马禧祥
甘肃铁科建设工程咨询有限公司 甘肃兰州 730000
摘要：随着我国经济巨大的发展，我国在基础设施建设方面的投资占比越来越大，特别是高速铁路的建设，目前已经建设了极大数量的铁路隧道，但是值得注意的是，黄土隧道特殊的自然环境和土壤状况对于高速铁路的建设有着极大的影响，若是不能够根据实际情况对黄土隧道进行分析研究，会给施工带来极大的安全风险，因此对高速铁路黄土隧道支护受力特性上分析显得尤为必要，本文也将就高速铁路黄土隧道初期支护受力特性进行研究。
关键词：高速铁路；黄土隧道；支护受力特性
引言：目前我国在高速铁路黄土隧道的支护设计上主要依靠工程类比或有限的工程经验进行对照设计，而作用在二次衬砌上的荷载由于没有较为准确的计算方式，只能依靠开挖方位内松动塌落的岩体重量进行计算，虽然这种设计理念能够保证后续工程设计的正常进行，但依然存在着不小的漏洞，对于初期支护承载能力的低估很有可能导致施工中安全风险的增加，因此需要改变思路，在进行隧道初期支护的工作中，通过对围岩自承能力的调动，保证初期支护能够支撑洞室的稳定性。
一、工程概况
上阁村隧道是银西铁路控制性工程，是代表性的黄土隧道，该隧道大地构造单位属中朝准地台的陕甘宁坳，该区以深厚的黄土覆盖，下伏第三系红黏土，白垩系为基底岩层，产状水平为主，褶皱和断裂不发育。穿越段洞身主要地层以第四系上更新统风积黏质黄土为主，垂直节理发育，直立性强，具湿陷性，围岩级别均为IV、V级围岩，软弱围岩，开挖施工方法为三台阶临时仰拱、三台阶预留核心土法和CRD法。隧道中部基底处于软塑性黄土中，地基承载力不足，洞内开挖时还需对基底进行钢管桩灌注混凝土进行加固处理。
1.黄土在物理力学上有着较多特殊的性质，黄土的深度和孔隙比、压缩性和湿陷性成反比，尤其是在地质年代较为久远的黄土中，较高的固结度导致了此类黄土的压缩性多为中等偏低或较低，而较晚才形成的黄土在压缩性上多为中等或偏高，黄土颗粒分布和含水量的变化也会黄土额度压缩性造成一定的影响，在抗压缩性较高的情况下黏粒含量较高和含水率较低是两个极为重要的指标。
2.此外，黄土的湿陷性也是需要考虑的重要因素，黄土中本身就含有大量的亲水性物质，在自重压力或者外力载荷压力不变的情况下，含水率增加会产生极具显著的下沉状况，并最终产生机构性的空隙，而结构性空隙正是导致黄土湿陷性的必要条件，而在正常状态下黄土由于其渗透性多处于具有较高强度的干燥状态，一旦黄土周围的环境改变受到水的长期浸泡，黄土颗粒之间的连接便会被破坏，若是黄土中具有较高含量的砂质成分，黄土便会呈现出一定的水崩解性。
3.最后，较高的抗剪强度也是黄土的特征之一，而导致这一现象的原因在于黄土中含有大量的黏土和盐类，这两类成分使得黄土在正常环境中一直处于胶结状态，其原始内聚力的长期保持使得黄土具有较高的抗剪强度，而黄土一旦经过水浸泡，抗剪强度必然会大大下降。因此，在进行黄土隧道的初期支护工作中必须对以上黄土特性进行考虑，尤其是在结构复杂的隧道施工中，洞口段、滑坡地段、浅埋偏压地段、正洞和行年横洞交叉处是隧道安全和顺利建成的关键，而围岩不软化、不失稳坍塌和实现无水施工则是高速铁路黄土隧道施工中的难点所在[2]。
二、检测内容及方案
由于上阁村隧道所在地区主要涉及上更新统风积黏质黄土，根据工程施工状况和相应的地质特性，在支护受力结构的监测上挑选了代表性的断面，测试元件选择了钢弦式应变计，沿隧道周边拱顶、拱腰以及边墙在喷射混凝土内埋设五个传感器，在固定应力计之前需要在围岩上进行初喷，之后还需要在进行复喷，值得注意的是传感器在进行全部覆盖时需要注意让传感器居中，而测试目标主要为拱架应力和喷射混凝土应力[3]。
三、监测结果及分析
在对隧道稳定性进行评价时，主要分析隧道围岩的周边收敛和拱顶下沉变化数据，水平收敛主要是评价边墙稳定的重要指标，而拱顶位移则是判断隧道开挖的拱顶稳定性的决定性因素[1]。
1.对于喷射混凝土应力的监测的主导思想在于将围岩的作用充分发挥出来，从而减轻初期支护上的压力，通过对喷射混凝土应力的监测，便可以适时调整支护抗力和支护强度，围岩应力在相应的调整下也能进行适当的释放，从而避免松散等危险情况的出现，使得整个围岩支护体系获得较大的稳定性和安全性，在上阁村隧道的喷射混凝土应力的监测中，应力的整体分布并不均衡，而在应力时态曲线上则呈现出初期增长较快在经过短暂的下降后趋于平稳，并没有出现继续增长的态势，这说明了二次衬砌在一定程度上分担了喷射混凝土应力的荷载。
2.而在拱架应力的情况和喷射混凝土应力的情况较为类似，两者不仅在应力分布上都具有不均衡性，拱架左侧和右侧在受力上完全不相同，拱部和边墙之间的应力值也存在较大的差异，而从应力曲线的变化上来看虽然拱架内侧的应力时态曲线在初期变化幅度上比外侧较大，但是在之后的曲线中情况并未发生明显的变化，且和喷射混凝土应力的结果较为一致，因此也可以得出二次衬砌承担了一部分荷载的结论。
四、模拟分析
1.在有限元的结构分析上选取拱顶、左边墙、右边墙、左拱腰和右拱腰五个关键点，通过对最终位移的监测，发现拱部实际下沉的距离小于拱部下沉的最大值，其余的下沉距离按照左拱腰、拱顶、右拱腰的次序由大到小进行排列，这说明了左边墙和右边墙都在向隧道内部发生一定的位移，而经过分析拱顶向右的偏移量为二十三毫米，这说明了隧道在进行净空收敛的过程中也在进行整体性的偏移，偏移量和方向和拱顶保持完全一致，因此在施工设计和实际的施工过程中，需要对拱部下沉的情况进行重点监控，防止拱部下沉导致的支护受力情况改变。
2.而在喷射混凝土的应力分析上，其上拱部一直都是处于受压状态，左拱腰处则承受了最大的压应力，而喷射混凝土底部的情况则较为不同，其应力类型主要为拉应力，因此从整体情况来看，整个喷射混凝土受力较小，而喷射混凝土的极限强度为20MPa，从数值上进行对于对比初期支护中的喷射混凝土受力远未到达极限，整个工程结构依然处于安全状态。
3.最后，在锚杆轴力计算中，由于实际的锚杆在安放上采取径向安装，因此模拟分析的结果回合实际测得有一定的出入，但是影响可以忽略不计，从分析结果上来看，拱部和拱脚之间的受力差别较大，拱部的受力普遍较小，而拱脚的受力类型为拉应力，在数值上也和拱部之间拉开了差距，因此锚杆轴力虽然能够为锁脚锚杆起到一定的作用，但是从工程施工整体上来看，高速铁路黄土隧道的结构对拱部系统锚杆并没有较大的依赖性，锚杆对于整个工程结构起到的稳定性作用也没有预计得大。
总结：
综上所述，黄土隧道发生的平面偏移使得拱部沉降成为了施工中需要注意的重点，而喷射混凝土应力没有超出极限数值的数据则表明了工程整体结构的稳定性和安全性，而锚杆受力的不均衡性则说明拱部系统锚杆对于结构稳定性并没有多大的帮助，因此在进行高速铁路黄土隧道初期支护的施工中，重点是需要通过喷射混凝土、钢拱架、锁脚锚杆等设施形成初期的支护结构。
参考文献：
[1]周烨. 高速铁路黄土隧道初期支护受力特性研究[C]. 2011年基于互联网的商业管理学术会议. 0.
[2]姜久纯. 黄土隧道初期支护结构受力特性研究[J]. 矿产勘查， 2008.
[3]李磊， 陈光荣， 杨燕伟. 黄土隧道浅埋偏压段初期支护原型观测和受力特性分析[C]. 中国水力发电工程学会大坝安全监测专委会年会暨学术交流会. 0.