高速鐵路黃土隧道施工變形規律及預留變形量研究

馬禧祥，陳 彥

引言

鐵路隧道施工過程中的安全問題一直都是阻礙其發展的重要因素，相比于普通隧道而言，黃土隧道施工的不穩定因素更多，其施工過程中存在的安全隱患也更大。為提高高速鐵路黃土隧道施工安全性控制，在施工前對地質核查顯得尤為關鍵，經分析地質環境對隧道施工的影響規律后，制定合理的施工方案，可盡量避免黃土隧道施工過程中安全事故的發生。

在確定隧道條件、圍巖等級和施工方法的變形儲備時，目前一般采用工程類比法，研究中大多也停留在定性描述上，很少有定量分析。通常考慮開挖深度、隧道寬度和支護方式來確定預留變形量，但在鐵路黃土隧道施工中分析表明并不完全適合。上面以銀西鐵路上閣村黃土隧道工程為例，通過現場實測和統計分析，分析其變形規律，研究其變形儲備，為工程建設提供一些啟示。

1 我國黃土分布情況及黃土特性

1.1 我國黃土分布情況

黃土在我國疆土上的分布范圍是比較廣博的，我國黃土分布面積約64萬km2，占國土面積6.3%。主要分布在陜甘寧、新疆、吉林、黑龍江，在該地區修建高速鐵路，黃土隧道的施工是在所難免的事情。當前我國已經完成的帶有黃土隧道的鐵路線有鄭西客運專線，寶蘭客運專線，蒙華鐵路等[1]。銀西鐵路控制性工程上閣村隧道大地構造單位屬中朝準地臺的陜甘寧坳，該區以深厚的黃土覆蓋，上伏第三系紅黏土，白堊系為基底巖層，產狀水平為主，褶皺和斷裂不發育。

1.2 黃土基本特性

黃土顆粒成分以粉粒（直徑為0.075～0.005mm）為主，約占50%～75%，幾乎沒有大于0.25mm的顆粒；成分均勻，一般無明顯層理，有堆積間斷的剝蝕面和埋藏的古土壤層；具柱狀節理，垂直節理發育，直立性強；表層多具濕陷性，易產生潛蝕，形成陷穴。軟塑黃土特有的物理力學性質，使得在軟塑黃土地層中修建隧道時會存在滲漏水、變形、掉塊、坍塌等施工風險。

2 高速鐵路黃土隧道施工的難點

2.1 黃土的濕陷性

大部分黃土在浸水后，會受到上部土層本身重量的影響或者其他外界壓力的附加，其本身結構會發生變化，進而導致存在的土壤發生極為明顯的變形。在黃土隧道施工中，淺埋隧道地面擾動較大，加之地表降水的滲透易形成地表開裂，隨著孔隙水的上滲土體自重加大，而黃土大孔隙、粘結性差的特點會加重濕陷上沉，對隧道土體結果造成破壞，形成破裂漏斗，初期支護受外力擠壓變形，造成隧道坍塌或冒頂。

2.2 隧道洞口黃土偏壓

黃土地區地形通常高低不平，甚至會有一些極為陡峭的地段，隧道在施工過程中容易在其洞口形成黃土層的偏壓，在偏壓和隧道開挖的雙重作用上，隨著圍巖應力的釋放，將導致隧道洞口段土體發生變形，進而出現一定的水平位移。黃土隧道圍巖強度較低，一旦遇水軟化將會產生隧道深埋側山體產生上滑的偏壓推力，對淺埋鍘圍巖產生擠壓效應，導致地表開裂現象，在偏壓力作用上，極易引起邊坡失穩、溜塌。

2.3 部分黃土地段含水量高

在黃土隧道施工中，某些段落土體含水量過高，使圍巖遇水后強度大幅度降低，黃土長期侵浸在大量的水分中，其性能結構會發生明顯改變，圍巖逐漸失去自穩能力，導致其土質中含有的水量越來越高，最終造成黃土由本身的脆性變為了更加容易變形的塑性[1]。會造成隧道支護承受的荷載越來越大，最終因為承載壓力突破其極限值而發生變形，甚至是坍塌。

2.4 黃土地層中存在沙土層

黃土隧道施工過程中是比較容易遇到黃土地層中存在沙土層的狀況，沙土層本身的土質與黃土地層的土質是存在較大差別的。尤其在其含水量上，沙土層本身就含水分較少，并且對于水分的存留能力也比較差。這樣的土質特性會導致黃土層與沙土層之間的粘結不夠牢固，一旦進行隧道開挖，沙土層無法與底部黃土層凝結在一起，隧道會更容易出現坍塌，而如果在此過程中又遇到外界水流的沖擊，其土層就容易被水流帶走進而出現黃土溜滑的狀況。

2.5 局部沖溝、陷穴發育

黃土地區地表由于沖蝕千溝萬壑，沖溝多為狹窄的V形橫斷面，溝緣明顯，縱剖面傾斜陡急。同時由于黃土顆粒大、疏松多孔、易崩解、濕陷性強等特點，地表水由地面徑流沿著黃土中的裂隙和孔隙上滲進行潛蝕，破壞了黃土的原有結構或使土粒流失、產生洞穴，最后引起地面崩塌所形成大量陷穴，對隧道施工危害極大。

3 黃土隧道施工變形規律

在隧道施工過程中，根據圍巖等級布設了監控量測點，并開展了大量監控量測工作，收集匯總了相關監控量測數據，按隧道埋深、含水量變化、仰拱封閉情況分別對數據變化繪制了曲線圖，并進行了分析，揭示了一定的變形規律。

3.1 隧道變形與隧道埋深的關系

3.1.1 拱頂上沉及速率與埋深統計圖見圖1。（1）經統計，拱頂上沉最大值51cm出現在隧道埋深20m處；（2）拱頂上沉超過20cm的數值全面分布在隧道埋深60m以內，其中有64%分布在隧道埋深30m以內，同時隧道埋深30m以內初支噴層開裂占全部開裂的63%。

3.1.2 凈空變形特征值與埋深分布圖見圖2。（1）水平收斂最大值為18cm在隧道埋深40m處；（2）凈空變形不論拱頂上沉，還是水平收斂隨埋深分布呈現出淺埋變形大、深埋變形小的形態。

圖2 凈空變形特征值與埋深分布圖

3.1.3 凈空變形特征值與埋深分布圖見圖3。（1）凈空變形特征值（上沉與收斂之比）平均值在埋深小于30m時達到5以上，埋深在30m～60m之間時達到3以上，60m～140m為1.3，即淺埋時上沉顯著大于收斂，深埋時二者趨于接近；（2）凈空變形特征值隨埋深分布呈現出淺埋數值大、深埋數值小的規律。

圖3 凈空變形特征值與埋深分布圖

3.2 隧道變形與黃土含水量的關系

隧道拱頂上沉與含水量分布圖見圖4。（1）土體含水量最大值31%時拱頂上沉量46cm；（2）經統計中高含水量的拱頂上沉值約為一般含水量的1.5倍，高含水量的拱頂上沉值為一般含水量2倍以上；（3）表明含水量高低是影響拱頂上沉的重要因素。

3.3 隧道變形與仰拱封閉的關系

圖4 拱頂上沉與含水量分布圖

3.3.1 拱頂上沉與仰拱封閉距離的關系曲線見圖5。（1）變化曲線顯示隨著仰拱封閉距離變大，拱頂上沉數值也不斷變大，仰拱封閉距離30m處拱頂上沉數值是12m處的1.12倍～1.22倍。（2）含水量變大，同一斷面拱頂上沉數值也變大，含水量20%以上時拱頂上沉值是含水量20%以上時的1.22倍～1.44倍。

圖5 拱頂上沉與仰拱封閉關系曲線

3.3.2 水平位移與仰拱封閉距離的關系曲線見圖6。（1）變化曲線顯示隨著仰拱封閉距離變大，拱腰水平位移數值也不斷變大，仰拱封閉距離30m處拱頂上沉數值是12m處的1.75倍～2.0倍。（2）含水量變大，同一斷面水平位移數值也變大，含水量20%以上時水平位移值是含水量20%以上時的1.75倍～2.0倍。

圖6 水平位移與仰拱封閉關系曲線

3.3.3 隧道變形與仰拱封閉距離關系見圖7。（1）拱頂上沉在仰拱封閉距離超過30m后仍呈現規律性增大，35m處是30m處的1.11倍，45m處達到30m處的1.65倍；（2）水平收斂在仰拱封閉距離超過30m后也呈現規律性增大，35m處是30m處的1.06倍，45m處達到30m處的1.36倍。

圖7 變形與仰拱封閉距離關系圖

4 黃土隧道施工預留變形量分析

4.1 分析結果

黃土隧道施工過程中的圍巖變形是不可避免的，隧道開挖過程中拱頂上沉和周邊收斂變形較大，仰拱封閉后變形速度減小，變形趨于穩定[2]。隧道預留變形量的數值應該根據黃土隧道受含水量以及埋深影響發生變形的規律來確定，要盡量確保預留的變形量能夠滿足施工過程中隧道變形的需求，幫助隧道施工過程中的支護設置更加安全可靠。根據調查統計分析結果，拱部預留變形量根據含水量情況應適當加大，邊墻部位可適當減小。

4.2 預留變形量取值建議

由于隧道支護與黃土地層相互作用的復雜性，以及與隧道初期支護變形影響因素的不確定性，現場實測數據仍有一定的離散性[3]。綜合數據分析，結合隧道現場實測數據及施工控制結果，對高速鐵路黃土隧道預留變形量根據隧道不同部位和土體含水量變化，得出以上預留變形量建議值。

（1）隧道邊墻預留變形量建議取10cm。（2）隧道拱部預留變形量:土體含水量＜17%時建議取20cm；17%≤土體含水量＜25%時建議取30cm；土體含水量≥25%時建議取40cm。

5 結束語

高速鐵路黃土隧道施工過程中的變形是存在一定的規律，需要在施工之前對該規律的變化及其影響因素進行分析，并據此來確定施工預留變形量，并對預留變形量進行驗證試驗，確保黃土隧道施工的安全與質量。