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摘要：由于黄土特殊的工程性质以及对水强烈的敏感性，在黄土隧道台阶法施工中如何掌握好隧道上台阶长度，是隧道安全、顺利竣工的保障。
关键词：黄土；隧道；封闭距离
Abstract：Because loess has the special engineering properties and a strong sensitivity of the water，so how to master the length of the top stage ensure the tunnel safely and successfully complete in the Loess tunnel construction of step method.
Key words：loess;tunnel; the length of the top stage
中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号：
1、工程概况
在建延安经志丹至吴起高速公路东山隧道左洞长4925米，右洞长4914米，属于特长黄土公路隧道，山体表面覆盖有30-40米厚的晚更新世Q3eol马兰黄土，隧道洞身处埋深较大，最大隧道埋深可达209米。由于黄土对水的敏感性，遇水后强度大幅度降低。虽然隧道在开挖后有一段时间的自稳能力，但由于黄土及隧道所处的地层的特殊性，控制好台阶长度是有效地控制围岩变形，确保隧道顺利贯通的必要条件。
2、有限差分程序FLAC3D基本假定
由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能和严格按照实际的施工步骤进行数值模拟是非常困难的。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化，在本次数值模拟中采用了以下假设:
东山隧道Q2离石黄土层较厚，隧道围岩可视为单一土体，并认为围岩材料为均质、各向同性的连续介质；
在初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响；
简化隧道施工中锚杆和超前支护的作用，采用加固圈来模拟锚杆和超前支护的效果；
围岩和加固区采用Morh-Coulomb（摩尔—库仑）模型模拟，初期支护和二次衬砌采用弹性模型模拟。
3、有限差分模型的建立及参数选定
本文主要模拟采用三维有限差分数值分析软件FLAC3D进行两台阶开挖模拟，隧道每循环开挖进尺为3.2米，数值模拟中主要分析开挖和支护前后围岩的变形情况。建立的隧道模型开挖半径为6.6米，隧道高度为10.4米，加固圈大小为4米，隧道埋深定为104米，依据数值模拟以往的经验，选取隧道左右边界为4倍隧道开挖宽度，下边界为3倍隧道高度。为了能消除纵向边界的影响，以便更好的模拟隧道洞身段的力学状态，模型在隧道轴线方向长度取为32m。
4.数值计算结果及分析
本次采用FLAC3D模拟台阶法隧道开挖，先开挖上台阶，连续循环开挖支护10次，每次进尺3.2米，之后开挖支护下台阶和仰拱。
隧道上台阶开挖
图1围岩位移随台阶长度变化曲线
通过有限差分数值模拟程序FLAC3D对不同台阶长度进行数值模拟，从上述图的围岩位移变化曲线可以看出，深埋老黄土隧道开挖时（台阶距离在25.6m内），拱顶沉降要小于拱脚的收敛，说明深埋黄土隧道围岩的侧压力系数较大。
隧道下台阶及仰拱开挖
隧道上台阶开挖32m后，然后对隧道下台阶进行第一次循环开挖模拟得到，隧道拱顶总沉降为247mm，拱脚累计收敛值为246.9mm。隧道下臺阶第二次循环开挖模拟得到，隧道拱顶总沉降为247mm，拱脚累计收敛值为246.9mm。可以看出，隧道在仰拱封闭后隧道围岩位移为零，因此可以认为在隧道封闭成环后隧道围岩就基本稳定了。跟据以往的经验及隧道监控量测数据知，隧道围岩在仰拱支护前的位移占总变形量的95%以上。在此，可以认为围岩变形量由隧道仰拱封闭前的位移组成。因此在台阶法施工中，控制好台阶长度便可以有效控制隧道围岩变形，并保证隧道施工的顺利进行。
依据《公路隧道设计规范》JTG D70—2004中关于允许洞周水平相对收敛值的规定，V级围岩、埋深在50m~300m之间，允许洞周水平相对收敛值为0.6%~1.6%。根据该数值模拟的开挖宽度为13.32m得，隧道周边允许最大水平收敛值为79.92mm~213.12mm。从以往的实测数据和隧道数值模拟分析，一般上台阶开挖支护后的围岩变形量占总变形量的60%以上。故可得出隧道上台阶支护后允许洞周水平收敛值为47.952mm~127.872mm。由于黄土隧道围岩位移较大，并且该隧道埋深较大（100m左右），所以以127.872mm作为该黄土隧道周边收敛上限值。根据上台阶开挖支护后拱脚的收敛值，故可以得出黄土隧道上台阶长度最大值约为7m，如图1所示。在台阶长度大于7m后，隧道周边收敛值大于收敛上限值127.872mm。在深埋黄土隧道围岩监测和数值模拟分析数据得知，深埋黄土隧道围岩的侧压力较大，依据《公路隧道设计规范》JTG D70-2004，若拱顶沉降允许值按1倍的洞周水平收敛值取时，上台阶开挖拱顶沉降允许值为127.872mm，由图1所得，允许上台阶开挖长度最大约为14m。该值比按周边收敛计算大1倍，这是由于深埋黄土隧道侧压力系数较大，拱顶允许沉降按1倍的周边收敛取值所致（按侧压力系数=1取值）。
5．结论
在隧道采用台阶法施工中，台阶长度过短，虽然有利围岩稳定，但是又严重影响隧道正常施工，如何控制好台阶长度对隧道围岩稳定及正常施工至关重要。在隧道施工中，围岩变形量基本都发生在仰拱未封闭前，故应早封闭围岩。由此可以看出两台阶法中，隧道围岩位移主要控制在上下台阶的开挖支护中，所以本文得出深埋黄土隧道在采用台阶法施工时，上台阶长度应控制在7m~14m之间。
参考文献：
[1]JTG D70—2004. 公路隧道设计规范[S]. 北京:人民交通出版社，2004
[2]李围.隧道及地下工程FLAC解析方法[M].北京:中国水利水电出版社,2009
[3]赵勇,李国良,喻渝.黄土隧道工程[M].北京:中国铁道出版社,2011
作者：曹志豪，男，陕西西安人，长安大学公路学院桥梁与隧道工程硕士研究生，主要研究方向为隧道及地下工程。
关键词：黄土；隧道；封闭距离
Abstract：Because loess has the special engineering properties and a strong sensitivity of the water，so how to master the length of the top stage ensure the tunnel safely and successfully complete in the Loess tunnel construction of step method.
Key words：loess;tunnel; the length of the top stage
中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号：
1、工程概况
在建延安经志丹至吴起高速公路东山隧道左洞长4925米，右洞长4914米，属于特长黄土公路隧道，山体表面覆盖有30-40米厚的晚更新世Q3eol马兰黄土，隧道洞身处埋深较大，最大隧道埋深可达209米。由于黄土对水的敏感性，遇水后强度大幅度降低。虽然隧道在开挖后有一段时间的自稳能力，但由于黄土及隧道所处的地层的特殊性，控制好台阶长度是有效地控制围岩变形，确保隧道顺利贯通的必要条件。
2、有限差分程序FLAC3D基本假定
由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能和严格按照实际的施工步骤进行数值模拟是非常困难的。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化，在本次数值模拟中采用了以下假设:
东山隧道Q2离石黄土层较厚，隧道围岩可视为单一土体，并认为围岩材料为均质、各向同性的连续介质；
在初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响；
简化隧道施工中锚杆和超前支护的作用，采用加固圈来模拟锚杆和超前支护的效果；
围岩和加固区采用Morh-Coulomb（摩尔—库仑）模型模拟，初期支护和二次衬砌采用弹性模型模拟。
3、有限差分模型的建立及参数选定
本文主要模拟采用三维有限差分数值分析软件FLAC3D进行两台阶开挖模拟，隧道每循环开挖进尺为3.2米，数值模拟中主要分析开挖和支护前后围岩的变形情况。建立的隧道模型开挖半径为6.6米，隧道高度为10.4米，加固圈大小为4米，隧道埋深定为104米，依据数值模拟以往的经验，选取隧道左右边界为4倍隧道开挖宽度，下边界为3倍隧道高度。为了能消除纵向边界的影响，以便更好的模拟隧道洞身段的力学状态，模型在隧道轴线方向长度取为32m。
4.数值计算结果及分析
本次采用FLAC3D模拟台阶法隧道开挖，先开挖上台阶，连续循环开挖支护10次，每次进尺3.2米，之后开挖支护下台阶和仰拱。
隧道上台阶开挖
图1围岩位移随台阶长度变化曲线
通过有限差分数值模拟程序FLAC3D对不同台阶长度进行数值模拟，从上述图的围岩位移变化曲线可以看出，深埋老黄土隧道开挖时（台阶距离在25.6m内），拱顶沉降要小于拱脚的收敛，说明深埋黄土隧道围岩的侧压力系数较大。
隧道下台阶及仰拱开挖
隧道上台阶开挖32m后，然后对隧道下台阶进行第一次循环开挖模拟得到，隧道拱顶总沉降为247mm，拱脚累计收敛值为246.9mm。隧道下臺阶第二次循环开挖模拟得到，隧道拱顶总沉降为247mm，拱脚累计收敛值为246.9mm。可以看出，隧道在仰拱封闭后隧道围岩位移为零，因此可以认为在隧道封闭成环后隧道围岩就基本稳定了。跟据以往的经验及隧道监控量测数据知，隧道围岩在仰拱支护前的位移占总变形量的95%以上。在此，可以认为围岩变形量由隧道仰拱封闭前的位移组成。因此在台阶法施工中，控制好台阶长度便可以有效控制隧道围岩变形，并保证隧道施工的顺利进行。
依据《公路隧道设计规范》JTG D70—2004中关于允许洞周水平相对收敛值的规定，V级围岩、埋深在50m~300m之间，允许洞周水平相对收敛值为0.6%~1.6%。根据该数值模拟的开挖宽度为13.32m得，隧道周边允许最大水平收敛值为79.92mm~213.12mm。从以往的实测数据和隧道数值模拟分析，一般上台阶开挖支护后的围岩变形量占总变形量的60%以上。故可得出隧道上台阶支护后允许洞周水平收敛值为47.952mm~127.872mm。由于黄土隧道围岩位移较大，并且该隧道埋深较大（100m左右），所以以127.872mm作为该黄土隧道周边收敛上限值。根据上台阶开挖支护后拱脚的收敛值，故可以得出黄土隧道上台阶长度最大值约为7m，如图1所示。在台阶长度大于7m后，隧道周边收敛值大于收敛上限值127.872mm。在深埋黄土隧道围岩监测和数值模拟分析数据得知，深埋黄土隧道围岩的侧压力较大，依据《公路隧道设计规范》JTG D70-2004，若拱顶沉降允许值按1倍的洞周水平收敛值取时，上台阶开挖拱顶沉降允许值为127.872mm，由图1所得，允许上台阶开挖长度最大约为14m。该值比按周边收敛计算大1倍，这是由于深埋黄土隧道侧压力系数较大，拱顶允许沉降按1倍的周边收敛取值所致（按侧压力系数=1取值）。
5．结论
在隧道采用台阶法施工中，台阶长度过短，虽然有利围岩稳定，但是又严重影响隧道正常施工，如何控制好台阶长度对隧道围岩稳定及正常施工至关重要。在隧道施工中，围岩变形量基本都发生在仰拱未封闭前，故应早封闭围岩。由此可以看出两台阶法中，隧道围岩位移主要控制在上下台阶的开挖支护中，所以本文得出深埋黄土隧道在采用台阶法施工时，上台阶长度应控制在7m~14m之间。
参考文献：
[1]JTG D70—2004. 公路隧道设计规范[S]. 北京:人民交通出版社，2004
[2]李围.隧道及地下工程FLAC解析方法[M].北京:中国水利水电出版社,2009
[3]赵勇,李国良,喻渝.黄土隧道工程[M].北京:中国铁道出版社,2011
作者：曹志豪，男，陕西西安人，长安大学公路学院桥梁与隧道工程硕士研究生，主要研究方向为隧道及地下工程。