高含水率黄土大断面隧道变形特性及施工方法

王新东

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

郑西客运专线是世界首条在黄土地区修建的高速铁路，建设期间针对大断面黄土隧道技术难题开展了施工方法与监控技术、合理支护参数和地表沉降控制技术等系列研究。研究成果形成了大断面黄土隧道修建技术，有效地指导了郑西客运专线大断面黄土隧道的建设[1-2]。我国后续修建的西宝、大西、兰新高速铁路大断面黄土隧道施工均直接借鉴了相关研究成果。

图1 施工过程中隧道变形

宝鸡至兰州客运专线沿线黄土分布广泛，全线共65座隧道(52 km)洞口或洞身穿越黄土地层[3]。本线黄土隧道衬砌支护、施工方法等参照郑西客运专线研究成果。建设期间大部分段落黄土隧道实现安全快速地施工，但部分段落开挖揭示的黄土隧道工程性质与郑西客运专线有较大差别。主要表现为黄土含水率高，最高达31%，饱和或流塑状。施工过程中部分隧道初期支护变形大(超出设计预留变形量)，开裂严重，拱部下沉最大达51 cm；个别隧道因掌子面土体失稳滑动而出现塌方(如图1(a)所示)；个别隧道掌子面后方仰拱未封闭段拱墙初期支护出现整体下沉进而导致塌方(如图1(b)所示)。现场安全压力大、施工难度高[4]，高含水率大断面黄土隧道成为建设者们遇到的新的技术难题。因此，现场开展高含水率黄土大断面隧道沉降控制基准、施工方法等关键技术试验研究。

1 高含水率黄土大断面隧道变形特性

1.1 高含水率黄土分布情况统计

对宝兰客运专线定西至榆中段10座主要黄土隧道进行现场含水率的统计分析。埋深110 m内该线含水率>15%，110 m外<15%，其中高含水率均出现于埋深60 m以内的Ⅴ级围岩中，并主要出现在埋深30 m内(统计占比64%)。中高含水率分布在埋深110 m内，但主要分布在埋深60 m内(统计占比60%)。

1.2 高含水率黄土大断面隧道变形特性

1)现场变形数据统计分析

对宝兰客运专线定西至榆中段10座主要黄土隧道变形进行现场量测，得出：①含水率的大小对变形影响显著，含水率越高隧道变形越大。②中高含水率和高含水率的拱顶下沉分别约为一般含水率的1.4倍,2.5倍(见图2)。③浅埋时拱顶下沉显著大于水平收敛，深埋时二者趋于接近，郑西客运专线的黄土也具有相同特征。在埋深<30，30～60，60～180 m 时宝兰客运专线拱顶下沉与水平收敛之比的平均值分别达到4.53，3.26，1.31(见图3)。不论其拱顶下沉还是水平收敛随埋深分布均呈现出浅埋大、深埋小的形态，这与郑西客运专线黄土有所不同。这与含水率随埋深的分布差异有关。

图2 拱顶下沉随含水率分布图3 变形特征值随埋深分布

2)数值计算分析结果

运用有限元软件模拟隧道施工过程，分析不同含水率情况下支护结构变形规律，见图4。可知：高含水率黄土隧道拱顶下沉及掌子面纵向位移均明显大于低含水率黄土隧道[5]。

图4 不同含水率拱顶下沉、掌子面纵向位移计算结果对比

1.3 黄土含水率分类

根据现场含水率分布情况及含水率对隧道变形的影响程度，对宝兰客运专线黄土的含水率进行分类，见表1。

表1 黄土含水率分类

2 高含水率黄土大断面隧道变形控制基准值及施工方法

2.1 变形控制基准值

1)基准值确定思路

基准值为控制限值，定义为支护结构达到稳定极限状态时的位移(应力)，以结构产生较大开裂或钢架扭曲为表征，一般依据规范以及现场实测资料统计来确定[6]。

根据大断面黄土隧道变形特性以及现场调查情况，宝兰客运专线大断面黄土隧道的变形控制基准值以拱部下沉累积值和速率2个指标给出，先到者为控制值。按照规范要求，基准值按围岩分级和埋深类型给出，对黄土隧道还要考虑含水率分类。

2)变形控制基准建议值

1.3.4 体外缓释实验 以2 mL肉桂醛乳液/壳聚糖混合液制成的微球为一份微球样品.将一份样品添加至三角瓶中，其中含有100 mL缓冲液和100 μL吐温80.而后，将三角瓶置于摇床中，设定温度为37℃，转速为100 r/min. 每隔一段时间取出1 mL缓冲液，同时向三角瓶中补充1 mL缓冲液，直至样品释放稳定.测量取出液的吸光值.

结合宝兰客运专线黄土隧道 1 662 个断面量测资料，同时参考郑西客运专线研究成果，提出大断面黄土隧道变形控制基准建议值见表2。

表2 宝兰客运专线大断面黄土隧道变形控制基准建议值

2.2 高含水率黄土大断面隧道施工方法

在郑西客运专线已有试验研究成果的基础上，结合宝兰客运专线大断面黄土隧道研究成果和现场建设经验，大断面黄土隧道不同含水率的施工方法总结如下：

1)一般含水率黄土(ω<17%)

可采用台阶法施工，施工应遵循“短进尺、留核心土、管超前、强支护、重拱脚、早封闭、勤量测”的原则，以控制沉降变形为重点[7-9]。其衬砌支护参数、仰拱封闭距离、核心土、台阶高度长度、大拱脚、锁脚锚管等关键施工技术参数，可借鉴郑西、宝兰客运专线。

2)中高含水率黄土(17%≤ω<25%)

土体多呈硬塑～软塑状态，承载力较低，掌子面土体具有一定的自稳性。此种条件下可以采用台阶法施工，但施工过程中变形监测结果表明，初期支护沉降变形较大。需在一般含水率工况下衬砌支护和台阶法技术参数的基础上，适当加强辅助支护措施，包括增加锁脚锚管，钢架底部设型钢、牛腿，核心土上方设置临时竖撑等，同时应缩短仰拱封闭距离至20～25 m。

根据现场实践经验，当25%≤ω<28%时，黄土多呈软塑状，承载力较低，掌子面土体自稳性较差，在大断面、暴露时间较长工况下，掌子面存在滑移失稳的可能，同时掌子面后方沉降变形大。此种条件下不宜采用台阶法施工，可以采用简易CRD法或四台阶法以实现化大为小、分部开挖、快速支护的目的。在控制好掌子面稳定的情况下，通过适当加强辅助支护措施控制沉降变形，包括增加锁脚锚管，钢架底部设型钢、牛腿等，同时应缩短仰拱封闭距离至15～20 m。四台阶法工况时核心土上方设置临时竖撑，并采用单工序作业。

当黄土含水率ω≥28%时，土体近饱和～饱和，多呈流塑状，承载力很低，掌子面土体无法自稳，易失稳坍塌。需采取帷幕注浆、地表旋喷桩等措施对掌子面前方进行预加固，加固后可以采用台阶法施工，但需加强拱部超前支护和采取辅助支护措施，以有效控制沉降变形。

3 结论与建议

1)根据宝兰客运专线隧道高含水率黄土的分布情况调查统计，高含水率黄土多分布于黄土塬坡脚下方的阶地段，地形多浅埋平坦，多位于土石界面附近或砂质黏质黄土界面附近，地表水长期下渗储存导致土体含水率高。勘察设计期间应对此予以重视，施工过程中应加强超前地质预报，及时对土体含水率进行测试，以便及早采取应对措施。

2)宝兰客运专线通过试验研究和现场实践，研究掌握了不同含水率黄土大断面隧道的变形特性，提出了其变形控制基准值和施工方法，可供类似工程参考。特别是高含水率黄土地段，通过辅助加固等措施能够控制围岩变形，保证施工安全，但施工进度缓慢，造价较高。勘察期间应尽可能予以绕避，施工期间局部段落通过时可参照上述实践经验，结合施工实际选择适宜的施工方法与措施。

3)高含水率黄土大断面隧道变形较大，施工期间应加强监控量测，及时对数据进行整理、分析和反馈，以便及时指导设计与施工，动态调整设计施工方案，实现安全、快速、经济的建设目标。

[1]赵勇，李国良，喻渝.黄土隧道工程[M].北京:中国铁道出版社，2011.

[2]中铁第一勘察设计院集团有限公司，中铁西南科学研究院有限公司，兰州交通大学，等.郑西客专大断面黄土隧道施工方法与监控技术研究报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2008.

[3]李国良.高速铁路大断面黄土隧道台阶法修建技术[J].现代隧道技术，2016，53(5):6-16.

[4]兰新铁路甘青有限公司，中铁第一勘察设计院集团有限公司，中铁西南科学研究院有限公司，等.宝兰客专高含水率黄土大断面隧道关键技术研究报告[R].兰州:兰新铁路甘青有限公司，2017.

[5]中铁第一勘察设计院集团有限公司，石家庄铁道大学.宝兰客专大断面黄土隧道台阶法技术参数及技术条件研究[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2013.

[6]宋冶，王新东，王刚，等.客运专线大断面黄土隧道施工监控技术[J].铁道工程学报，2010，27(1):52-58.

[7]李国良.大跨黄土隧道设计与安全施工对策[J].现代隧道技术，2008,45(1):53-62.

[8]李可宁.大断面黄土隧道施工控制[J].铁道建筑，2011，51(8):53-55.

[9]李波，宋冶，师亚龙，等.大断面黄土隧道不同试验工法下的力学特性及变形特征研究[J].隧道建设，2015，55(6):508-513.