不同埋深对富水黄土地层隧道开挖破坏的有限元分析
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摘 要：目前高速铁路建设在富水黄土层隧道开挖问题，没有形成黄土特性的完整设计方法。本文采用有限元法对不同埋深情况下的黄土隧道围岩发展进行对比分析，以得出黄土隧道埋深对围岩变形的影响。对实践的中黄土隧道开挖问题有着重要意义。
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.21.117
0 前言
高速铁路已开始建设在黄土地区建设，在富水黄土地层会产生隧道顶部的浸水塌方问题，塌方是隧道和地下工程施工中最为常见的工程事故，其相应的塌方事故处理方案也已经为往后的建设积累了相应的丰富经验，但对黄土隧道的研究还不尽完善，还不能彻底的避免工程事故的发生，所以还需要做进一步的研究。
1 数值模型的确定
根据宝兰专线工程状况，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，富水区位置为隧道纵向50m处，埋深分别为10m、20m、30m，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，土体模拟参数见下表：
2 隧道围岩塑性区域分析
由上述对比可以看出，在含水率恒定地层中，黄土隧道在开挖至50m时，随着埋深的增加，围岩的扰动范围增加，导致围岩的稳定性降低。富水地层黄土隧道开挖围岩影响范围较含水率恒定底层大，针对埋深增加的情况，影响区域也在逐渐扩大。由此可得，黄土隧道开挖时稳定性受水和埋深的影响。
3 隧道围岩沉降对比分析
由上述位移发展云图对比可以得出，黄土隧道在开挖过程中受上层覆土埋深的影响，随着埋深的增大，拱顶沉降量越来越大。由上述图5-4位移发展云图对比可以得出，含水量恒定地层，黄土隧道在开挖过程中受上层覆土埋深的影响，随着埋深的增大，拱顶沉降量越来越大，埋深较浅时，隧道拱顶上方形成竖直的塌落区域，埋深为20m时，隧道顶部的塌落区域更加明显，一直延伸到地面，埋深为30m时，在接近地面时，塌落区域的范围逐渐减小，底部的回弹的变形也会随着埋深的增加而增大。显然易见，同一埋深下，饱和地层的隧道拱顶的沉降较含水量恒定地层较大。
4 黄土隧道涌水灾害计算成果分析
根据不同含水量下黄土物理力学参数，通过数值模拟深浅埋隧道开挖的全过程，基于对黄土隧道开挖过程进行有限差分软件分析结果可知，黄土隧道开挖过程对围岩的影响较饱和扰动黄土隧道开挖过程中围岩影响小得多，黄土的强垂直节理发育，导致其湿陷性极强，在水的作用下承载能力极速减小，甚至消失。
黄土的垂直节理较发育，有一定的自稳性，而黄土隧道在施工过程中发生的塌方是突发性的，并且难以预见，在浅埋及富水阶段更易发生。对于黄土隧道在水作用下发生的涌水塌方情况的处理方法遵循“小塌方，先支后清”“大塌方，先棚后穿”“治塌先治水”的原则。由于黄土隧道的塌方，在后期塌方情况未知的条件下，若先进性清方处理则会导致围岩的继续失稳，所以对于小塌方可以先支护，再进行清方，对于大塌方，用注浆加固需要时间较长，故应对其采用超前管棚和超前小导管进行支护，其工序遵循“预加固，管超前，小断面，短开挖，强支护，早成环，快封闭，勤量测”的原则。
5 结语
本文针对不同埋深条件下富水黄土地层隧道在开挖过程中产生的破坏进行分析，对有水存在下的黄土隧道计算成果进行分析，并提出合理的解决方案，作出合理的处理措施。
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