含水率對全風化紅砂巖地層隧道圍巖變形影響研究

王志杰,徐君祥,李瑞堯,唐 力,徐海巖

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

蒙華鐵路是我國目前一次建成的最長重載貨運鐵路，為國家戰略交通運輸系統的重要組成部分。陽城隧道作為蒙華鐵路控制性工程之一，地質條件復雜，隧道沿線穿越大量紅砂巖地層，其水穩性差，遇水易崩解軟化。而隧道洞身段部分位于地下水位以下，若降水措施不到位，極易降低圍巖強度，增大支護結構受力，引起支護結構開裂變形等。因此探究含水率對全風化紅砂巖隧道圍巖變形的影響具有重大意義。

目前對于紅砂巖的研究主要集中在力學性質、化學組分以及作為路基材料等方面[1-4]。根據現有研究結果，紅砂巖是一種成分復雜、結構多變、具有特殊力學性質的巖土材料，其物理、力學性質對外界環境變化較為敏感， 含水率是其中較為敏感的指標之一。但由于目前鮮有隧道穿越紅砂巖地層，因此上述研究未與隧道相結合，缺乏對實際工程的指導價值。而相關學者對含水率在其他軟弱圍巖隧道施工中的影響已有相當程度的研究。左清軍、王文忠、周俊等[5-11]研究了富水軟巖隧道圍巖穩定性因素、破壞模式以及含水率對圍巖變形規律、變形機理的影響；張艷玲、郭小紅、漆泰岳等[12-14]對不同含水率下圍巖穩定性施工、降水、支護等工法進行了研究；王志杰等[15-18]針對西南地區典型不良巖土昔格達地層在不同含水率下的圍巖穩定性、災變特征、支護受力模式等進行了系統研究，并給出了一套昔格達地層圍巖亞分級評價指標與圍巖穩定性控制技術；王玉鎖、王明年等[19-22]研究了含水率等因素對砂類土體的力學性能的影響規律，基于此建立了砂類土體隧道圍巖評價指標體系。

綜上所述，含水率對隧道圍巖穩定性的影響研究內容不少，但對于全風化紅砂巖地層，目前鮮有隧道穿越，相關研究尚待補充。以蒙華鐵路陽城隧道全風化砂巖地層為研究對象，探究含水率對圍巖變形的影響，并針對性提出降水措施。

1 工程概況

陽城隧道位于陜西省榆林市靖邊縣龍洲鄉雙城村附近，起訖里程DK242+044.57～Dk249+152.82 m，隧道全長7 108.25 m，最大埋深約為207 m。

隧址區內地形復雜，“V”字形沖溝發育，呈樹枝狀分布，溝壑縱橫、支離破碎，為典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌類型。地質條件較差、地層變化較大、古沖溝發育、古基巖面起伏較大，包括全風化紅砂巖地層、土石分界地層以及土砂互層地層。受下游麥家溝水庫(現已成淤積壩)人工蓄水的影響，地下水位抬升。古沖溝內沉積含水砂、土層，根據掌子面揭示及超前地質鉆探和超前深孔泄水結果分析，進口掌子面平均每天出水量240～260 m3，出口掌子面平均每天出水量240～300 m3，圍巖含水率高。全風化紅砂巖地層水穩性極差，在富水條件下原巖結構徹底破壞，巖體呈角礫松散結構，幾乎喪失膠結能力。

2 富水全風化紅砂巖工程特性

隧道開挖過程中，由于地下水發育，全風化紅砂巖易遇水軟化崩解為泥塑狀，開挖后極易發生溜砂現象，開挖現場如圖1所示。

圖1 富水全風化紅砂巖現場

為研究全風化紅砂巖的工程特性，從未擾動掌子面不同部位取土，完成對原狀土相關基本物理力學參數測定，包括天然含水率試驗、顆粒密度試驗、擊實試驗、固結試驗、直剪試驗等。測得天然含水率為19.17%。試驗流程見圖2。

擊實試驗最優含水率曲線見圖3。

圖3 最優含水率曲線

由圖3得到全風化紅砂巖最優含水率為12.76%。進一步對天然和最優含水率下的全風化紅砂巖進行直剪與固結試驗。直剪試驗結果見圖4。

圖4 直剪試驗

天然含水率下全風化紅砂巖巖性較差，黏聚力、內摩擦角相對于最優含水率下都較小，在直剪試驗過程中表現為顆粒松散，不易觀察到明顯的破壞剪切面，因此錯縫較大，高達6.7 mm，而最優含水率直剪試驗僅3.2 mm。兩種含水率下對應的力學參數也反映出對應的特性。如表1所示，天然狀態紅砂巖密度小、孔隙比大，即顆粒之間存在較大間隙，巖性松軟，抗剪強度差。

表1 全風化紅砂巖基本力學參數

3 數值模擬

為探究含水率對隧道施工過程中圍巖變形的影響，基于最優與天然含水率，設置不同梯度含水率，采用原狀土重塑至對應含水率進行室內試驗。將力學參數代入Flac 3D圍巖模型中數值模擬，對比分析不同含水率下的圍巖變形特征，得到含水率對其影響。

3.1 計算模型

采用Flac 3D建模，以陽城隧道正洞斷面為基準,計算斷面選取與現場監測斷面一致，圍巖級別為Ⅴ級，斷面揭示地層為全風化紅砂巖。隧道凈跨度取11.6 m、凈高取11.5 m，計算模型四周邊界取3倍隧道跨度，即左右上下邊界取35 m。但由于隧道埋深100 m左右，因此上覆土體部分荷載改由面力施加。隧道前后邊界取50 m。采用三臺階七步開挖法進行隧道開挖，取上、中、下臺階長度分別為3，5，4 m。隧道開挖步驟見圖5。

圖5 隧道開挖步驟示意

3.2 工況設置

根據全風化紅砂巖最優與天然含水率，設置合理的含水率梯度，采用同一批原狀土進行重塑，保證重塑過程中除含水率不同外，其他因素(如顆粒級配、密實度等因素)保持一致。重塑至對應含水率后，對該含水率下的圍巖力學參數進行測定，試驗結果見表2，數值模擬圍巖參數參照表2賦予。隧道初期支護噴射C25混凝土，二次襯砌采用C30混凝土。現場建議支護參數見表3。

表2 不同含水率圍巖力學參數

表3 隧道支護結構參數

3.3 圍巖變形特征分析

隧道開挖循環完成后，取13%含水率下施加初期支護后的豎向與水平位移云圖對比分析，確定圍巖變形特征點，以便設置對應記錄點監測圍巖變形，見圖6。

圖6 位移云圖

水平收斂最大值出現在拱腰70°～110°，豎向沉降最大值出現在拱頂、仰拱底部。因此，當掌子面開挖至監測斷面時，記錄掌子面及前后方一定距離斷面處的圍巖位移情況。根據圖6位移云圖，確定數值模擬中各斷面監測點分布，見圖7。

圖7 監測點位置

圖8所示為隧道在最優與天然含水率下開挖的拱頂沉降曲線。

(1)隨著含水率增大，圍巖條件在含水率為13%左右達到最優，然后逐漸變差，拱頂沉降隨之遞增，尤其是含水率達到20%時，拱頂沉降呈爆發式增長，其最大值達到11.14 cm；在13%含水率下拱頂沉降最小，其最大值僅為4.84 cm。

(2)隧道施工過程中拱頂沉降經歷了3個階段，掌子面前方(1.0～1.5)D(D為洞徑)為預變形段、掌子面后方(2.0～2.5)D為開挖收斂變形段，以及掌子面后方沉降段。

圖8 拱頂沉降曲線

提取中上臺階交界處(2、3號測點)、中下臺階交界處(4、5號測點)水平位移。圍巖在不同含水率下水平收斂曲線見圖9。

圖9 水平收斂曲線

由圖9可知：

(1)水平收斂具有對稱性，隧道左右側收斂發生時機、收斂程度幾乎對稱。

(2)由于施工步原因，隧道左側土體先于右側開挖，導致右側收斂相對左側收斂較大。2、3號測點收斂相差程度尚且較小，隨著開挖進行，收斂累積；4、5號測點收斂差值增大，在20%含水率下、圍巖條件最差時，4、5號測點收斂數值有一定差異。

(3)隨著含水率增大，達到13%時水平收斂最小，最大值為5號測點4.59 cm；含水率繼續增大，圍巖穩定性降低，水平收斂持續增大，20%含水率下水平收斂最大值為8.88 cm。

統計不同含水率下拱頂沉降及水平收斂最大值，見圖10。

圖10 不同含水率圍巖變形最大值曲線

當含水率為12.84%時，即含水率在最優含水率12.76%附近時，圍巖巖性最好，此時隧道變形量最小；當含水率由12.84%變化到20%，即逐漸接近天然含水率19.17%時，變形量增大，且變化速率越來越大。即紅砂巖在含水、飽水乃至于富水的過程中，自身結構、層理不斷破壞，在水的作用下難以維持穩定，且失穩破壞的趨勢隨著含水量的增大越發加快。

此外，當掌子面開挖至監測斷面時，提取上、中、下臺階核心土中線處縱向位移，對掌子面擠出變形進行分析。取最接近最優與天然含水率的兩個含水率工況對比分析，即含水率13%和20%。掌子面擠出變形見圖11，圖中綠線與藍線分別為13%與20%含水率。

最優含水率下掌子面擠出位移較小，上、中、下臺階掌子面擠出位移最大值分別為6.73，3.90，3.92 cm；天然含水率上、中、下臺階掌子面擠出位移最大值分別為12.31，7.12，7.03 cm。尤其注意上臺階擠出位移在高含水率下數值較大，越是接近拱頂處，其擠出位移越大，即很可能在開挖過程上臺階拱頂處出現溜砂垮塌的現象，因此有必要采取超前水平旋噴樁加固并加強監控量測。

圖11 掌子面擠出變形示意(單位：cm)

對比13%、20%兩種含水率下圍巖變形，見表4。相比20%含水率，13%含水率沉降收斂降低40%～50%，掌子面擠出降低55%。因此全風化紅砂巖地層中含水率對圍巖變形的影響幅度較大，在施工過程中應進行加密降水，控制開挖地層含水率。

表4 沉降收斂值對比

注：比值=最優含水率/天然含水率

4 加密降水

對比分析數值模擬結果，在含水率13%(即最優含水率附近)圍巖變形最小；而含水率逐漸增大至20%(即天然含水率附近)圍巖變形劇增，且變形速率越來越快。盡管接近天然含水率時拱頂沉降高達11.44 cm，仍稍小于該工況下規范允許值12.65 cm，但為偏于安全考慮，有必要采取加密降水。

現場決定采用超前深孔真空降水、真空輕型井點和重力式真空深井降水相結合的降水方案。后方采用集水井集水，通過完善排水系統將水分級抽排至洞外。

4.1 洞內超前深孔真空降水

洞內超前深孔真空降水布置方案見表5。

4.2 輕型井點降水

雙排線性布置，沿臺階兩側縱向布置，間距不小于0.5 m，防止距離太小串孔。井點降水布置見圖12。施工過程中可根據現場實際情況動態調整，即在降水前或降水過程中發現問題及時處理，達到安全施工。

4.3 重力真空深井降水

重力真空深井降水施工工藝見圖13。

表5 洞內超前深孔真空降水布置方案

圖12 井點降水布置(單位：cm)

圖13 重力真空深井降水施工工藝

重力式真空深井降水成孔直徑35 cm、井徑20 cm、井深10～15 m(按地層條件決定)，井管采用φ200 mm PVC管，濾水管為圓孔式濾水管，外圍包裹100目密目網兩層，濾料采用粗砂，封孔材料采用膨潤土，封孔深度不小于1 m。降水井結構如圖14所示。

圖14 降水井結構(單位：m)

正洞在下臺階兩側邊墻內50～100 cm處設置，縱向間距3 m，施工過程中視降水效果進行調整。將地下水通過真空抽排的作用降至仰拱底部5 m以下，形成漏斗狀降水，從而降低洞內水位線，使得受水影響的施工難度減小，洞內各工作面能達到有效施工條件。

5 隧道變形現場監控量測

現場在采取降水措施后，于后續加密降水地段，選取DK245+320、DK245+325、DK245+330三個監測斷面對降水后拱頂沉降、水平收斂等位移情況進行監測，降水后含水率測試結果見表6，測點布置方案見圖15。

表6 監測斷面超前降水后含水率

圖15 測點布置方案及現場試驗檢測

拱頂沉降和水平收斂監測時程曲線分別見圖16和圖17。

圖16 監測斷面拱頂沉降時程曲線

圖17 監測斷面水平收斂時程曲線

由圖16、圖17可知，采取進一步加密降水后，監測斷面DK245+325含水率(13.22%)最為接近數值模擬變形最小時的含水率(12.84%)，其監測沉降(5.34 cm)比模擬值(4.84 cm)偏差10.33%，監測墻腳水平收斂(4.91 cm)比模擬值(4.59 cm)偏差6.97%。對比數值模擬與監測值，擬合較好，數值模擬有較高可信度，證實加密降水對控制變形有顯著作用。

6 結論

通過現場試驗、室內試驗和數值模擬，探究不同含水率對全風化紅砂巖地層隧道圍巖變形影響，取得結果如下。

(1)室內試驗結果表明：全風化紅砂巖的最優含水率為12.76%，此時，圍巖的密度、空隙比、黏聚力及摩擦角均優于其他含水率。

(2)數值模擬結果表明，當圍巖地層含水率接近全風化紅砂巖最優含水率時，此時巖性較好，圍巖變形量最小；相比天然含水率附近(20%含水率)沉降值降低43%，水平收斂降低51%。因此，控制現場紅砂巖地層含水率對于隧道施工極有必要。此外，采用三臺階七步法施工，掌子面尤其拱頂處擠出位移較大，建議現場施工提高警惕。

(3)現場試驗結果表明，加密降水后，全風化紅砂巖地層圍巖變形得到有效控制，沉降收斂值較小。所得結果與數值模擬值偏差最大為10%左右，擬合程度好，具有較高可靠度。