黄土隧道围岩含水率变化及拱架受力特征研究

赵永虎,罗浩洋,苗学云,白明禄,米维军

(1.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000； 2.中铁科学研究院有限公司,成都 610032；3.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070； 4.中铁二十二局集团第五工程有限公司,重庆 400700)

引言

随着西部大开发国家战略和“一带一路”建设的快速实施，高速铁路、高等级公路在西北黄土地区的规划和建设速度突飞猛进，受黄土地区地形地貌和线路方案限制，铁路、公路等线路工程在黄土梁、黄土塬、黄土峁等地段多以隧道形式穿越，因此，隧道工程的施工进度及其安全施工成为影响整个铁路、公路项目正常施工和运行的重点方面[1-4]。

目前，影响隧道施工安全及进度的因素主要有围岩岩性特征及其等级、隧道埋深、地下水位、施工方法等[5-6]。对于施工期内在建黄土隧道，在诸多因素中，地下水位重分布导致围岩含水率变化和初期支护措施的有效性成为影响黄土隧道安全、快速施工的关键因素之一[7-8]。因此，国内不少学者针对黄土隧道围岩含水率对隧道施工的影响开展了一系列研究。王国强[9]以G312线黄土地区祁家大山公路隧道为对象，分析了隧道围岩含水率变化对围岩本体结构强度和衬砌结构的影响。苏春晖等[10]以郑西客运专线张茂富水黄土隧道为例，采用有限元软件，研究了隧道围岩含水率变化对隧道变形和稳定性等方面的影响。郑甲佳等[11]以西安地铁黄土隧道为对象，采用现场监测和数值计算等方法，研究了黄土地铁隧道浸水后周围土体和衬砌结构受力及变形方面出现的变化特征。陈福江[12]分析了围岩含水率对黄土抗剪强度、压缩模量等参数的影响规律，并采用数值模拟方法研究了隧道围岩在不同含水率、不同施工工况下对隧道形态的影响。田俊峰等[13-14]以山西阳曲1号黄土公路隧道为例，研究了不同施工工法、不同开挖进尺等因素对高含水率黄土隧道的影响规律，最终得到了含水率与围岩稳定系数之间的关系。蔡剑[15]采用数值模拟方法研究了大断面黄土隧道在不同埋深、不同含水率条件下的围岩特性曲线变化规律，最终提出了在不同含水量、不同埋深条件下大断面黄土隧道围岩变形的时空效应。王钎[16]以宝兰客专某黄土隧道为工程背景，通过现场监测和MIDAS-GTS有限元软件，研究了大断面高含水量黄土隧道初期支护的力学特性。刘志强等[17]以宝兰客专大断面高含水率黄土隧道为例，分析了不同埋深及不同含水率工况下循环进尺、开挖步序、支撑形式、封闭距离等因素对隧道变形和收敛的影响，结果表明早封闭对控制高含水率黄土隧道的沉降变形最为有利。吉武军[18]在分析20余座黄土隧道工程地质和水文地质条件的基础上，对黄土隧道出现的典型工程问题进行了总结，结果显示隧道周围汇水长廊的形成是黄土隧道出现工程问题的主要原因。王新东[19]在分析高含水率大断面黄土隧道变形特征的基础上，对不同含水率条件下的黄土隧道施工方法进行了总结，特别强调对饱和黄土隧道掌子面应采取帷幕注浆等超前加固措施后，方可采用台阶法施工。刘俊平[20]综合论述了董志塬区地下水分布对银西高铁隧道工程施工的主要不良影响。综上，目前针对围岩含水率对黄土隧道的影响研究主要采用数值模拟方法，很少采用现场监测进行研究，围岩含水率测试仅局限于掌子面开挖过程中，在初支至二衬施工周期内对隧道围岩含水率变化进行现场监测和研究方面的工作鲜有报道，针对黄土地区铁路隧道在施工期内的监控量测项目中和运营期内的健康监测标准化方案(体系)中基本忽略了对隧道围岩含水率的长期现场监测。

鉴于此，以在建银西高速铁路沿线董志塬地区上阁村黄土大断面隧道为例，基于现场断面实际监测数据，从初支到二衬施工周期内对黄土围岩含水率变化规律及钢拱架受力特征进行分析，并提出针对性施工建议，以便为黄土地区银西高铁隧道工程快速施工提供技术指导，同时为黄土地区大断面黄土隧道安全施工提供参考。

1 工程概况

上阁村隧道位于甘肃省庆阳市宁县境内，进口位于董志塬塬边冲沟斜坡上，出口位于董志塬塬面平坦耕地，洞身整体穿越董志塬南侧塬边，塬边沟壑发育，支沟下切较深(图1)。隧道总长6 782.45 m，最大埋深102 m，出口最小埋深约5.5 m。洞身经过的地层主要为第四系上更新统风积黏质黄土(Q3eol)和中更新统风积黏质黄土(Q2eol)。深埋段长约2 560 m，占39%，为中更新统黏质黄土，基本为硬塑状，隧道围岩等级为Ⅳ级；其余浅埋段为上、中更新统黏质黄土，隧道围岩等级均为Ⅴ级。采用三台阶开挖法施工，初期支护采用钢拱架、钢筋网片喷射混凝土施工，并采用超前小导管进行超前加固。

图1 黄土塬边地形地貌

隧道区地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水。第四系松散层孔隙潜水主要分布于黄土塬上部，含水层主要为中更新统黄土，黄土层既具有松散层孔隙潜水的一般特征，又具有裂隙水的水力性质，该层颗粒较粗，结构疏松，孔隙率高，是黄土塬区主要的含水层，也是地下水的储存空间和运移通道。约有4.2 km段洞身位于地下水位以下或附近，受地下水影响，该段黄土基本呈软塑或可塑状态。软塑状黄土垂直节理发育，水敏性强，含水率高，开挖后掌子面稳定性极差，施工风险高。其余段隧道围岩基本呈硬塑-可塑状，受浅埋及黄土垂直节理等影响，易发生洞内变形及地表开裂。

2 测试方法及断面布设方案

2.1 测试方法

此次现场测试项目包括围岩体积含水率和钢拱架应力2项。其中围岩体积含水率测试采用基于时域反射技术的TDR水分传感器，传感器探针直接埋设到围岩土体中采集介电常数，经数据线传输到测试仪进行信号转化后采用数采仪可直接读取土体体积含水率变化情况。钢拱架应力采用表面应变计进行测试并换算可得，将表面应变计焊接在工字钢腹板，二者近似平行且尽量靠近上下翼缘。用数采仪可采集到各点在不同时间段的应变值，在室内经换算后可得到各点各时段的钢拱架应力值。

2.2 断面布设方案

水分传感器和表面应变计的监测位置包括拱顶、拱腰右侧、拱腰左侧、拱脚右侧、拱脚左侧和仰拱底部中心共6个部位，现场断面监测点布设和安装分别见图2和图3。测试断面选择在上阁村隧道DK211+493里程处，埋深约为24.8 m，该断面原始地下水位高于仰拱设计高程约4 m。为保障施工安全，施工期间进行连续排水，使得施工期间地下水位低于仰拱底部不小于1.0 m，确保施工期间整个隧道断面尽量不受地下水的影响，隧道拱顶和拱腰围岩黄土长期呈硬塑状，拱脚和仰拱处黄土在施工前期呈可塑状，而在施工期内尽量呈硬塑-可塑状黄土，整个断面在施工期内为非饱和状态黄土。

图2 断面测试元件布设位置(单位：m)

图3 现场测试元件安装

3 监测结果分析

3.1 围岩体积含水率

图4反映了上阁村隧道DK211+493断面围岩含水率随时间的变化规律，可以看出，随着施工时间的推移，监测断面围岩体积含水率在空间和时间方面存在规律性的变化趋势，仅在数值上出现一定差异。围岩体积含水率随着时间呈现“先增长后平稳”的两阶段变化趋势，需要平稳的时间一般2周左右。拱顶和拱腰位置的围岩体积含水率总体上小于拱脚和仰拱底部的围岩体积含水率，这与现场实际情况非常相似。拱顶位置处的围岩体积含水率最小，一般在20%以内，在增长期和平稳期内变化很小。左侧和右侧拱腰围岩体积含水率分别从初始值17%和27%逐步增加到平稳期内的28%和37%，增幅约10%，虽然在平稳期内体积含水率基本保持不变，但均未达到饱和状态。左右侧拱脚处围岩体积含水率变化趋势近似一致，从初始的44%达到平稳期的72%，增幅可达32%；而仰拱底部的围岩体积含水率从初始的56%达到平稳期的71%，增幅可达16%，这说明在掌子面开挖前，经过排水降低地下水位后拱脚位置处围岩体积含水率处于非饱和状态，仰拱底部围岩含水率经历了从饱和到非饱和状态的转化，而经过隧道施工后仰拱底部和拱脚处围岩含水率均处于饱和状态。

图4 围岩体积含水率随时间的变化规律

从围岩体积含水率在时间方面的变化规律来看，从初期支护到二次衬砌之间围岩的含水率变化最大，说明对于黄土大断面隧道，初期支护到二次衬砌时间段内是影响隧道围岩稳定性的关键阶段，研究表明含水率的增大会显著降低围岩土体的物理力学性质，进而影响围岩强度，最终有可能对围岩稳定性造成影响[21]。因此，对于黄土隧道，掌子面开挖后及时进行初期支护、实施二次衬砌对确保隧道围岩稳定性具有重要的意义。

此外，从空间差异性来看，围岩体积含水率在整个断面上也具有一定的规律性，拱脚和仰拱底部的围岩含水率明显大于拱顶和拱腰位置的围岩含水率。因此，在施工期内针对黄土隧道，尤其是对大断面高含水率黄土隧道，应加强防排水措施，避免隧道由于地下水位上升或排水设施失效而导致围岩含水率突增引起塌方、涌水等事故。

3.2 钢拱架应力

图5反映了上阁村隧道DK211+493断面初支钢拱架应力随施工时间的变化规律，可以看出，初期支护后钢拱架承受的应力呈非线性增大，到二次衬砌完成后才趋于平稳。在初支后阶段不同部位的钢拱架应力范围为2.7～6.0 MPa，之后不同部位钢拱架应力增加到22.2～30.2 MPa，其中拱顶部位的钢拱架承受的压应力最大，经过二衬后钢拱架应力逐渐平稳至11.7～22.6 MPa，总体上在平稳阶段拱顶和拱腰位置的钢拱架应力比拱脚和仰拱位置的钢拱架应力略大。与围岩含水率变化不同，钢拱架应力在施工期内呈先非线性增大后出现波动最后趋于平稳的三阶段变化规律。

图5 钢拱架应力随时间的变化规律曲线

对于浅埋大断面黄土隧道，整个断面钢拱架还是以承受压应力为主，从掌子面开挖到仰拱开挖之前钢拱架应力基本呈非线性发展，说明钢拱架在逐步发挥支护效果。而仰拱开挖后约2周时间段内整个钢拱架应力呈现出“跳跃式”波动，说明在仰拱开挖后开始浇筑到二次衬砌施工这一过程中整个断面围岩压力出现重分布，同时二次衬砌施做后二衬混凝土结构逐步发挥作用，围岩、钢拱架和二次衬砌结构在这个阶段进行了综合结构受力调整，即从原有平衡状态进行调整之后进入新的受力平衡状态。因此，从初期支护到二衬之前钢拱架在发挥承受围岩压力、保证围岩稳定性方面起到重要作用。

结合围岩含水率变化和施工过程来看，钢拱架受力及发挥承载能力具有一定的滞后性，而且增长期一般长达3～4周，比围岩含水率的增长期略长1～2周。整个断面围岩含水率基本在1个月内达到稳定，即二衬施工结束后围岩含水率在一定时间段内保持不变，但钢拱架应力在二衬结束后还处于受力调整阶段，从初支到钢拱架受力最终达到平衡一般需要2个月左右时间，因此，钢拱架在初期支护到二衬结束之前在承受围岩压力、控制围岩沉降变形和收敛方面发挥了较大作用，而在二衬结束后逐步处于平衡状态，围岩变形也基本趋于稳定。

4 施工建议

对于在建的大断面黄土隧道，在隧道埋深、地质条件、施工方法等基本不变的工况下，影响隧道围岩稳定性、对施工安全和进度起到控制性作用的因素主要是围岩含水率变化和初期支护措施，因此，在施工过程中需要注意采取以下措施。

(1)实时监测掌子面围岩含水率变化情况，对施工过程中在掌子面含水率突增或明显异常情况，应立即查明原因，必要时采取防排水措施，不可忽略或轻视，以防止由于含水率增大导致围岩强度下降或变形加剧，甚至出现涌水、掉块等事故。

(2)掌子面开挖后及时施做初期支护，采用钢拱架、钢筋网片、喷射混凝土综合措施，及早形成封闭圈，以控制围岩初期出现大变形，防止支护时间滞后而引起松动圈的扩大。

(3)在整个施工过程中应重视防排水措施，仰拱不能出现积水，防止排水设施失效而洞内积水，保证在施工期间隧道围岩不受地下水和施工积水的影响。总之，对于大断面黄土隧道，应该形成“勤测含水率、重视防排水、加强初支”的一种管理理念或原则。

5 结论

通过现场监测，对黄土隧道施工期内围岩含水率变化规律和钢拱架受力特征进行了分析，得到如下结论。

(1)黄土隧道围岩含水率在时间上呈先增长后平稳的两阶段变化趋势，增长期一般2周左右；围岩含水率在空间上也呈现出一定规律性，即拱顶和拱腰位置的含水率总体上小于拱脚和仰拱底部的含水率。

(2)钢拱架应力在施工期内呈先非线性增大后出现波动最后趋于平稳的三阶段变化规律；从初支的2.7～6.0 MPa逐步增加到22.2～30.2 MPa，之后经二衬后平稳过渡到11.7～22.6 MPa保持不变，钢拱架在施工期内承受围岩压力、确保大断面黄土隧道围岩稳定性方面发挥着重要作用。

(3)大断面黄土隧道在施工期内应形成“勤测含水率、重视防排水、加强初支”的管理理念，以确保隧道施工安全。