第三系粉质黏土物理力学特性及隧道施工影响因素分析

王　辉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津　300251)



第三系粉质黏土物理力学特性及隧道施工影响因素分析

王辉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津300251)

摘要：针对山西中南部铁路通道区域第三系上新统粉质黏土的工程地质特性,采用室内室外试验、现场监测的方法综合分析粉质黏土的物理力学指标,经过大量实测数据分析,得出在一定条件下粉质黏土隧道初支位移与时间的对数函数关系的规律,总结隧道施工的影响因素以及影响特点。

关键词：铁路隧道；第三系粉质黏土；工程特性；施工影响因素

1概述

第三系上新统粉质黏土在中西部黄土高原地区分布较广，该粉质黏土地层介于土与石之间，其物理力学性质及水理性质特殊，主要表现在岩性的多样性、岩土强度差异大以及渗透性差异大等方面[1-2]，其物质组成特别是膨胀性矿物是粉质黏土工程特性形成的物质基础，对于隧道穿越第三系粉质黏土地层时，粉质黏土工程特性影响施工难度较大。

本文依托山西中南部铁路通道工程大量粉质黏土隧道施工工程，采用理论与实践相结合的方法，通过现场监测、室内室外试验[3]等方法分析第三系粉质黏土物理力学特性及地下水对隧道工程的影响，总结出第三系粉质黏土地层隧道施工难点，为粉质黏土地层隧道施工控制及隧道设计提供参考。

2粉质黏土物理力学指标分析

2.1粉质黏土初始孔隙比与压缩模量关系

粉质黏土的初始孔隙比与压缩模量指标关系见图1，从图中可以看出压缩模量与初始孔隙比成反比，且随着孔隙比的减小，压缩模量呈直线增加。且初始孔隙比主要集中于0.500～0.700，而压缩模量则位于2～10 MPa，变化范围较大。

图1　压缩模量与初始孔隙比的关系

2.2粉质黏土抗剪强度与干密度关系

从图2、图3中可以看出，粉质黏土干密度值位于1.6～1.8 g/cm3时，黏聚力c则分布于20～90 kPa，内摩擦角φ则分布于5°～75°，抗剪强度c与φ值变化范围较大，这也充分说明了粉质黏土抗剪强度差异性较大[5]。

图2　黏聚力与干密度的散点

图3　内摩擦角与干密度的散点

2.3粉质黏土抗剪强度与含水量的关系

通过室内试验结果(图4、图5)可以看出，粉质黏土含水量的变化对其抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角有较大的影响，随着土体含水量的增加，黏聚力呈现减小的趋势，而内摩擦角同样也是呈现逐渐减小的趋势，但含水量的变化对黏聚力的影响显然要大于内摩擦角的影响，主要原因是粉质黏土由于含水量越大，粒间联结力越小，抗剪强度就越小。

图4　黏聚力与含水量关系

图5　内摩擦角与含水量关系

3地下水影响下粉质黏土隧道初支变形规律

依据现场隧道实际开挖涌水量情况，粉质黏土隧道渗出水量大体上可以分为渗水(水量0.016～0.029 L/s·m)、滴水(水量0.029～0.042 L/s·m)、流水状(水量在0.042～0.208 L/s·m)和股状流水(水量>0.208 L/s·m)等4个等级[6]。

本文选取隧道内初期支护措施采用高120 cm，拱墙φ22 mm钢筋格栅，间距1.2 m，隧道内滴水状态下隧道围岩量测数据分析，依据相关性分析与回归分析得出隧道初期支护变形位移与时间的关系曲线，可以很好地拟合为对数函数，即，u=w1ln(t)±w2，式中：u表示位移值，t表示时间，w1和w2表示系数，图6中R表示回归方程的相关性，R越接近1，则方程的拟合程度越好，方程可信度越高。从图6中可以看出：初期支护变形位移随时间的变化基本符合对数函数关系，而且拟合关系式的相关性较好，其相关系数≥0.90以上。从大量关系曲线中可以看出在隧道开挖完成后初期位移值增长较快，后期对数曲线趋于平缓，随着时间的增加，位移值变化较小，趋于稳定。

图6　滴水状态下位移与时间关系

通过现场测量隧道内土体含水量发现，当含水量较低而呈硬塑～坚硬状态时，隧道内的围岩量测数据显示，初支变形小，围岩相对稳定；相反，随着土体含水量的增高至达到塑限含水量时，土体呈硬塑～软塑状态时，围岩量测数据显示，初支变形大，围岩极不稳定[7]。

4粉质黏土隧道施工影响因素分析

4.1地下水因素

地下水对粉质黏土围岩影响主要通过以下2个方面实现：一方面地下水的出现提高了粉质黏土的含水量，增加了土体的孔隙水压力，从而降低其有效应力，最终削弱粉质黏土的抗剪强度和承载能力；另一方面粉质黏土隧道开挖排水后，地下水在坡体内流动过程中会产生附加的渗流力，会对围岩产生推挤作用。

4.2层状钙质结核影响

粉质黏土中多夹棕黄色、浅棕红色层状钙质结核，层厚不一，常见厚度为0.2～0.5 m，钙质胶结程度较高，呈现层状；当层状钙质结核位于隧道拱部松动圈范围内时[8](图7)，随着施工开挖的进行，层状钙质结核以下土体在一定时间范围内逐步松动破碎，若不及时进行支护或者支护措施偏弱，不足以支撑围岩压力，均可形成塌方。

图7　层状钙质结核不利位置示意

4.3粉质黏土节理裂隙影响

粉质黏土中节理裂隙发育，节理面角度大，大多节理面光亮如镜，擦痕明显，节理多以密闭为主，但节理面间黏结力差，施工开挖扰动下形成大块状掉落，甚至局部塌方。

4.4粉质黏土膨胀性影响

粉质黏土化学成分主要为伊利石及蒙脱石，是较强的亲水矿物[9]；它使粉质黏土遇水易软化、强度低，在水的作用下具有显著的干燥收缩和吸水膨胀特性[10]。经过大量现场取样分析，山西中南部地区粉质黏土普遍具有膨胀性，一般膨胀性指标蒙脱石含量M≥7%及阳离子交换量CEC(NH4+)≥170 mmol/kg，膨胀潜势分级一般是弱膨胀性至中等膨胀性，在地下水作用下，围岩易变形，施工风险较大。

4.5粉质黏土中碎石类、砂类土层影响

受沉积环境影响，粉质黏土中常存在碎石类及砂类土层，为含水层，有形成囊状赋水，并存在突砂涌砂现象，在隧道穿越时，地下水作用下发生涌砂、突泥突水等风险较高。

综上所述，粉质黏土隧道施工中影响因素众多[11]，各因素间又相互作用，导致粉质黏土隧道施工的困难，而地下水的影响贯穿其中，主要原因是，一方面地下水可使粉质黏土抗剪强度明显降低，另一方面地下水又充当了润滑剂的作用，使粉质黏土隧道围岩条件变差，因此，在粉质黏土隧道勘察设计及施工中应充分考虑地下水的影响，以及上述影响因素的综合作用，合理确定隧道围岩分级及相应支护参数，既避免工程浪费又利于建设工程安全。

5结论

第三系上新统粉质黏土特殊的工程性质决定其在隧道工程施工中所遇到的特殊问题，结合粉质黏土隧道施工中现场调查、围岩量测数据分析、涌水量记录等现场资料，以及室内土工试验资料的成果综合分析，得出如下结论。

(1)第三系上新统粉质黏土由于沉积环境不同，其物理力学指标差异性较大，粉质黏土含水量增加时，其黏聚力及内摩擦角明显降低。

(2)第三系上新统粉质黏土隧道初期支护变形位移与时间的关系曲线在一定条件下可以很好地拟合为对数函数关系，对粉质黏土隧道初支变形趋势有了量化标准，可以利用相关性方程进行变形量的预测，更有利于指导设计及施工。

(3)针对第三系上新统粉质黏土工程特性，详细分析了隧道施工的影响因素以及影响特点分析，为合理确定隧道围岩分级及相应支护参数提供了依据。

参考文献：

[1]张勇，李吉均，赵志军，张军，张建明，中国北方晚新生代红黏土研究的进展与问题[J].中国沙漠，2005(5)：722-730.

[2]闫宇，宋岳.中国部分地区上第三系工程地质性质及岩性定名[J].资源环境与工程，2008(2)：183-187.

[3]铁道第一勘察设计院，TB10102—2004铁路工程土工试验规程[S].北京：中国铁道出版社，2004.

[5]周传斌，余颂.黄河上游第三系红层物理力学指标相关性研究[J].土工基础，2010(1)：52-54.

[6]王睿，康辰.隧道施工中围岩与初期支护监测技术研究[J].铁道建筑，2010 (12)：57-59.

[7]董云松. 不同侧压比下隧道初期支护的稳定性研究[J].铁道标准设计，2010 (6)：87-90.

[8]念培红.共和隧道Ⅲ级特殊围岩施工设计[J].铁道标准设计，2008(10)：81-88.

[9]彭淑贞，郭正堂.风成三趾马红土与第四纪黄土的黏土矿物组成异同及其环境意义[J].第四纪研究，2007，27(2)：277-285.

[10]汪海涛.膨胀岩的膨胀特性与工程治理研究[J].资源环境与工程，2011(5)：503-506.

[11]邹家鸿.第三系红色黏土地层隧道大变形控制技术研究[J].四川建材，2013(3)：105-107.

Analysis of Physical and Mechanical Properties of Tertiary Silty Clay and Factors Affecting Tunnel ConstructionWang Hui

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300251, China)

Abstract：In view of the engineering geological characteristics of the tertiary pliocene silty clay in the central and southern Shanxi railway corridor, indoor and outdoor tests and field monitoring are conducted to analyze the physical and mechanical properties of silty clay and understand the logarithmic functions governing initial support displacement of the silty clay tunnel against the time under certain conditions, and summarize the factors affecting tunnel construction.

Key words：Railway tunnel； Tertiary silty clay; Engineering properties; Factors affecting construction

中图分类号：U452.2+7

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.024

文章编号：1004-2954(2015)02-0100-03

作者简介：王辉(1981—)，男，工程师，2009年毕业于石家庄铁道学院岩土工程专业，工学硕士，E-mail：176315107@qq.com。

收稿日期：2014-07-25； 修回日期：2014-08-21