过对湿陷性黄土地层隧道修建和运营过程中的工程特性进行研究，发现黄土地层隧道由于具有特殊的湿陷性黄土围岩，可能遭受浸水作用下地基湿陷变形的附加作用而导致结构破坏。王永刚等[5]以兰州地区大断面湿陷性黄土地层隧道为工程依托，研究了黄土地层隧道的病害机理与基底加固措施，发现在黄土增湿作用下，隧道不均匀沉降容易导致墙脚下沉、仰拱及填充层底鼓变形开裂。故采用旋喷桩对基底进行加固处理，从而控制隧道不均匀沉降，确保隧道运营安全。李骏等[7]通过大面积试坑浸水试验，研究了黄土地层隧道的湿陷变形规律及对衬砌结构的作用，试验表明水分入渗会增大隧道围岩压力与基底的压缩应力，并引发拱脚下沉，从而导致不均匀沉降使隧道仰拱开裂，形成纵向裂缝。翁效林等[8]通过浸水条件下黄土地层隧道离心模型试验发现，黄土浸水湿陷变形会导致隧道结构处于不利的受力和变形状态，在附加应力逐渐增大的过程中，隧道衬砌结构将会发生破坏。张玉伟等[9]以黄土地层地铁隧道为工程依托，通过搅拌桩加固隧道基底模型试验，对不同桩间距和长度对隧道基底加固效果进行评价，并提出了“宁长勿密”的原则。薛振年等[10]通过数值模拟的方法，研究了旋喷桩加固黄土地层隧道基底的效果，并得出了旋喷桩能够提高地基承载能力、防止仰拱开裂破坏的结论。李又云等[11]采用室内模型试验与数值模拟相结合的方式，研究了旋喷桩加固黄土地层隧道基底对隧道结构受力变形特征的影响，并对加固时机的选择进行了分析。

通过文献调研分析，对于黄土地层隧道基底湿陷变形造成的隧道不均匀沉降及引发的衬砌结构病害问题，其处理措施一般可分为3类：

(1)在隧道选址时，应尽量远离天然或人工水源，或有效地截排水流[12];

(2)设计施工中应加强仰拱刚度以抗衡湿陷变形造成的隧道不均匀沉降的发展；

(3)通过地基处理的方法对隧道基底进行加固处理，从而有效减小地基的湿陷变形。

以上学者对于黄土地层隧道基底加固的研究主要集中于桩基础，而采用改良黄土的方法来加固隧道基底的研究较少。基于此，本文通过三七灰土对隧道基底进行加固处理，并对地基处理前后隧道衬砌结构的受力变形进行研究，以期为同类工程提供理论依据与现场指导。

以某隧道工程为依托，根据实体隧道衬砌结构图，按照相似理论制作1∶5隧道模型。模型宽244cm,高209cm,初期支护及二次衬砌均采用C20混凝土。隧道模型见图1。

图1隧道模型示意下载原图

模型试验采用砂袋堆载的方式进行加载，以0.5t为单位荷载进行逐级加载，加到5.0t为止。在加载过程中，采用JMZX-3001综合测试仪进行数据采集，在数据稳定后进行下一级加载。

在隧道洞周共布置10个监测点，分别监测围岩压应力与衬砌应变。测试仪器及监测点布置见图2。

图2测试仪器及监测点布置下载原图

本次模型试验分为2组：一组为天然黄土地基；一组为三七灰土处理过的地基。在试验前，对原位黄土的物理力学参数通过室内试验进行测定，结果见表1。现场模型试验步骤见图3。

表1黄土物理力学参数导出到EXCEL

密度ρg/cm3密度ρg/cm3

黏聚力CkPa黏聚力CkΡa

内摩擦角φ(°)内摩擦角φ(°)

含水率ω%含水率ω%

土粒比重
Gs

液限ωl%液限ωl%

塑限ωp%塑限ωp%

液性指数

塑性
指数

单轴抗压强度qukPa单轴抗压强度qukΡa

1.77

58.71

28.43

14.12

2.74

32.09

17.58

-0.21

14.51

134

三七灰土施工工艺：

(1)隧道基底换填采用三七灰土，其消石灰与土料的体积配合比为3∶7;

(2)应选用新鲜的消石灰，其最大粒径≤5mm,有效CaO+MgO含量≥60%;

(3)土料选用粉质黏土，有机质含量≤5%,土料应过筛，最大粒径≤15mm,土料含水量应控制在最优含水量±2%范围内；

(4)灰土拌和均匀后，以手握能成团、轻轻一捏即散为原则，且应拌和当天铺填夯压。

三七灰土自下而上进行分层回填、夯实。其目的是：消除地基的部分湿陷量；降低地基的压缩性，提高承载力。结合《建筑地基基础设计规范》[13]与《湿陷性黄土地区建筑规范》[14]等的相关规定，2号隧道三七灰土地基厚度为1m,垫层宽出基础底边缘不小于2.0m,即地基处理范围为4.88m(横向)×8m(纵向)。三七灰土实测压实系数≥0.95,处理后地基承载力≥150kPa,见图4。

图3现场试验步骤下载原图

图4隧道地基下载原图

在试验前，在隧道洞周埋设土压力盒，且在洞内壁粘贴应变片，以准确监测隧道在加载过程中的受力与变形，并对基底处理前后的监测数据进行对比分析。

通过对监测数据进行处理，得到图5隧道衬砌应变随荷载变化的曲线，由图5(a)可以看出，在逐级加载过程中，隧道上半部分衬砌应力基本无变化，但是对仰拱作用较为显著，最大拉应变位于仰拱中部，达到了2428.2με。而其他位置的应变都较小，这是由于黄土在注水过程中发生湿陷变形造成的，导致隧道基底发生不均匀沉降，同时说明仰拱是隧道衬砌最薄弱的位置，在隧道施工与设计中应注意加强仰拱的强度与刚度。由图5(b)可以看出，隧道衬砌应变在-1000～1000με之间，仰拱中心应变为-331.1με,说明三七灰土能够有效改善黄土的湿陷性，其作用机理是通过加固隧道基底来提高地基承载力，以此来控制不均匀沉降，从而对衬砌变形产生有利影响。

模型加载结束后，将基底处理前后的隧道衬砌应变绘于图5(c),由图5(c)可以看出，右拱肩应变大于左拱肩，而不是对称分布，这说明隧道存在偏压现象，这与隧道模型两侧回填土过程和加载过程误差有关。基底处理前，1号隧道左拱肩出现负应变，右拱肩出现正应变且差值远远大于左拱肩。经过三七灰土处理后，仰拱处的变形显著减小，说明通过加固隧道基底来控制隧道围岩变形是可行的。

在隧道开挖完成后，隧道与围岩将形成一个受力体系，共同承担围岩荷载，其破坏的本质是在结构强度与外力相互“较量”的过程中，当外力大于结构强度时，衬砌结构将出现破坏，故一般通过其衬砌应力对隧道安全性进行评价，根据材料力学公式[15]进行计算，见式(1):

σ=Eε(1)

式中：σ为衬砌应力；E为衬砌的弹性模量；ε为衬砌应变。

图6表示试验加载结束后，1号与2号隧道衬砌应力分布，由图6(a)可以看出，左拱脚衬砌受拉，右拱脚受压，且仰拱中心处的拉应力最大，达到了7.984MPa,这是由于隧道基底承载力不足导致仰拱中部出现了应力集中。在经过地基处理后，由图6(b)可以看出，隧道衬砌受力较均匀，且仰拱中心处应力为-0.341MPa,较1号隧道有了大幅的减小，各个位置的应力均未超过混凝土的极限强度，说明三七灰土地基改善了仰拱受力状态，使基底围岩压力和隧道结构自重进行重分布，从而避免了局部应力集中导致的衬砌过早拉裂破坏，保证隧道安全运营。

图5隧道衬砌应变下载原图

图6隧道衬砌应力分布下载原图

从上述分析可知，三七灰土处理隧道基底能够大大提高地基承载力，从而改变仰拱结构受力状态。在不断加载工况下，能够将结构自重和基底反力的竖向分力分解至拱圈范围内，避免了因黄土地基承载力不足导致的局部应力集中，从而延迟了极限荷载下隧道衬砌最不利点的破坏。

围岩压力作用模式和时空演化规律是隧道围岩与支护结构设计的核心内容[16],其反映隧道开挖后因支护结构抑制围岩变形而受到的围岩荷载[17],故在加载过程中对围岩应力变化进行监测分析。

图7为加载结束后隧道围岩应力分布，由图7(a)可以看出，1号隧道围岩压应力在62～111kPa之间，在边墙处最大，达到了111kPa之间；由图7(b)可以看出，2号隧道围岩压应力在50～96kPa之间。且在边墙位置最大，仰拱位置地基处理后围岩压应力得到有效降低，说明三七灰土能够提高地基承载力，缓解隧道仰拱各位置的不均匀变形，从而防止仰拱开裂破坏。

图7隧道围岩压应力分布下载原图

本文通过现场模型试验，对天然黄土地基与三七灰土加固地基后的围岩压应力与衬砌应力应变进行了对比分析，得到主要结论如下。

(1)在天然黄土地基上，隧道最大应变出现在仰拱位置，且表现为拉应变，而经三七灰土处理后，隧道衬砌应变得到了明显地改善，说明三七灰土对于改善隧道受力变形具有显著作用。

(2)通过材料力学计算公式，得到衬砌结构的应力分布图，且仰拱中心处的拉应力最大，这是由于隧道基底承载力不足导致仰拱中部出现应力集中造成的，故在隧道施工中应进行地基处理或加强仰拱结构的强度。

(3)黄土隧道基底加固后，地基承载力显著提高，隧道基底围岩压应力明显减小，改善了仰拱结构的受力状态，从而提高了隧道稳定性。

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