銀西高鐵黃土塬區古土壤圍巖隧道含水率變化特性研究＊

劉 濤，章 洵，李 昕，趙永虎

（1.銀西鐵路有限公司，寧夏 吳忠 751100；2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

銀川至西安高速鐵路（以下簡稱“銀西高鐵”）是我國“八縱八橫”高速鐵路網中“包海通道”的的重要組成部分，受黃土地區地形地貌、線路方案等多種因素限制，銀西高鐵在穿越巨厚層黃土塬時多采用隧道形式，古土壤作為黃土層中特殊的層狀巖土體，具有節理發育、強水敏性等特征[1]，在穿越黃土塬時早勝三號隧道洞身長段落為古土壤層，因此，古土壤圍巖隧道工程的施工進度及其安全施工成為銀西高鐵隧道的關鍵性因素[2]。

在影響隧道施工安全及進度的諸多因素中，地下水位埋深設及圍巖含水率變化成為影響黃土隧道安全、快速施工的關鍵因素之一[3]。因此，國內不少學者針對隧道富水特性對開挖、支護等施工過程的影響開展了較多研究。王國強[4]以G312線黃土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結構強度的影響機理。蘇春暉等[5]以鄭西客運專線張茂富水黃土隧道為例，采用數值仿真分析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。陳福江[6]分析了圍巖含水率對黃土抗剪強度、壓縮模量等參數及對隧道形態的影響規律。田俊峰等[7]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[8]基于數值仿真分析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、不同埋深條件下隧道圍巖變形的時空效應。王釬[9]以寶蘭客專某黃土隧道為例，通過現場監測和數值仿真研究了大斷面高含水量黃土隧道初期支護的力學特性。周平等[10]分析了圍巖含水率對昔格達地層隧道圍巖穩定性的影響規律。姚威[11]分析了在高地應力深埋隧道開挖過程中平行導洞施工對主洞的變形影響規律。趙永虎等[12]對黃土隧道圍巖含水率在施工前期內的變化規律進行了研究。劉俊平[13]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隧道的影響研究主要采用數值模擬方法，在圍巖含水率較高地段掌子面開挖后取樣進行室內試驗分析，并未開展隧道內的長期觀測，在整個施工周期內針對黃土隧道圍巖含水率現場監測方面的研究開展的較少。

鑒于此，本文以黃土塬區在建銀西高鐵沿線早勝三號隧道為例，基于現場實際監測，在隧道整個施工周期內對古土壤層圍巖含水率的變化規律進行研究，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，也為黃土地區特殊地層圍巖隧道安全施工提供借鑒。

1 工程概況

早勝三號隧道位于甘肅省慶陽市寧縣境內，基本走行于黃土梁塬溝壑區（如圖1所示），為銀西鐵路控制性工程。隧道設計為雙線單洞，斷面直徑最大為15.2m，開挖面積約為160m2，為在建最長大斷面全黃土隧道。隧道最大埋深約210m，最小埋深約10m。

隧道淺埋地段累計里程2570m，約占總里程23%，為V級圍巖，巖性主要為第四系上更新統風積黏質黃土(Q3eol)，主要采用三臺階預留核心土工法施工。洞身主要地層為第四系中更新統風積黏質黃土(Q2eol)及成層分布的古土壤層，黏土礦物含量高，具弱膨脹性、高水敏性特征。以古土壤地層為主要巖性的隧道里程累計達8555m，約占總里程76.6%，圍巖等級為IV級，主要采用三臺階法施工。

隧道區地下水類型主要為第四系松散層孔隙水，含水層主要為中更系統黃土，既有孔隙潛水的一般特征，還具有裂隙水的水力性質，導致結構疏松，孔隙率高，是地下水的主要儲存和運移通道。地下水位線位于IV級圍巖洞身以上，且受洞身附近楊家堡水庫等3座水庫及泉水等的下滲，因此，隧道施工中易出現突涌水、滲漏、坍塌等病害，屬于II級高風險。因此，對施工期間隧道圍巖含水率的及時監測與分析，可以為隧道安全施工提供科學依據，如圖1所示。

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TDR水分傳感器，鋼拱架應力采用表面應變計進行測試并換算可得。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[10]。

2.2 斷面布設方案

水分傳感器和表面應變計在現場斷面的監測位置包括拱頂、左右拱腰、左右拱腳和仰拱底部中心共6個部位，現場斷面監測點布設如圖2所示。

圖2 斷面測試元件布設位置

測試斷面選擇在早勝三號隧道DK186+325里程處，埋深約為70.9m，原始地下水位高出拱頂約63.4m，附近為惠家堡水庫，因此，施工中受地下水的影響極大，為保障施工安全，施工期間進行連續排水。圖3為早勝三號隧道1#斜井圍巖現場監測地質縱斷面圖。

圖3 早勝三號隧道圍巖現場監測地質縱斷面

3 監測數據分析

3.1 圍巖含水率

圖4為早勝三號隧道DK186+325斷面圍巖含水率的時程曲線，從圖中可知，不同部位處圍巖含水率隨時間變化具有一定的差異性，拱頂圍巖含水率呈“增大-減小-增大-平穩”的四階段變化趨勢，而拱腰部位圍巖含水率呈“增大-平穩-增大-平穩”的四階段變化趨勢，仰拱部位圍巖含水率呈“線性急劇增大-緩慢增長-平穩”三階段變化趨勢，拱腳部位圍巖含水率呈“線性增大-平穩”兩階段變化趨勢。圍巖含水率出現差異性變化的主要原因是隨著圍巖開挖暴露和封閉的循環施工，使得隧道圍巖裂隙水沿著隧道襯砌層逐步滲流與匯集，不同部位的圍巖的節理差異等導致的。

從空間差異性來看，含水率趨于穩定后仰拱和拱腳部位圍巖含水率均大于拱頂和拱腳處，且仰拱處含水率增幅在整個斷面呈最大，這是由于該段落正處于水庫中心位置，隧道開挖過程中裂隙水滲透性較強，初期支護的混凝土封閉成環后圍巖四周的裂隙水等地下水沿著混凝土外側土體節理、裂隙等下滲后匯聚到仰拱處，加之隧道內混凝土養護施工用水等匯聚，故在仰拱及拱腳部位的圍巖含水率及其增幅遠大于拱頂和拱腰處。

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，最終有可能對隧道穩定性造成影響[14]。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。

圖4 圍巖含水率時程曲線

3.2 鋼拱架應力

圖5為早勝三號隧道DK186+325斷面鋼拱架應力時程曲線，可以看出，各監測點均為負應力值，表明鋼拱架以承受壓應力為主。拱頂處壓應力值最大，穩定后達到-87.5Mpa，左側拱腰處壓應力值次之，達到-73.9MPa，而其余位置處鋼拱架應力值較為接近，在-10～-30MPa之間變化，由此可見，該隧道斷面初襯鋼拱架主要受隧道拱頂和左側拱腰處方向的主應力作用較大。

從鋼拱架應力的時間變化角度來看，拱頂和右拱腰處鋼拱架應力在仰拱開挖前的18d內增幅較小，待仰拱開挖后的6d內近似呈線性增大，直至二襯施作后趨于穩定。拱腰和仰拱處鋼拱架應力增幅較小，增長期亦在2周內，二襯施作時已基本穩定。因此，從初期支護到二襯施作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。

圖5 鋼拱架應力時程曲線

3.3 圍巖變形

圖6為早勝三號隧道DK186+325斷面圍巖變形時程曲線，從圖中可知，深埋古土壤隧道的沉降收斂變形整體上呈線性增大后趨于穩定的兩階段變化趨勢。上臺階開挖約7d后拱頂沉降趨于穩定，最終沉降量為33.5mm，拱腰處沉降與水平收斂仍在增大，直至12d后趨于穩定，最終水平收斂量和沉降量分別為72mm、70mm。中臺階開挖后2d內邊墻水平收斂量略大于邊墻沉降量約3mm，在3～8d內邊墻沉降量略大于邊墻水平收斂量約2～3mm，之后邊墻水平收斂量又略大于邊墻沉降量約2～5mm，最終邊墻水平收斂量與沉降量分別為71mm、66mm。下臺階開挖7d后墻腳水平收斂與沉降變形趨于穩定，二者變形量分別為46.5mm、43mm，且整個斷面的圍巖變形速率均小于2mm/d，累計變形量和變形速率均滿足規范要求，即該監測斷面圍巖從上臺階開挖約2周后變形整體達到穩定，即可進行后續仰拱施工。

圖6 圍巖變形時程曲線

對比分析發現，整個監測段面拱頂沉降遠小于其余各部位沉降變形及水平收斂，即深埋古土壤隧道圍巖變形以拱腰和邊墻部位的變形為主。變形穩定后拱腰位置的水平收斂和沉降變形最大，其次為邊墻部位的水平收斂和沉降變形，之后為墻腳部位的水平收斂和沉降變形，最小的是拱頂沉降變形。整體來看，拱腰、邊墻和墻腳處圍巖的水平收斂變形略大于對應沉降變形。因此，在施工過程中應特別重視圍巖收斂變形對整個隧道穩定性的影響。

4 施工建議

對于在建的大斷面古土壤隧道，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在地下水位較高、富水地段或施工過程中在掌子面含水率突增或明顯異常情況下，應立即查明原因，并結合地質超前預報和圍巖監控量測方案，采取必要預支護、預加固措施，以防止由于含水率增大導致圍巖強度下降或變形加劇，甚至出現突涌水、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，盡早使得開挖面形成封閉圈，減小掌子面開挖后暴露時間，以控制圍巖出現大變形，應特別注重拱腰和邊墻處的水平收斂與沉降變形。

3)在整個施工過程中應重視防排水措施，仰拱盡量少積水，保證在施工期間隧道圍巖少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”的一種施工理念。

5 結論

本文通過現場監測，對古土壤圍巖隧道施工期內圍巖含水率、鋼拱架應力及圍巖變形規律進行了研究，得到如下結論：

1）古土壤隧道圍巖含水率具有明顯的時空效應，在時間上呈“增大-波動-平穩”的三階段變化趨勢，含水率趨于穩定后仰拱和拱腳部位圍巖含水率均大于拱頂和拱腳處，且仰拱處含水率增幅在整個斷面呈最大；

2）鋼拱架主要承受壓應力，拱頂和拱腰位置的鋼拱架壓應力最大，鋼拱架在施工期內承受圍巖壓力、確保大斷面古土壤隧道圍巖穩定性方面發揮著重要作用；

3）深埋古土壤隧道圍巖變形以拱腰和邊墻處的水平收斂和沉降變形為主，拱頂沉降變形較小。

需要說明的是，受監測時間限制，本文得到的規律性僅為測試斷面近2個月內的數據，但原始地下水位較高的深埋隧道在施工期間采取了降排水措施，因此，待隧道貫通、地下水位恢復后可能會引起圍巖的含水率發生重分布，由此可能會引起鋼拱架應力發生變化，因此，尚需對圍巖含水率及鋼拱架應力進行長期監測，以便為運營期內圍巖含水率及地下水位的變化規律進行深入分析。