黃土隧道圍巖含水率變化及拱架受力特征研究

趙永虎,羅浩洋,苗學云,白明祿,米維軍

(1.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000； 2.中鐵科學研究院有限公司,成都 610032；3.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070； 4.中鐵二十二局集團第五工程有限公司,重慶 400700)

引言

隨著西部大開發國家戰略和“一帶一路”建設的快速實施，高速鐵路、高等級公路在西北黃土地區的規劃和建設速度突飛猛進，受黃土地區地形地貌和線路方案限制，鐵路、公路等線路工程在黃土梁、黃土塬、黃土峁等地段多以隧道形式穿越，因此，隧道工程的施工進度及其安全施工成為影響整個鐵路、公路項目正常施工和運行的重點方面[1-4]。

目前，影響隧道施工安全及進度的因素主要有圍巖巖性特征及其等級、隧道埋深、地下水位、施工方法等[5-6]。對于施工期內在建黃土隧道，在諸多因素中，地下水位重分布導致圍巖含水率變化和初期支護措施的有效性成為影響黃土隧道安全、快速施工的關鍵因素之一[7-8]。因此，國內不少學者針對黃土隧道圍巖含水率對隧道施工的影響開展了一系列研究。王國強[9]以G312線黃土地區祁家大山公路隧道為對象，分析了隧道圍巖含水率變化對圍巖本體結構強度和襯砌結構的影響。蘇春暉等[10]以鄭西客運專線張茂富水黃土隧道為例，采用有限元軟件，研究了隧道圍巖含水率變化對隧道變形和穩定性等方面的影響。鄭甲佳等[11]以西安地鐵黃土隧道為對象，采用現場監測和數值計算等方法，研究了黃土地鐵隧道浸水后周圍土體和襯砌結構受力及變形方面出現的變化特征。陳福江[12]分析了圍巖含水率對黃土抗剪強度、壓縮模量等參數的影響規律，并采用數值模擬方法研究了隧道圍巖在不同含水率、不同施工工況下對隧道形態的影響。田俊峰等[13-14]以山西陽曲1號黃土公路隧道為例，研究了不同施工工法、不同開挖進尺等因素對高含水率黃土隧道的影響規律，最終得到了含水率與圍巖穩定系數之間的關系。蔡劍[15]采用數值模擬方法研究了大斷面黃土隧道在不同埋深、不同含水率條件下的圍巖特性曲線變化規律，最終提出了在不同含水量、不同埋深條件下大斷面黃土隧道圍巖變形的時空效應。王釬[16]以寶蘭客專某黃土隧道為工程背景，通過現場監測和MIDAS-GTS有限元軟件，研究了大斷面高含水量黃土隧道初期支護的力學特性。劉志強等[17]以寶蘭客專大斷面高含水率黃土隧道為例，分析了不同埋深及不同含水率工況下循環進尺、開挖步序、支撐形式、封閉距離等因素對隧道變形和收斂的影響，結果表明早封閉對控制高含水率黃土隧道的沉降變形最為有利。吉武軍[18]在分析20余座黃土隧道工程地質和水文地質條件的基礎上，對黃土隧道出現的典型工程問題進行了總結，結果顯示隧道周圍匯水長廊的形成是黃土隧道出現工程問題的主要原因。王新東[19]在分析高含水率大斷面黃土隧道變形特征的基礎上，對不同含水率條件下的黃土隧道施工方法進行了總結，特別強調對飽和黃土隧道掌子面應采取帷幕注漿等超前加固措施后，方可采用臺階法施工。劉俊平[20]綜合論述了董志塬區地下水分布對銀西高鐵隧道工程施工的主要不良影響。綜上，目前針對圍巖含水率對黃土隧道的影響研究主要采用數值模擬方法，很少采用現場監測進行研究，圍巖含水率測試僅局限于掌子面開挖過程中，在初支至二襯施工周期內對隧道圍巖含水率變化進行現場監測和研究方面的工作鮮有報道，針對黃土地區鐵路隧道在施工期內的監控量測項目中和運營期內的健康監測標準化方案(體系)中基本忽略了對隧道圍巖含水率的長期現場監測。

鑒于此，以在建銀西高速鐵路沿線董志塬地區上閣村黃土大斷面隧道為例，基于現場斷面實際監測數據，從初支到二襯施工周期內對黃土圍巖含水率變化規律及鋼拱架受力特征進行分析，并提出針對性施工建議，以便為黃土地區銀西高鐵隧道工程快速施工提供技術指導，同時為黃土地區大斷面黃土隧道安全施工提供參考。

1 工程概況

上閣村隧道位于甘肅省慶陽市寧縣境內，進口位于董志塬塬邊沖溝斜坡上，出口位于董志塬塬面平坦耕地，洞身整體穿越董志塬南側塬邊，塬邊溝壑發育，支溝下切較深(圖1)。隧道總長6 782.45 m，最大埋深102 m，出口最小埋深約5.5 m。洞身經過的地層主要為第四系上更新統風積黏質黃土(Q3eol)和中更新統風積黏質黃土(Q2eol)。深埋段長約2 560 m，占39%，為中更新統黏質黃土，基本為硬塑狀，隧道圍巖等級為Ⅳ級；其余淺埋段為上、中更新統黏質黃土，隧道圍巖等級均為Ⅴ級。采用三臺階開挖法施工，初期支護采用鋼拱架、鋼筋網片噴射混凝土施工，并采用超前小導管進行超前加固。

圖1 黃土塬邊地形地貌

隧道區地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水。第四系松散層孔隙潛水主要分布于黃土塬上部，含水層主要為中更新統黃土，黃土層既具有松散層孔隙潛水的一般特征，又具有裂隙水的水力性質，該層顆粒較粗，結構疏松，孔隙率高，是黃土塬區主要的含水層，也是地下水的儲存空間和運移通道。約有4.2 km段洞身位于地下水位以下或附近，受地下水影響，該段黃土基本呈軟塑或可塑狀態。軟塑狀黃土垂直節理發育，水敏性強，含水率高，開挖后掌子面穩定性極差，施工風險高。其余段隧道圍巖基本呈硬塑-可塑狀，受淺埋及黃土垂直節理等影響，易發生洞內變形及地表開裂。

2 測試方法及斷面布設方案

2.1 測試方法

此次現場測試項目包括圍巖體積含水率和鋼拱架應力2項。其中圍巖體積含水率測試采用基于時域反射技術的TDR水分傳感器，傳感器探針直接埋設到圍巖土體中采集介電常數，經數據線傳輸到測試儀進行信號轉化后采用數采儀可直接讀取土體體積含水率變化情況。鋼拱架應力采用表面應變計進行測試并換算可得，將表面應變計焊接在工字鋼腹板，二者近似平行且盡量靠近上下翼緣。用數采儀可采集到各點在不同時間段的應變值，在室內經換算后可得到各點各時段的鋼拱架應力值。

2.2 斷面布設方案

水分傳感器和表面應變計的監測位置包括拱頂、拱腰右側、拱腰左側、拱腳右側、拱腳左側和仰拱底部中心共6個部位，現場斷面監測點布設和安裝分別見圖2和圖3。測試斷面選擇在上閣村隧道DK211+493里程處，埋深約為24.8 m，該斷面原始地下水位高于仰拱設計高程約4 m。為保障施工安全，施工期間進行連續排水，使得施工期間地下水位低于仰拱底部不小于1.0 m，確保施工期間整個隧道斷面盡量不受地下水的影響，隧道拱頂和拱腰圍巖黃土長期呈硬塑狀，拱腳和仰拱處黃土在施工前期呈可塑狀，而在施工期內盡量呈硬塑-可塑狀黃土，整個斷面在施工期內為非飽和狀態黃土。

圖2 斷面測試元件布設位置(單位：m)

圖3 現場測試元件安裝

3 監測結果分析

3.1 圍巖體積含水率

圖4反映了上閣村隧道DK211+493斷面圍巖含水率隨時間的變化規律，可以看出，隨著施工時間的推移，監測斷面圍巖體積含水率在空間和時間方面存在規律性的變化趨勢，僅在數值上出現一定差異。圍巖體積含水率隨著時間呈現“先增長后平穩”的兩階段變化趨勢，需要平穩的時間一般2周左右。拱頂和拱腰位置的圍巖體積含水率總體上小于拱腳和仰拱底部的圍巖體積含水率，這與現場實際情況非常相似。拱頂位置處的圍巖體積含水率最小，一般在20%以內，在增長期和平穩期內變化很小。左側和右側拱腰圍巖體積含水率分別從初始值17%和27%逐步增加到平穩期內的28%和37%，增幅約10%，雖然在平穩期內體積含水率基本保持不變，但均未達到飽和狀態。左右側拱腳處圍巖體積含水率變化趨勢近似一致，從初始的44%達到平穩期的72%，增幅可達32%；而仰拱底部的圍巖體積含水率從初始的56%達到平穩期的71%，增幅可達16%，這說明在掌子面開挖前，經過排水降低地下水位后拱腳位置處圍巖體積含水率處于非飽和狀態，仰拱底部圍巖含水率經歷了從飽和到非飽和狀態的轉化，而經過隧道施工后仰拱底部和拱腳處圍巖含水率均處于飽和狀態。

圖4 圍巖體積含水率隨時間的變化規律

從圍巖體積含水率在時間方面的變化規律來看，從初期支護到二次襯砌之間圍巖的含水率變化最大，說明對于黃土大斷面隧道，初期支護到二次襯砌時間段內是影響隧道圍巖穩定性的關鍵階段，研究表明含水率的增大會顯著降低圍巖土體的物理力學性質，進而影響圍巖強度，最終有可能對圍巖穩定性造成影響[21]。因此，對于黃土隧道，掌子面開挖后及時進行初期支護、實施二次襯砌對確保隧道圍巖穩定性具有重要的意義。

此外，從空間差異性來看，圍巖體積含水率在整個斷面上也具有一定的規律性，拱腳和仰拱底部的圍巖含水率明顯大于拱頂和拱腰位置的圍巖含水率。因此，在施工期內針對黃土隧道，尤其是對大斷面高含水率黃土隧道，應加強防排水措施，避免隧道由于地下水位上升或排水設施失效而導致圍巖含水率突增引起塌方、涌水等事故。

3.2 鋼拱架應力

圖5反映了上閣村隧道DK211+493斷面初支鋼拱架應力隨施工時間的變化規律，可以看出，初期支護后鋼拱架承受的應力呈非線性增大，到二次襯砌完成后才趨于平穩。在初支后階段不同部位的鋼拱架應力范圍為2.7～6.0 MPa，之后不同部位鋼拱架應力增加到22.2～30.2 MPa，其中拱頂部位的鋼拱架承受的壓應力最大，經過二襯后鋼拱架應力逐漸平穩至11.7～22.6 MPa，總體上在平穩階段拱頂和拱腰位置的鋼拱架應力比拱腳和仰拱位置的鋼拱架應力略大。與圍巖含水率變化不同，鋼拱架應力在施工期內呈先非線性增大后出現波動最后趨于平穩的三階段變化規律。

圖5 鋼拱架應力隨時間的變化規律曲線

對于淺埋大斷面黃土隧道，整個斷面鋼拱架還是以承受壓應力為主，從掌子面開挖到仰拱開挖之前鋼拱架應力基本呈非線性發展，說明鋼拱架在逐步發揮支護效果。而仰拱開挖后約2周時間段內整個鋼拱架應力呈現出“跳躍式”波動，說明在仰拱開挖后開始澆筑到二次襯砌施工這一過程中整個斷面圍巖壓力出現重分布，同時二次襯砌施做后二襯混凝土結構逐步發揮作用，圍巖、鋼拱架和二次襯砌結構在這個階段進行了綜合結構受力調整，即從原有平衡狀態進行調整之后進入新的受力平衡狀態。因此，從初期支護到二襯之前鋼拱架在發揮承受圍巖壓力、保證圍巖穩定性方面起到重要作用。

結合圍巖含水率變化和施工過程來看，鋼拱架受力及發揮承載能力具有一定的滯后性，而且增長期一般長達3～4周，比圍巖含水率的增長期略長1～2周。整個斷面圍巖含水率基本在1個月內達到穩定，即二襯施工結束后圍巖含水率在一定時間段內保持不變，但鋼拱架應力在二襯結束后還處于受力調整階段，從初支到鋼拱架受力最終達到平衡一般需要2個月左右時間，因此，鋼拱架在初期支護到二襯結束之前在承受圍巖壓力、控制圍巖沉降變形和收斂方面發揮了較大作用，而在二襯結束后逐步處于平衡狀態，圍巖變形也基本趨于穩定。

4 施工建議

對于在建的大斷面黃土隧道，在隧道埋深、地質條件、施工方法等基本不變的工況下，影響隧道圍巖穩定性、對施工安全和進度起到控制性作用的因素主要是圍巖含水率變化和初期支護措施，因此，在施工過程中需要注意采取以下措施。

(1)實時監測掌子面圍巖含水率變化情況，對施工過程中在掌子面含水率突增或明顯異常情況，應立即查明原因，必要時采取防排水措施，不可忽略或輕視，以防止由于含水率增大導致圍巖強度下降或變形加劇，甚至出現涌水、掉塊等事故。

(2)掌子面開挖后及時施做初期支護，采用鋼拱架、鋼筋網片、噴射混凝土綜合措施，及早形成封閉圈，以控制圍巖初期出現大變形，防止支護時間滯后而引起松動圈的擴大。

(3)在整個施工過程中應重視防排水措施，仰拱不能出現積水，防止排水設施失效而洞內積水，保證在施工期間隧道圍巖不受地下水和施工積水的影響。總之，對于大斷面黃土隧道，應該形成“勤測含水率、重視防排水、加強初支”的一種管理理念或原則。

5 結論

通過現場監測，對黃土隧道施工期內圍巖含水率變化規律和鋼拱架受力特征進行了分析，得到如下結論。

(1)黃土隧道圍巖含水率在時間上呈先增長后平穩的兩階段變化趨勢，增長期一般2周左右；圍巖含水率在空間上也呈現出一定規律性，即拱頂和拱腰位置的含水率總體上小于拱腳和仰拱底部的含水率。

(2)鋼拱架應力在施工期內呈先非線性增大后出現波動最后趨于平穩的三階段變化規律；從初支的2.7～6.0 MPa逐步增加到22.2～30.2 MPa，之后經二襯后平穩過渡到11.7～22.6 MPa保持不變，鋼拱架在施工期內承受圍巖壓力、確保大斷面黃土隧道圍巖穩定性方面發揮著重要作用。

(3)大斷面黃土隧道在施工期內應形成“勤測含水率、重視防排水、加強初支”的管理理念，以確保隧道施工安全。