含水率对古土壤隧道围岩膨胀性的影响

常帅斌

（中铁十二局集团第四工程有限公司，西安 710021）

随着我国高速铁路的快速发展，越来越多的不良地质问题有待解决，其中围岩膨胀变形成为困扰铁路隧道建设的重大工程问题。膨胀性土颗粒是一种具有高分散性且以亲水性黏土矿物为主要成分的矿物颗粒，对于所在环境的干湿变化敏感度极高［1-3］。在我国北方黄土高原黄土-古土壤序列中，古土壤的矿物成分、力学性质及其他物理力学性能指标与膨胀土有相似的地方。古土壤中含有黏粒，导致古土壤有弱膨胀性［4］。古土壤由于其特殊的矿物成分及微观结构，造成了其特殊的工程特性，具有和膨胀土类似的胀缩性能。

杨秀竹等［5］对某浅埋偏压膨胀土隧道的开挖进行了三维数值模拟，对比分析加固前后隧道围岩受力和变形情况。李树忱等［6］采用统计分析方法对膨胀性土质隧道围岩进行了亚级细分。邓兴安等［7］模拟了上庄1 号隧道施工过程，并结合室内试验研究了不同膨胀率下隧道围岩膨胀性的变化。曾仲毅等［8］将室内试验及三维数值模拟相结合，运用FLAC 3D 中的热-力耦合模块进行计算，得出小河沟膨胀土隧道支护结构在不同含水率下的变化规律。郑俊杰等［9］以浅埋膨胀土隧道为背景，模拟降雨入渗条件，研究了膨胀土的非饱和渗流与膨胀效应对围岩变形及结构受力的影响。马新民［10］将室内试验与现场监测手段相结合，研究了银西铁路庆阳隧道红黏土围岩膨胀性能及支护结构力学行为。

银西铁路黄土源区早胜3号隧道经过甘肃省庆阳市宁县平子镇、良平乡及早胜镇，全长11.172 km，为双线单洞隧道，是银西铁路控制性工程。早胜3 号隧道作为国内最长古土壤隧道，围岩特殊，工程特性不明确，工程案例较少。隧道洞身揭示的第三系古土壤具有膨胀性，围岩膨胀变形对施工期围岩稳定及运营期结构安全产生巨大影响。本文以该隧道为研究对象，测试古土壤物理力学性能、矿物成分与微观组构，分析含水率变化对古土壤隧道围岩膨胀性的影响，揭示古土壤膨胀的深层原因及隧道围岩应力位移变化规律，为类似隧道工程设计、施工及后期运营安全提供理论基础。

1 室内试验

1.1 天然状态下古土壤物理力学性能测试

在对早胜3号隧道施工现场进行系统调查的基础上，沿隧道纵向每隔250 m 在隧道（包含斜井）开挖断面（图1）处取1组古土壤试样，共取41组。

对现场取到的41 组土样采用环刀法、灼烧法、液塑限联合测定法分别测试古土壤密度、含水率、液塑限。测试结果取平均值，见表1。

图1 隧道开挖断面

表1 古土壤物理力学参数

由表1 可知，早胜3 号隧道古土壤含水率适中，干密度较大，塑性指数较高，液性指数小于0。这表明该土壤土颗粒较细，土体较为坚硬，具备一定承载能力。

1.2 古土壤矿物成分分析

取古土壤试样4 个，放入烘箱中，在100 ℃的高温下烘干2 h，然后放入碎石机粉碎，将粉碎后的颗粒放入研钵中继续研磨，磨碎后用200目的筛子进行筛分。对研磨好的土样做X 射线衍射，将试验得到的各种矿物峰谱图与标准矿物峰谱图进行对比，用JEDE 软件分析，通过定量试验得到各种矿物成分及含量，见表2。

表2 古土壤主要矿物含量

由表2可知，古土壤试样中黏土矿物总量占28%，主要成分有伊利石、绿泥石以及伊蒙混层；古土壤试样中剩余的72%为粒状矿物，分别由石英、钾长石、钠长石和方解石构成。由此可见，古土壤中黏土矿物含量不到1∕3，其中伊利石含量最高，蒙脱石只占少部分。

1.3 古土壤的微观组构分析

基本单元体是土体微观结构的最基本要素，是由许多微小颗粒在各种地质环境下聚集而成的能够发挥独立作用的单元体。利用扫描电子显微镜进行古土壤微观组构分析，见图2。

早胜3 号隧道古土壤的基本单元体分类与特征如下：

图2 古土壤基本单元体

1）凝聚体单元。古土壤中主要的基本单元为凝聚体，见图2（a）。凝聚体内部主要为石英、方解石、黏土矿物等，颗粒大小不等，由铁锰质或钙质胶结构成古土壤基本骨架。这种基本单元不具有膨胀性且相互排列紧密，一定程度上决定了古土壤的弱膨胀性和强抗剪性。

2）碎屑颗粒单元。碎屑颗粒以较小的单元体形式分布于土体中，通常散乱分布，无明显规律可循，见图2（b）。方解石矿物晶体生长在土体孔隙中，其对于土颗粒骨架起到一定的支撑作用，使得古土壤在宏观上表现出硬塑、压缩性小等特征。

3）叠聚体单元。叠聚体单元填充在粒状聚集体的孔隙中，见图2（c）。主要由伊蒙混层和伊利石组成，呈卷曲的片状、蜂窝状或半蜂窝状。叠聚体单元具有较大的膨胀潜势，是引起古土壤膨胀的主要因素。

4）连接体单元。连接体单元分布于其他单元的孔隙中，主要为丝缕状的伊利石单体，通过连接节点与方解石接触，见图2（d）。这些连接体减小了孔隙的有效透水孔径，使土体的透水性降低，在一定程度上限制了土体的膨胀。

根据以上分析，古土壤微观结构中基本单元体的特征是以石英、方解石、黏土矿物组成的凝聚体单元构成土体的基本骨架，凝聚体单元之间连接紧密。凝聚体单元之间的孔隙中填充有方解石组成的碎屑颗粒单元，对骨架起支撑作用，增加土体的强度。孔隙中还填充有伊利石、伊蒙混层组成的叠聚体单元以及丝缕状伊利石组成的连接体单元，使古土壤具有胀缩的性质。

1.4 含水率对古土壤膨胀性能的影响试验

分别测试含水率对原状、重塑古土壤膨胀性能的影响。含水率采用灼烧法测定，膨胀率使用膨胀仪测定，膨胀力采用荷载平衡法利用WG⁃1B 型固结仪测定。

1）原状古土壤膨胀性

把从隧道同一位置取回的原状古土壤制作为环刀样，分为5组，每组9个。其中1组密封保存，确保含水率不变，其余4 组放置20 d 使其自然风干再测定含水率。设置含水率增量为2%，以天然含水率为中心设置含水率梯度。按设计含水率计算加水量，滴水后用保鲜膜密封静置24 h，使水分均匀扩散。

根据试验结果绘制了原状古土壤试样膨胀力P与含水率ω0的关系曲线，见图3。

图3 原状古土壤试样膨胀力P与含水率ω0的关系曲线

由图3 可知，膨胀力与含水率呈指数关系。土样含水率低于19%时膨胀力较大，曲线斜率较大，含水率变化对膨胀力的影响显著。随着含水率增加，曲线斜率逐渐减小，含水率大于23%后，曲线趋于水平。这是因为，在制备特定含水率试样时，加水导致部分膨胀力提前释放，试验时再次浸泡试样至变形稳定测得的膨胀力为该含水率下的剩余膨胀力。在土样制备过程中释放的膨胀力随着含水率的增加而增加。较高含水率时曲线趋于稳定且膨胀力值较小，说明此时古土壤膨胀力近于完全释放，不再具备遇水膨胀特性。

2）重塑古土壤膨胀性

原状古土壤经碾压风干后过2 mm 筛，测定含水率。根据目标含水率计算加水量，喷洒水后搅拌，密封静置24 h，使水分均匀扩散。利用静压法制备重塑古土壤环刀样，密度与原状古土壤保持一致。每组3个，共15 个。试样制备完成后测定含水率，实测初始含水率为17%，19%，21%，23%，25%。重塑古土壤试样膨胀力P'与含水率ω'0关系曲线见图4。可知，重塑古土壤试样膨胀力随含水率增加而减小，但该曲线相比于原状古土壤试样更缓和，说明重塑古土壤试样膨胀力对含水率变化的敏感程度减弱。配置特定含水率重塑古土壤试样时，先喷洒水密封静置24 h 后再制作环刀样，水与土颗粒之间充分接触且分布较均匀，有利于膨胀力释放。同时重塑过程又改变了原状古土壤的结构以及孔隙分布，土体受到外力扰动之后亦会产生微裂纹，使闭口裂隙变为开口裂缝，水分与土颗粒间的接触更充分，宏观上表现为扰动土膨胀力大幅度增长，在相同含水率时重塑古土壤的膨胀力远高于原状古土壤。最大膨胀力为253 kPa，为原状古土壤最大膨胀力的4倍左右。

图4 重塑古土壤试样膨胀力P'与初始含水率ω'0的关系曲线

实际工程中隧道开挖之前，土层在初始含水率状态已有部分膨胀力释放，受外力扰动后其含水率发生变化，此时剩余膨胀力释放作用于支护结构。该状况与试验古土壤试样状态类似，能在一定程度上反映膨胀力与含水率的关系。

2 仿真分析

2.1 计算模型

基于室内试验结果，结合现场地勘报告及设计图纸，按隧道设计断面形状及尺寸建立计算模型。隧道高12.6 m，洞径14.8 m，由圣维南原理可知隧道两侧取洞径3～5 倍为宜，最终尺寸确定为100 m×100 m×4.8 m，如图5 所示。所有土体单元选用摩尔-库伦本构模型，支护结构混凝土部分选用弹塑性模型，拱架与锚杆选用弹性模型。依照现场施工工序并结合数值模拟的计算特点，循环进尺确定为1.6 m。围岩采用实体单元，钢拱架和锁脚锚管为梁单元。

图5 计算模型

从拱顶到仰拱关键部位布置测点，监测围岩应力及变形情况，如图6所示。

图6 监测点布置

2.2 计算结果与分析

不同含水率下古土壤隧道围岩应力云图见图7。

图7 不同含水率下古土壤隧道围岩应力云图（单位：kPa）

不同含水率下各测点应力见表3。

表3 不同含水率下各测点应力

由图7 和表3 可知：含水率在17%，19%，21%和23%时边墙均出现了应力集中现象。含水率23%时围岩应力与含水率17%时相比变化不大。随着古土壤含水率的增大，拱顶、拱肩和拱脚应力先增大后减小然后再增大，边墙和仰拱先减小再增大。含水率17%，19%，21%，23%时围岩所受最大应力分别为1.289，1.227，1.213，1.237 MPa，均出现于边墙。

不同含水率条件下古土壤隧道围岩位移云图见图8。不同含水率下各测点的位移见表4。可知：含水率在17%，19%，21%和23%时最大位移均出现在仰拱。各测点位移随着古土壤含水率的增加而增大，含水率从17%增至21%拱顶到墙脚位移增幅较小，从21%增至23%时位移增幅大；含水率17%到23%仰拱位移增幅逐渐减小。含水率17%，19%，21%，23%时最大位移值均出现于仰拱。

图8 不同含水率下古土壤隧道围岩位移云图（单位：m）

表4 各测点位移

3 结论

1）早胜3号隧道古土壤围岩中伊利石、绿泥石、伊蒙混层等黏土成分占28%，石英、钾长石、钠长石和方解石等粒状矿物占72%。微观结构中基本单元体的特征是以石英、方解石、黏土矿物组成的凝聚体单元构成土体的基本骨架，凝聚体单元之间连接紧密。凝聚体单元之间的孔隙中填充有方解石组成的碎屑颗粒单元，对骨架起支撑作用，增加土体的强度。孔隙中还填充有伊利石、伊蒙混层组成的叠聚体单元以及丝缕状伊利石组成的连接体单元，使古土壤具有胀缩的性质。

2）原状古土壤的膨胀力与含水率呈指数关系。含水率低于19%时膨胀力较大，曲线斜率较大，含水率变化对膨胀力的影响显著。随着含水率增大，曲线斜率逐渐减小，含水率大于23%后曲线趋于稳定且膨胀力较小。

3）重塑古土壤的膨胀力随含水率变化曲线比原状古土壤平缓。膨胀力对含水率变化的敏感程度减弱。同时，重塑过程改变了原状土的结构以及孔隙分布，使得在相同含水率下重塑古土壤的膨胀力远高于原状古土壤，其最大膨胀力为原状古土壤的4倍。

4）随着古土壤地层含水率变化，隧道围岩应力变化不大，围岩位移变化较大，且随含水率的增加各部位沉降逐渐增大。

综上所述，含水率对古土壤膨胀性能的影响明显。在类似古土壤地层隧道设计和施工中应重视含水率的变化，防止围岩膨胀变形影响到隧道围岩的稳定及结构的安全。