考虑非饱和黄土基质吸力影响的隧道病害分析

薛晓辉，宿钟鸣，孙志杰，员康锋

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原030006)

随着我国中西部高速公路建设的不断发展，非饱和黄土隧道越来越多.在非饱和黄土地区，由于隧道的开挖使得隧道周围形成一个应力自由面，而且从水文学角度来讲，隧道的开挖形成了一个地下水汇集长廊，此汇水过程使隧道周围土体内的含水量发生显著增加，引起土体中基质吸力的急剧减小，使其土体强度也随之大大减小［1－2］. 由此而引发隧道施工及运营过程中的诸多问题.

目前，研究非饱和黄土的工程性质必须考虑非饱和黄土基质吸力随土体内含水量大小的变化情况，这在工程界已形成了共识.任青文等根据隧道施工期和运营期不同的受力情况，推导出深埋隧道塑性区不同的芬纳公式，并对芬纳公式进行了修正［3］.李宁军等利用修正的芬纳公式分析了非饱和黄土基质吸力变化对隧道力学特性的影响［4］. 康佐等结合工程实例，利用芬纳公式和有限元数值模拟分析了非饱和黄土基质吸力的变化对隧道支护力和塑性区的影响［5］.这些研究工作都是利用芬纳公式得出的结论直接应用于工程实际，而未从试验角度分析基质吸力的变化规律. 笔者结合大有山隧道工程实例，利用室内试验分析基质吸力的变化规律，进而分析隧道病害的形成机理，并指出其相关防治措施，以期能为类似的非饱和黄土隧道的设计、施工提供理论指导，减少隧道施工及运营期的病害，提高其经济效益和社会效益.

1 工程概况

大有山隧道隧址区位于西宁盆地，为双向四车道分离式隧道，其隧道右线里程为YK2 +660—YK5+190，左线里程为ZK2 +660—ZK5 +205. 隧道埋深为20 ～110 m，开挖跨度12. 6 m，设计速度为100 km/h.隧道建筑限界宽度为10. 75 m，高度为5.0 m.预测2028年日平均交通量为51 315 辆/日(小客车).

隧址区地貌单元属黄土塬梁地貌，海拔高程为2 314.8 ～2 444.2 m，相对高差约130 m. 进口段为北川河西岸Ⅲ级阶地地貌，地形呈阶梯状起伏，台面平整;出口端为黄土塬梁深切沟谷斜坡地貌，坡面陡峻，坡度为45° ～50°.在左线ZK2 +960—ZK3 +180或右线K3 +080—K3 +240 洞身段为深切U 型沟谷，沟床有二、三十米厚的素土碾压夯实垫层.

在地质构造方面，隧址区位于祁、吕、贺“山”字型构造体系的西翼弧形褶皱带部位，总体褶皱形态表现为复式向斜构造.西宁市位于其背斜轴部末端.在燕山运动中，该区发生了断裂凹陷，形成了许多山间盆地，沉积了较厚的第三系泥岩;喜马拉雅运动使第三系地层发生了平缓的褶皱和断裂，以后受长期的侵蚀和剥蚀，堆积了较厚的第四系黄土.勘探结果揭示，隧址区黄土地层属于第四系上更新风积黄土，为半干旱地区的非饱和黄土，且带有一定的湿陷性.

2 大有山隧道病害概况

2.1 塌 方

2008年8月12日，西宁过境公路西段大有山隧道进口左洞ZK2 +957—ZK2 +963 处(距掌子面约60 m)拱顶下沉40 mm 左右，ZK2 +950—ZK2 +957 处初期支护混凝土出现裂缝. 掌子面处发生突泥、涌水，随后在ZK2 +960 处发生塌方，地表产生塌陷，塌陷范围11 m×10 m，深度2.5 ～3.0 m.

2.2 裂 缝

大有山隧道仰拱裂缝约有10 ～15 条，其中进口段4 条，出口段8 条，每条裂缝长度约4 ～6 m，裂缝宽度约5 ～10 mm，裂缝位置为距拱脚1.0 ～1.5 m.裂缝发育的时间为初期支护封闭成环后，二次衬砌施工以前.观测结果显示，在二次衬砌施工完成后，裂缝逐渐停止了发育. 二次衬砌裂缝主要发生在仰拱回填断面处、车人行横洞与主洞交叉口位置，裂缝沿车人行横洞洞口向主洞衬砌上方延伸，裂缝宽度2 ～3 mm，长度1 ～2 m.

大有山隧道在通车运营1 a 后，隧道洞内路面、洞身出现环向裂缝，且在同年7月份的两次集中强降雨后裂缝发展速度急剧增加.

3 病害机理分析

3.1 理论分析

非饱和黄土在物理性质方面较一般黄土有较大差异，其黏聚力是由土中水膜的物理化学作用以及土矿物颗粒的黏结力和颗粒间分子吸力所构成;摩擦力取决于土颗粒接触面上的正应力大小和土颗粒与胶结物接触面之间的摩擦程度;吸附强度由基质吸力产生，受含水量的影响较大，当土的含水量达到饱和状态时，土的基质吸力和吸附强度随之消失.因此非饱和土摩尔－库仑强度条件下的抗剪强度为

式中:Cw为黏聚力;S 为基质吸力;bSd为吸附强度;σtanφ 为摩擦力;b，d 为随取土点而变化的拟合参数.

由式(1)可以看出，非饱和黄土基质吸力的变化对于土体的力学形态影响较大，从而直接影响了非饱和黄土隧道病害的发生及其发展.

3.1.1 非饱和黄土基质吸力对隧道支护力的影响

修正的芬纳公式假定隧道处于无限大、均质各向同性的岩土体中，黏聚力和摩擦角为常数，从而根据隧道的弹塑性分析可将其视为轴对称问题. 将式(1)代入修正的芬纳公式可得

式中:Pi为隧道内支护力;P0为隧道初始地应力;r0为开挖半径;R0为土体塑性区半径.

由式(3)可知，隧道内支护力Pi由初始地应力P0、黏聚力Cw、吸附强度bSd决定，而三者对支护力的贡献又与a 有关.当a 增大时，初始地应力对隧道的施压作用增大，黏聚力和吸附力对隧道的承载作用减小;当a 减小时，则相反. 假定土体塑性区半径R0保持一定，开挖半径r0为一定值，则a 值的大小取决于摩擦角φ.当土体含水量增加时，摩擦角减小，a值增大，基质吸力对隧道的承载力贡献减小.为定量分析基质吸力与隧道内支护力之间的关系，将a 取为3 个定值，利用拟合曲线得出规律如图1所示.

图1 Pi－S 关系曲线

由图1可以看出，当基质吸力S 增大时，隧道支护力Pi则随之减小;相反，当基质吸力减小时，隧道支护力则随之增大.可以推断，当非饱和黄土含水量增加时，基质吸力急剧减小，隧道支护力则随之增大，且当a 值较小时，支护力Pi增大的趋势越显著.

大有山隧道地表水的下渗引起非饱和黄土基质吸力的损失，导致隧道所需支护力急剧增大;且通过对拱肩、拱墙、拱脚等部位的钻孔勘探，发现原土体含水率由10% ～30%增加至25% ～45%，饱和度增加至50% ～60%，在拱脚位置甚至出现了泥化现象，土体抗压强度较设计值有极大的折减. 因此，隧道结构的原有支护力已不能满足隧道整体稳定性的要求，从而引发拱顶下沉、塌方等病害.

3.1.2 非饱和黄土基质吸力对隧道塑性区的影响非饱和黄土基质吸力的变化对土体强度的影响较大，从而间接影响隧道的塑性区.为定量分析基质吸力S 对隧道塑性区半径R0的影响，先假设隧道内支护力达到理论最大值，即

由式(5)可知，当基质吸力不断减小时，Δ(bSd)不断增大，A 值不断增大，塑性区半径R0则随之增大.当摩擦角φ 较小时，基质吸力减小引起塑性区半径增大的趋势较显著.

非饱和黄土隧道的支护力对于隧道结构的稳定有极大的作用. 大有山隧道进口左洞ZK2 +957—ZK2 +963 处由于非饱和黄土含水量增加，基质吸力减小，隧道所需支护力明显增大，原衬砌所提供的支护力不能满足要求，从而引起该处衬砌产生40 mm的拱顶下沉.当基质吸力减小时，隧道塑性区半径随之增大，隧道周围土体发生较大塑性变形.大有山隧道所发生的病害主要原因在于地表降雨及地表灌溉水的渗入，地表水下渗后遇到防水层的阻隔，汇集到防水层后的拱脚位置，但由于大有山隧道防排水系统的不完善，下渗水不能及时排走，从而引起该处产生较大塑性变形，隧道周围产生不均匀变形，引起隧道衬砌的环向裂缝.

3.2 试验分析

为分析非饱和黄土基质吸力的变化对土体强度、应力－应变规律等方面的影响，笔者从大有山隧道选取了原状非饱和黄土，采用非饱和土三轴仪对其进行室内等围压变吸力剪切试验.

3.2.1 等围压变吸力剪切试验

在工地现场取土样，并将其削成边长25 cm 的立方体，标明土样的上下方向，用塑料纸包好，运回实验室途中尽可能保持其原状［6］. 将原状土制成试样后，利用风干法调整其含水率为8%，由常规三轴仪、常规土工试验可测得试样的基本物理参数为:天然含水率w =10.3%，塑性指数Ip=8.0，比重Gs=2.7，有效黏聚力c=12.0 kPa，摩擦角φ=32°.

试验仪器为FSY10－2 型应力应变非饱和三轴仪.利用专用削土器削样，共制备8 个原状三轴试样(直径为3.9 cm，高度为8.0 cm)，试验共进行8 组.将试样安装在三轴压力室后，对试样施加围压和气压，所施加的气压应能使量测的孔隙水压力大于零，围压值应在气压值的基础上加上试验所要求的净围压值.当孔隙水压力传感器的读数保持稳定时，读取所施加的气压值ua、孔隙水压力uw，则土样的基质吸力S=ua－uw.在固结剪切过程中，通过调整所加气压，可以改变作用在试样上的基质吸力.

3.2.2 试验结果分析

试验中，围压取定值150 kPa，基质吸力取变值分别为50，100，150，200 kPa，所得等围压变吸力条件下的非饱和黄土的应力－应变规律及强度参数变化趋势如图2—4 所示.

图2 等围压变吸力条件下土体应力－应变关系

图3 土体黏聚力随基质吸力的变化趋势

图4 土体摩擦角随基质吸力变化趋势

由图2可以看出，当围压保持一定时，基质吸力越大，土体产生相同应变所需的应力越大;在试验加载的初始阶段，应力增加趋势较明显，最后逐渐趋于平稳.

由图3可以看出，当基质吸力较小时，黏聚力随吸力增大而明显增大;当基质吸力较大时，黏聚力增大的趋势逐渐趋于平稳.

由图4可以看出，当基质吸力为0 ～100 kPa时，摩擦角随基质吸力的增加而明显减小，其减小趋势明显;当基质吸力为100 ～200 kPa 时，摩擦角随基质吸力的增加而减小，但其趋势较小，并逐步趋于平缓.

由此可见，基质吸力对于非饱和黄土强度的影响主要在于对有效应力c，φ 的影响. 通过对大有山隧道地表调查后发现，隧道左线ZK2 +960 对应地表恰好位于凹陷地形处，且该地表附近分布有大量农田.在塌方发生前一天，地表农田进行了灌溉，且灌溉后的农田有若干个陷穴.由此可以推断，灌溉水经过陷穴后下渗入隧道周围土体，而引起非饱和黄土基质吸力的损失，进而降低了隧道周围土体的有效应力，影响了隧道整体稳定性，导致隧道产生塌方、冒顶等病害.

3.3 现场监测分析

为进一步分析基质吸力变化对大有山隧道受力的影响，针对其左线ZK2 +960 断面进行了现场监测.监测主要内容有初支－土体间压力、二衬－初支间压力，测试元件为JMZX－50XXBT 智能弦式数码压力盒，属于埋入式通用土压力传感器，其量程为0.3 ～8.0 MPa，灵敏度为0.001 MPa，适用各种条件下土体内部应力的测量，并且可以长期监测和自动化测量.

当监测初支－土体间压力时，土压力盒的安装埋设应将受力膜一侧朝向土体;而当监测二衬－初支间压力时，应将受力膜一侧朝向初支.监测点布设在拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱墙、右拱墙，且呈对称分布，具体监测结果如图5—6 所示.

图5 初支－围岩间压力变化图

图6 二衬－初支间压力变化图

图5中的监测数据是塌方前后两个月内测得的，即2008年7月1日—2008年9月15日.从图中可以看出，在2008年8月6日前，各测点受力较小，为200 ～550 kPa.8月9日左右，压力值急剧增大，为8月6日前压力值的6 ～8 倍. 其原因为当时该地表附近农田进行了灌溉，灌溉水通过陷穴下渗到隧道的汇水区域.隧道在8月12日发生塌方，部分监测点受到损坏，经过10 余天的塌方治理后，重新布设监测点，其压力值逐步下降，最终降为最大值的50.4% ～67.8%，并逐渐趋于稳定.

图6中的监测数据为通车运营1 a 左右测得，即2010年6月15日—2010年8月18日，在6月15日—7月10日期间，隧道二衬与初支间压力值普遍较小.在7月10日左右，拱顶、左拱肩、右拱肩部位的压力值急剧增大，为7月9日前压力值的5 ～6 倍，而左、右侧拱墙处压力值基本保持不变.其原因为7月10日前两天该地区出现强降雨，地表水下渗，二衬与初支间的防排水系统不畅，引起非饱和黄土基质吸力的损失，从而导致该处裂缝的急剧发展.经处理，及时将下渗水排走后，拱顶、左拱肩、右拱肩部位的压力值逐渐恢复到原值，裂缝的发展得到控制.

4 大有山隧道病害防治措施

大有山隧道病害的主要原因在于地表降雨及地表灌溉水的渗入，由于大有山隧道的防、排水效果欠佳，导致非饱和黄土体中含水量增加，其基质吸力减小、土体强度降低，且该处黄土具有一定的湿陷性，从而引起隧道的拱顶下沉、环形开裂等病害.故非饱和黄土隧道设计中应考虑其基质吸力损失引起的不利影响，从而获取准确的非饱和黄土物理力学指标作为设计参数，提高其防、排水设计等级.

大有山隧道病害治理工作的重点在于对渗漏水的治理，所采取的治理措施如下:①查找并切断水源，对于其地表农田应该退耕还林，避免灌溉水的入渗，同时使得降雨、降雪等地表水下渗量减少，该方法为主动防水及大面积防水［7］;②对于存在空洞、陷穴的地层，应采用水泥浆液或化学浆液进行地表注浆;③对于洞顶地表裂缝，可沿裂缝走向开挖深1.0 m、宽0.5 m 的沟槽，然后用素土夯实回填密实至地表，并修筑土垄高出地面，从而切断地表水下渗通道，形成隔水层，保护非饱和黄土免受渗水影响，减小了基质吸力的损失［8］;④对于已发生的衬砌裂缝，若裂缝宽度小于5 mm，则采用环氧树脂嵌补即可;若裂缝宽度大于5 mm，应在二衬上凿出20 cm×25 cm 的凹槽，嵌入全封闭工字钢钢架，钢架间距为1 榀/m，最后用膨胀水泥进行填补，使其与原有二衬成为整体，从而增加支护结构的刚度和强度，提高隧道整体的稳定性.

5 结 语

在分析非饱和黄土工程特性的基础上，结合大有山隧道工程实例，利用数学模型、室内试验等手段分析基质吸力的变化与隧道病害存在的内在联系，得出以下结论.

1)当非饱和黄土基质吸力随着含水量的增加而减小时，隧道内部所需支护力则随之增大.

2)当非饱和黄土基质吸力随着含水量的增加而减小时，塑性区半径R0则随之增大;当摩擦角φ较小时，基质吸力减小引起的塑性区半径增大的趋势较显著.

3)由于受地表水下渗影响，大有山隧道周围土体基质吸力减小，塑性区半径增大，所需支护力增大，导致其发生拱顶下沉、塌方、衬砌开裂等病害.

4)通过采取退耕还林、地表注浆、素土夯实回填、衬砌裂缝处理等一系列措施对大有山隧道病害进行处治，效果良好.

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