摘要：为了研究软弱黄土隧道围岩的变形规律，以某黄土隧道为依托，采用MIDAS/GTS数值模拟软件，对隧道洞口浅埋段施工过程进行模拟分析。并对软弱黄土隧道围岩的变形规律及塑性区分布特征进行研究。结果表明： X方向变形主要位于边墙底部以及仰拱交角处，最大变形量为12.66cm；Y方向变形主要是拱顶沉降和隧底隆起，拱顶沉降最大为17.97cm，隧底最大隆起量为15.56cm，周边收敛、拱顶沉降和隧底隆起均较大。隧道塑性区呈“蝴蝶型”分布，并且在隧底及边墙部位分布较大。研究结果可为软弱黄土隧道的施工提供指导。
关键词：黄土隧道；MIDAS/GTS；变形规律；塑性区
1 引言
黄土特有的物理力学性质，使得黄土遇水后强度及变形有较大变化，对地下结构物的稳定和安全有较大影响。加之黄土地区的地形地貌、水文地质、气候等条件比较复杂，导致黄土地区隧道稳定性受到较大威胁，部分黄土隧道使用几年就出现了比较严重的隧道病害[1-2]。因此开展黄土隧道围岩变形和稳定方面的理论研究，具有十分重要的意义。本文以某软弱黄土隧道洞口浅埋段典型断面为依托，运用有限元数值模拟的方法，研究隧道围岩的变形规律，同时对围岩塑性区的分布规律进行分析[3-6]。
2 MIDAS/GTS数值模拟分析
2.1模拟说明
选取某黄土隧道洞口浅埋段典型断面为研究对象建立模型，根据隧道围岩的工程地质条件与力学特性，采用平面弹塑性有限元法进行模拟计算。洞口段围岩为Ⅴ围岩，上部湿陷性黄土厚度约为35米，下部为非湿陷性黄土，隧道全部位于湿陷性黄土层中，施工方式为CD法开挖。
2.2计算模型及参数
（1）模型的建立
对于隧道工程，数值计算模型的范围一般取隧道开挖断面3～5倍最大洞径（或最大跨度），上部用地层压力（重力）来代替。该隧道洞跨d=12.82m，因此，计算模型的边界范围是，左右边界及下边界距离隧道圆心为45m，上边界取至自由地表，隧道埋深约为20m，土体分为两层，上部土体为湿陷性黄土，厚度约为35m，下部为非湿陷性黄土，厚度约为35m，隧道全部位于湿陷性黄土层中。在两侧边界施加X方向的位移约束，在底部边界施加Z方向的位移约束，荷载只考虑自重的作用。同时建立以下假定：
1）所有材料均为均质、连续、各项同性的。
2）围岩采用符合莫尔—库伦屈服条件的材料模拟，喷射混凝土、钢架和用梁单元模拟，锚杆用桁架单元（植入式桁架）模拟。
3）二衬作为隧道后期安全储备，此处暂不考虑二衬的作用。
4）不考虑空间效应，采用二维平面计算模型。
（2）计算参数的选取
计算模型根据隧道的结构特征和工程地质特征建立，采用复合式衬砌，开挖半径6.58m，采用CD法开挖施工。初期支护采用喷射C25混凝土，厚25cm；I20a型钢拱架；锚杆采用φ22药卷锚杆，L=4m，间距100cm，只在边墙处布置。
3 计算结果分析
3.1围岩位移分析
隧道开挖后，隧道周边收敛和拱顶沉降比较明显，隧道开挖后土体的变形趋势为：隧道上部土体整体向隧道方向沉降，隧道仰拱下部土体在两侧土体压力的作用下有向隧道内部挤压变形的趋势。X方向变形主要位于边墙底部以及仰拱交角处，最大变形量为12.66cm；Y方向变形主要是拱顶沉降和隧底隆起，拱顶沉降最大为17.97cm，隧底最大隆起量为15.56cm，周边收敛、拱顶沉降和隧底隆起均较大，施工时应加强初期支护，防止初支变形过大引起二衬侵限。
3.2围岩塑性区分析
围岩塑性区分布情况分别如图1所示。
图1 等效塑性应变图
从图1可以看出，隧道施工完成后，会在隧道周围产生塑性变形，这部分变形是不可恢复的土体变形，主要由施工扰动引起。塑性区呈“蝴蝶型”分布，并且在隧底及边墙部位分布较大。施工时应注意加强隧底及边墙部位的支护，并提高施工工艺，使边墙与仰拱部位平滑过渡，防止应力集中的产生。
4 结语
本文以某黄土隧道洞口浅埋段典型断面为原型，通过采用MIDAS/GTS有限元软件对其施工过程进行数值模拟，对软弱黄土隧道围岩变形规律及塑性区分布规律进行了研究。得出了以下主要结论：
（1）隧道开挖后，隧道周边收敛和拱顶沉降比较明显，X方向变形主要位于边墙底部以及仰拱交角处，最大变形量为12.66cm；Y方向变形主要是拱顶沉降和隧底隆起，拱顶沉降最大为17.97cm，隧底最大隆起量为15.56cm，周边收敛、拱顶沉降和隧底隆起均较大。
（2）隧道塑性区呈“蝴蝶型”分布，并且在隧底及边墙部位分布较大。施工时应注意加强隧底及边墙部位的支护，并提高施工工艺，使边墙与仰拱部位平滑过渡，防止应力集中的产生。
参考文献
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