呂梁山西麓三趾馬紅土鐵路隧道圍巖分級研究

郭 樂，蔡云廷，王家鼎

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251;2.西北大學地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，西安 710069)

隨著國家鐵路網和高速公路網的不斷完善，國家中西部開發的不斷深入，黃土高原地區的基礎設施建設逐年增加，大批的隧道工程正在建設或陸續開工建設，其中涉及土質圍巖的隧道工程大幅增加。過往，土質圍巖主要分布在洞口、淺埋段，在整個隧道長度中所占比例較少，對工程工期和投資風險影響有限。目前越來越多的長大隧道工程大段落穿越土質地層，如山西中南部鐵路通道工程臨縣隧道(10.632 km)和石樓隧道(12.807 km)約50%洞身穿越三趾馬紅土地層，且最大埋深達220 m，表現出土質圍巖連續長度大、埋深較深的特征。

三趾馬紅土廣泛分布于黃土高原地區，其中呂梁山西麓地區三趾馬紅土地層由于其沉積厚度大、連續性好、典型剖面多，歷來為三趾馬紅土研究的熱點地區［1］。山西中南部鐵路通道工程呂梁段走行于呂梁山西麓黃土梁峁區，大量隧道工程穿越三趾馬紅土地層，受裂隙孔隙水影響，三趾馬紅土的物理力學特性發生變異，圍巖強度、穩定性降低，引起初期支護結構變形、失穩，嚴重影響隧道施工安全和進度。

目前關于三趾馬紅土的研究主要集中在沉積學、微形態學，土壤學、巖石磁學和地球化學等方面的研究［2］，關于其工程地質特征及巖土力學性質方面的研究較少，有關三趾馬紅土圍巖分級的研究更是寥寥無幾。針對三趾馬紅土隧道的工程地質新問題，大力開展室內試驗、現場監測以及施工試驗段研究，對三趾馬紅土物理力學特性及圍巖分級定量化進行研究。

1 土質圍巖分級研究現狀

在國內外眾多的隧道圍巖分級方法和體系中，對于巖質圍巖分級的研究相對比較成熟，但對特殊地質條件下圍巖分級考慮還不完善和充分［3，4］，例如膨脹巖、土質圍巖等。僅有我國鐵路隧道設計規范對土質圍巖進行了較詳盡的分級，并從工程地質條件、土體結構特征和完整狀態進行定性描述和評價。由于分級指標是描述性的、定性的，未考慮土質的物理力學指標，在使用上有主觀性，分級的準確性較差［5-7］。在學術研究領域，對土質圍巖級別劃分的定量研究也相對薄弱，僅見少量文獻對一般黏性土及砂類土質圍巖級別的定量研究［8，9］。

土體相比于巖體，具有碎散性、大孔隙、低強度、自穩性差、對地下水作用敏感等特征，且土體中也存在大量的不同規模、不同成因、不同性質的結構面，影響著土體圍巖的強度、穩定性。地下水影響主要是根據地下水狀態采用降級處理方法，但地下水的特征描述和降級標準更適用于巖質圍巖分級。綜上，目前的地下工程土質圍巖分級仍處于經驗分級階段，尚需進一步完善和定量化。

2 三趾馬紅土的物理力學性質

2.1 三趾馬紅土粒度及微結構特征

研究區三趾馬紅土粒度分布曲線表明(Mastersizer2000型激光粒度儀，濕法測量)，土體以黏粒和粉粒(＜50 μm)為主，約占總含量的95%以上，且以粉粒(5～50 μm)占優勢，黏粒(＜5 μm)含量在37% ～43%，比例也很高，決定了其物理、水理性質的特殊性。顯微結構(FEI Quanta400 FEG環境掃描電子顯微鏡)分析表明，三趾馬紅土孔隙不發育，骨架顆粒往往被凝塊狀或絮凝狀膠結物嵌埋而輪廓不清，骨架聯結強度較高，土體結構較致密。見圖1、圖2。

圖1 粒度分布曲線

圖2 1 600倍鏡下微觀結構

2.2 三趾馬紅土物理力學指標

天然狀態下三趾馬紅土由于埋深較深形成年代較久而具有一定的超固結性和壓密性，但仍可在室內用環刀制備土工試驗的原狀樣品。通過土工常規試驗得到其基本物理力學指標，如表1所示。可見三趾馬紅土按塑性指數分類屬于粉質黏土，在天然狀態下具有天然重度大、孔隙比小、壓縮性低的顯著特征。

表1 三趾馬紅土物理力學指標

2.3 三趾馬紅土強度特性

為了研究三趾馬紅土的強度特性及其在水作用下的變化特征，現場采取原狀樣品進行不同含水量下的三軸不固結不排水試驗。試驗所選用的含水量為天然含水量、塑限含水量、塑限含水量+2%含水量以及飽和含水量。

圖3和圖4表明，三趾馬紅土強度很高，不同含水量下內摩擦角 φ 為 10.9°～26.9°，黏聚力 c為 186.7～360 kPa。三趾馬紅土的黏聚力c和內摩擦角φ均隨著含水量的增大而減小，當含水量超過塑限時，強度指標c、φ出現突變，減小幅值增大，當含水量達到塑限+2%(約20.5% ～21.3%)以后，減小幅值出現回落。強度指標c、φ的突變和下降表明水是影響三趾馬紅土強度的一個重要因素，且［ωp，ωp+2%］的含水量區間是三趾馬紅土力學性質突變的區間，也是圍巖質量開始惡化的區間。

圖3 黏聚力與含水率關系曲線

另外，雖然在水的作用下黏聚力逐漸降低，但是仍處在較高區間，而隧道開挖過程中仍然頻發掉塊、小坍塌，表明其強度和穩定性不僅與地下水有關，而且受三趾馬紅土的裂隙結構以及砂土夾層等因素影響。

圖4 內摩擦角與含水率關系曲線

3 三趾馬紅土圍巖分級影響因素

3.1 地下水作用

地下水是影響土質圍巖穩定性的重要因素。水的作用主要表現為溶蝕土體和結構面中易溶膠結物，潛蝕充填物中的細小顆粒，使土體軟化，強度降低，同時增加動、靜水壓力等作用。這些作用對圍巖穩定性的影響可采用修正法、降級法、限制法等進行反映。隧道開挖后因滲流路徑的增加、水力坡度的改變將影響圍巖的含水狀態，并直接導致圍巖力學性質弱化，穩定性大大降低。根據三趾馬紅土掌子面含水情況分為4種狀態，如表2所示。不同含水狀態下土體強度差異較大，具有不同的圍巖穩定性，需采取不同的支護加固措施。

表2 三趾馬紅土含水狀態

對于無水稍濕狀態的三趾馬紅土屬于典型的“硬土”，具大塊狀壓密結構，按照Ⅳ級圍巖初支及二襯參數進行施工，初支結構拱頂下沉變形、側壁收斂變形量及變形速率監控量測結果均表明圍巖穩定，工程安全可靠，技術經濟效果良好。

對于潮濕狀態的三趾馬紅土，現場開展Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖試驗段研究，分別采用格柵鋼架與噴錨支護和型鋼鋼架與噴錨支護的初期支護措施進行對比分析。監控量測顯示，當采?、艏墖鷰r初支措施，拱頂下沉及側壁收斂變形不收斂，初支變形量較大甚至侵占二襯界線，圍巖往往處于不穩定變形發展中，塌方風險很高;而采?、跫壋踔Т胧┖螅绊斚鲁?、側壁收斂變形均較快趨于收斂，能夠保證圍巖的穩定性。對于潮濕狀態的三趾馬紅土往往存在滯后性滲滴水作用，土體含水量有進一步增大的發展過程，實踐表明，只有按照Ⅴ級圍巖支護參數進行支護加固，才能保證施工安全和進度。

飽和狀態和過飽和狀態下三趾馬紅土主要為地下水位以下段落，當掌子面位于土石分界或揭露砂土夾層時，水量一般較大，地下水狀態分級為Ⅰ～Ⅱ級，局部達到Ⅲ級。針對水量較小的Ⅰ級富水段開展Ⅳ級圍巖試驗段施工，結果三趾馬紅土圍巖初支出現大變形，格柵鋼架甚至被壓扭曲，拱頂出現不同程度的坍塌，嚴重威脅施工安全和工程質量。現場及時調整圍巖級別，按照Ⅴ級圍巖支護措施進行施工，有效遏止了圍巖變形，工程效果明顯。

3.2 裂隙作用

巖體結構控制論已為學界和工程界普遍認同。對于裂隙發育的土體，結構控制論同樣適用。雖然土塊本身力學性質在土體受力變形中也起著決定性的作用，但在隧道工程中圍巖土體處于重分布應力狀態，結構面的影響不能忽視。據前人研究成果及現場開挖揭示，三趾馬紅土圍巖的裂隙主要為延伸較差的節理、層面、次生裂隙，長度為幾厘米至數十厘米，以及規模更小的微層面、微裂隙等，其連續性一般較差。根據隧道開挖掌子面統計，其裂隙發育特征見表3。

裂隙對圍巖穩定性的影響往往耦合地下水的作用，其機理為隧道開挖后圍巖應力重分布，圍巖土體發生彈塑性變形，原生節理裂隙隨之呈微張～張開狀，隨著洞周土體逐步松動土體滲透性增強，地下水滲流作用增強。在這一過程中水的滲流增強導致了土體強度大大降低，圍巖土體變形加大。隨著時間的進展，松動圈土體及局部應力集中部位出現掉塊、小坍塌甚至較大規模坍塌，圍巖應力逐步釋放，致使初期支護圍巖壓力增大且受力不均勻，最終表現為初期支護的格柵鋼架變形，噴射混凝土開裂、滲水、掉塊。

表3 三趾馬紅土裂隙發育特征

另一方面，室內三軸和直剪試驗結果均表明，三趾馬紅土強度參數很大，其平均黏聚力達300 kPa，表現出很高的黏聚力。但由于試樣尺寸的限制，試驗結果所反映的土體強度絕大部分是土塊的強度，不能體現裂隙發育的土體整體的強度。大型室內直剪試驗和現場原位剪切試驗表明，三趾馬紅土土體強度相比土塊的強度大大降低，土體黏聚力下降達56% ～78%。由此可以清楚地看到土體中普遍發育的各種微小結構面對土體強度影響巨大，在工程中應予以足夠的重視。

裂隙的存在不僅破壞了土體的連續性、大大降低土體的強度，而且容易造成應力集中，其不利組合直接控制了掌子面土體掉塊、坍塌情況。裂隙在降低圍巖整體的力學性質的同時增大了土體的滲透系數，有利于地下水的滲流?，F場施工中，裂隙發育～很發育的段落在隧道開挖過程中頻繁劇烈的掉塊、坍塌，加上地下水的耦合作用，三趾馬紅土圍巖穩定性加速惡化，設計施工按照Ⅴ級圍巖進行初期支護，有效提高了圍巖的穩定性。

3.3 砂土夾層作用

三趾馬紅土地層并不是均質的，隧道開挖揭示在該套地層中發育大段落的細砂、細圓礫土薄層、透鏡體，并且多具水平層理、粒序層理，反映了沖積成因環境。隧道開挖揭露砂土層發育特征見表4。當掌子面發育兩種不同巖性的地層時，圍巖穩定性受控于其組合及其最薄弱環節，對于粉質黏土與砂土地層組合砂土層的分布和含水情況控制圍巖分級。砂土層黏聚力低易坍塌，當位于拱部、拱腰邊墻時，且其厚度超過0.5 m就會對圍巖穩定性產生顯著影響;另一方面砂土層相對富水，掌子面揭露砂土層時往往加速了滲滴水過程且加大了滲水量值，影響圍巖穩定性。

現場施工揭露砂土層主要包括兩種狀態，一種為砂質較純且單層厚度較大，最大達1.5 m，含水量高易坍塌;另一種為與粉質黏土呈互層狀態產出，單層厚度0.1～0.5 m，砂土黏粒含量較高，呈潮濕狀態，具有一定的自穩能力。對于第一種狀態的砂土層，其分布位置對圍巖穩定性影響最大。當其位于拱部時，設計施工按照Ⅴ級加強支護，效果良好;當其位于中臺階邊墻及下臺階時，按照Ⅴ級圍巖支護，效果良好。第二種狀態的砂層對圍巖穩定性的影響較之前者較小，僅當其位于拱部時圍巖級別需調整為Ⅴ級，位于中下臺階時在潮濕狀態下圍巖級別下降尚不足一級。

表4 三趾馬紅土中砂土層發育特征

3.4 多因素疊加作用

三趾馬紅土隧道施工實踐表明，其圍巖穩定性并非單因素控制，而是由多因素疊加作用控制。三趾馬紅土形成年代較久，沉積于新近系以前基巖地層之上，處于新構造運動環境中，一般具超固結性，土體原生裂隙較發育。在隧道開挖后重分布應力作用下，圍巖應力釋放回彈，節理裂隙張開，地下水滲流加速，各種因素耦合作用，加速和加大了圍巖強度降低的程度，圍巖穩定性惡化，圍巖級別降低;加之土體發育砂土薄層、透鏡體，增強了土體的不均勻性和富水性，使得圍巖質量進一步降低。

多因素疊加作用總體致使圍巖質量降低1～2個級別，必須針對性采取加強支護結構措施。鑒于多因素疊加的復雜性，隧道圍巖級別的劃分和評定必須考慮開挖后隧道圍巖所處的工程地質和水文地質環境，與設計施工一體化實現動態化、信息化要求。

4 三趾馬紅土隧道圍巖分級探討

4.1 均質三趾馬紅土圍巖分級

隧道圍巖分級向定量化參數發展是科學發展和工程實踐的必然要求，特別是土質圍巖分級目前仍處于經驗分級的階段，急需向定量化方向邁出一步。對三趾馬紅土隧道圍巖分級據《鐵路隧道設計規范》屬于“具壓密或成巖作用的黏性土，呈大塊狀壓密結構”，圍巖級別為Ⅳ級;考慮地下水狀態修正，對于Ⅰ級出水狀態、甚至硬塑狀三趾馬紅土圍巖級別按照Ⅳ級圍巖設計施工，圍巖穩定性差支護結構大變形;只有調整圍巖級別為Ⅴ級方可保證工程安全。但是既有規范并沒有充分考慮土體的力學指標和性質。

現場監測、室內試驗以及工程施工實踐均表明地下水是影響三趾馬紅土圍巖質量的最重要因素，三趾馬紅土圍巖分級應考慮土體的含水狀態。研究選取常規試驗最易獲得的土的含水率及液性指數兩項指標作為定量指標，并通過統計分析確定相應界限值，如表5所示。該方法在呂梁山西麓三趾馬紅土隧道工程實踐中是可行的，更有待于新的工程實踐檢驗與完善。

表5 三趾馬紅土隧道圍巖分級

4.2 考慮多因素三趾馬紅土隧道圍巖分級

三趾馬紅土地層往往不是均一巖性沉積，隧道工程往往遇到砂土、細圓礫土等薄層或透鏡體以及原生裂隙發育及其組合情況，這些因素均會對圍巖穩定性產生不良影響。結合現場監測、室內試驗以及工程實踐，在呂梁山西麓三趾馬紅土隧道工程實踐中采用考慮多因素三趾馬紅土隧道圍巖分級方法，如表6所示。該方法有待于新的工程實踐檢驗與完善。

表6 考慮多因素三趾馬紅土隧道圍巖分級

需要明確的是，對于地下水Ⅰ級富水狀態下，土石分界、拱部厚度＜0.5 m、中下臺階砂層及裂隙發育的單因素對隧道圍巖級別影響尚不能降低一個級別，但是支護結構措施需加強，定為Ⅴ1級以引起設計施工注意;對于地下水Ⅲ級狀態下，無論砂層的位置，由于水量大且存在涌水流砂風險，圍巖級別需研究確定。當掌子面出現各種因素組合作用時，應取最不利分級并加強針對性支護結構措施。

5 結語

結合現場監測、室內試驗及工程實踐，對三趾馬紅土隧道圍巖分級定量化方法進行了初步研究，特別是對各因素相互耦合作用做了相關探討，尚需進一步深入。需要指出的是，三趾馬紅土圍巖穩定性呈現出一個隨時間發展的動態過程，需結合工程尺度、施工工藝加強信息化、動態化圍巖分級，進而評價隧道工程穩定性。

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