黃土隧道圍巖壓力時空特征統計分析

白子斌

（中鐵二十二局集團第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

圍巖壓力作用模式及其時空效應特征作為隧道支護－圍巖作用關系中的核心內容，與隧道支護結構設計參數的確定密切相關，長期以來都是隧道工程界研究的焦點問題之一［1－5］。中外學者對隧道圍巖壓力分布規律或計算方法進行了系統分析，提出或修正了隧道圍巖壓力的計算方法［6－8］。

黃土是一種第四紀松散堆積物，在我國具有分布范圍廣泛、連續、地層發育完整、厚度大等特征。由于黃土強度低和物理力學特性復雜，黃土隧道施工中遇到了初期支護變形量大、地表沉降量大、襯砌開裂嚴重、隧道塌方等突出問題。在黃土隧道設計和施工方案確定過程中，揭示圍巖壓力的作用機制、力學性質及其時空效應特征是優化設計參數，確定合理施工方案的根本前提。然而鑒于黃土隧道工程特點和地質條件的復雜多變性，黃土隧道圍巖壓力時空效應特征一直沒有得到很好地揭示［9－11］。

本文依托我國多座黃土隧道工程，通過對50個黃土隧道斷面圍巖壓力監測數據的統計分析，探討圍巖壓力時空效應特征，并進行影響因素分析，以期為分析黃土隧道設計和施工方案確定提供參考。

2 監測樣本與影響因素分析

2.1 監測樣本基本情況

本文統計樣本共包含17座隧道（5座鐵路隧道、10座公路隧道、2座城市地鐵隧道）的50個監測斷面（19個鐵路、24個公路、7個城市地鐵隧道），如表1所示。相關說明如下：

表1 黃土隧道圍巖壓力監測斷面統計樣本

（1）鑒于本文數據多是來自已經公開發表的學術論文，有些信息未能找到，在表中以“—”代替。

（2）表中所統計圍巖壓力監測數據測點位置主要集中在隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱墻和拱腳等處。最后一列“備注”給出了該監測斷面的補充特征。

（3）表中所列圍巖級別和埋深是指監測斷面所處位置的圍巖級別和埋深。本文樣本各斷面埋深分布在9～180 m之間。

（4）從圍巖級別來看，所統計監測斷面圍巖級別集中在Ⅳ～Ⅵ級，其中Ⅳ、Ⅴ級較多，Ⅵ級相對較少，如圖1所示。這主要是由于黃土地層大都屬于Ⅳ～Ⅵ級的范疇內，相對而言黃土Ⅵ級圍巖在施工中并不常見，且主要集中在山嶺隧道洞口段和城市地鐵隧道，因此其測試樣本較少。

圖1 隧道圍巖級別分布統計

（5）從開挖方法來看，采用臺階法開挖的監測斷面所占比重最大，達80%；其次為CRD工法，占12%；其他為盾構法，占8%，如圖2所示。因此盡管黃土隧道屬于土質隧道，在控制隧道地層變形方面，臺階法不及CRD法和盾構法，但由于其在施工效率和經濟性方面的顯著優勢，依然成為黃土隧道的主流施工方法。

圖2 黃土隧道斷面施工工法分布統計

（6）對于隧道開挖跨度，本文統計的5座鐵路隧道均為高速鐵路單洞雙線隧道，開挖跨度約15 m；10座公路隧道開挖跨度在10.25～17.59 m之間；兩座地鐵區間隧道開挖跨度相對較小，分別為6.2 m和10 m。

2.2 黃土隧道圍巖壓力總體分布特征

將黃土隧道圍巖壓力監測值根據其圍巖級別分類，可分為Ⅳ級、Ⅴ級和Ⅵ級圍巖3類，并在每類中將壓力數據分為若干區間，得到圍巖壓力分布區間頻數直方圖，如圖3所示。

圖3 圍巖壓力區間分布

（1）Ⅳ級圍巖統計樣本個數134個，最大圍巖壓力481 kPa；Ⅴ級圍巖統計樣本個數307個，最大圍巖壓力1 256.25 kPa；Ⅵ級圍巖統計樣本個數43個，最大圍巖壓力285 kPa。

（2）若以各級圍巖的圍巖壓力算術平均值作為其數學期望值，則Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ級圍巖的圍巖壓力算術平均值為83 kPa、219.5 kPa和64 kPa。

（3）Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ級圍巖100 kPa以下測點所占百分比分別為71%、41%和80%，且Ⅴ級圍巖頻率分布在150 kPa以上區間百分比遠大于Ⅳ級圍巖和Ⅵ級圍巖。

與Ⅳ級圍巖相比，Ⅴ級圍巖壓力均值明顯增大，超過100 kPa的所占百分比為58%，且分布在150 kPa以上的百分比增大趨勢更加顯著。

（4）由于Ⅵ級圍巖樣本較少，且集中在斷面較小的城市地鐵隧道，圍巖壓力監測數據多在100 kPa以下。

除斷面較小的地鐵隧道外，根據其他43個監測斷面圍巖壓力最大值分布區間（見圖4）可以看出，86%的斷面圍巖壓力最大值超過了150 kPa，其中65%的斷面超過了200 kPa。如果近似取黃土地層重度γ＝20 kN／m3，則大部分黃土隧道圍巖壓力最大值超過了10 m土柱的重量，即可以認為大斷面黃土隧道圍巖擾動范圍多在10 m以上。

圖4 黃土隧道圍巖壓力最大值分布區間

2.3 影響因素分析

隧道圍巖壓力的影響因素包括圍巖等級、埋深、跨度和施工方法等，其中圍巖等級的影響上文已經進行了分析，本節重點討論埋深和跨度的影響。

（1）埋深影響

為了消除各隧道跨度不同對圍巖壓力數值的影響，將各斷面圍巖壓力平均值除以地層重度（取γ＝20 kN／m3），再除以隧道跨度作為縱坐標，得到埋深對黃土隧道圍巖壓力的影響規律，如圖5所示。可以看出：圍巖壓力隨埋深變化分布較為離散，但總的趨勢是隨埋深增加而增加。且Ⅴ級圍巖壓力隨埋深增大趨勢比Ⅳ級圍巖要大，說明隨著圍巖級別增大，圍巖條件也趨于惡化，圍巖壓力隨埋深增大更加明顯。我國隧道規范中在計算圍巖壓力時認為深埋條件下為定值，這與本文統計結果并不相符。

圖5 圍巖壓力與埋深關系

（2）跨度的影響

隨黃土隧道開挖跨度的變化，圍巖壓力監測結果較為離散，但總體趨勢是隨跨度的增加而增大（見圖6）。一般隧道跨度大于10 m，由圖6可以發現，在10～15 m跨度間圍巖壓力大致呈線性增長，在15 m左右圍巖壓力數據較為離散，這是因為跨度15 m隧道較多，影響圍巖壓力因素復雜，所得數據差別較大；但當跨度大于15 m時，可以較明顯地發現圍巖壓力增長迅速。

圖6 Ⅴ級圍巖各斷面圍巖壓力隨開挖跨度變化曲線

3 圍巖壓力時空分布規律

為簡化分析，且不失一般性，本節選取4個典型監測斷面分析圍巖壓力的時間變化特征。選取典型斷面分別為函谷關DK270＋525斷面（高速鐵路隧道淺埋Ⅴ級圍巖）、賀家莊DK242＋960斷面（高速鐵路隧道深埋Ⅳ級圍巖）、唐家塬隧道YK302＋041（超大跨隧道Ⅴ級圍巖）和西安地鐵3號線YDK29＋726.251斷面（CRD法暗挖地鐵隧道）。根據4個典型監測斷面的圍巖壓力時程曲線（見圖7）可以看出：

圖7 黃土隧道圍巖壓力隨時間變化曲線

（1）黃土隧道圍巖壓力時程變化特征顯著，大都可以概括為快速增大、緩慢增大和趨于穩定3個階段。其中快速增大階段結束后圍巖壓力監測值往往超過了最終結果的三分之二之多。不同斷面圍巖壓力發展經歷各個階段的時間有所不同，但多數斷面圍巖壓力監測值在隧道開挖完成后3個月內趨于穩定。

（2）目前我國大斷面黃土隧道施工主要采用以臺階留核心土為主的分部開挖方法，受各步序施工多次擾動的影響，圍巖壓力會產生波動性甚至突變性的變化，這反映了施工中支護與圍巖相互作用、應力狀態不斷調整的過程。

（3）在臺階法施工中，后續開挖支護作業步序對前期監測結果影響十分明顯，以下臺階開挖為例，如果支護及時且迅速封閉成環，初期支護將承受開挖卸荷帶來的壓力，圍巖壓力會有一個顯著增大的過程；若下臺階支護不及時，則上部初期支護將懸空較長時間，這樣雖然降低了圍巖、初支之間接觸的緊密程度，但卻加劇了上部地層的松動范圍，引起上部圍巖壓力的進一步增大。因此，臺階法施工中應及時施作下臺階初期支護，縮短上臺階初期支護的懸空時間。

（4）與一般山嶺隧道不同，黃土地層具有顯著的蠕變特性，在黃土隧道圍巖壓力監測時程曲線中地層荷載的釋放除瞬時效應外，還具有明顯的流變特性，圍巖壓力穩定歷時較長。因此在黃土隧道設計階段應考慮作用于支護結構的長期流變荷載。

（5）從黃土隧道圍巖壓力沿洞周的空間分布可以看出，絕大部分圍巖壓力監測值為壓力，而個別監測斷面的某些部位圍巖壓力監測結果出現負值，這與理論分析結果是不相符的。從另一方面反映出要準確地監測到圍巖壓力值是比較困難的。

（6）黃土隧道圍巖壓力最大值可能出現在洞周的任一部位，但拱肩位置和拱腰位置出現頻率最高，二者之和所占百分比達68%，拱頂和拱腳位置出現的頻率均占16%。這與根據隧道設計規范建議的圍巖荷載作用模式，采用豎向壓力和水平壓力疊加計算圍巖壓力的方法得到的圍巖壓力沿洞周分布規律基本一致。

4 結論

（1）盡管黃土隧道屬于典型的土質隧道，可是臺階法依然成為大斷面黃土隧道的主流施工方法，也將是今后多數黃土隧道施工的首選工法。

（2）我國黃土隧道多隸屬于Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，其圍巖壓力算術平均值分別為83 kPa和219.5 kPa，且大斷面黃土隧道圍巖擾動范圍多在10 m以上。

（3）黃土隧道開挖后，其圍巖壓力時程效應顯著，主要經歷快速增長－緩慢增長－趨于穩定三個階段，受分部開挖過程影響顯著，其中快速增大階段結束后圍巖壓力監測值往往超過了最終結果的三分之二之多，且黃土隧道圍巖壓力隨時間變化影響較長，多存在一定的長期流變荷載。在黃土隧道設計階段應考慮作用于支護結構的長期流變荷載。

（4）黃土隧道圍巖壓力最大值可能出現在洞周的任一部位，但拱肩位置和拱腰位置出現頻率最高，與隧道設計規范建議的圍巖荷載作用模式是一致的。