黄土隧道地层增湿条件下衬砌力学响应

李玉波，朱才辉，段 宇，吴 宏，王振林

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043；2.西安理工大学 岩土工程研究所， 陕西 西安 710048；3.引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010)

黄土广泛的分布于我国西北、华北等地区，达64×104km2，在西部进行的基础设施、国防设施以及生态环境等建设中，都会遇到黄土场地带来的特殊岩土工程问题[1]。根据大量黄土隧道中出现的病害问题调研结果发现，衬砌壁后的空洞、渗水、开裂、冻胀等均与地下水位的异常变化和衬砌结构设计缺陷存在密切联系。隧道施工期间，相当于人为挖掘了地下渗流通道，隧道内排水导致地下水位下降，当衬砌施作完之后，局部防排水措施失效引起地下水位持续抬升，可能出现地下水位的逐渐恢复现象，引起隧道周围非饱和黄土地层的增湿饱和问题；此外，地表水降雨入渗或邻近人工水源入渗至黄土隧道地层中，从而引起围岩附加荷载，衬砌受力变大，最终导致渗漏水、开裂甚至破坏等不安全现象。关于黄土的工程特性与力学性质，尤其是水敏性，包括水对黄土的强度、变形和本构关系研究取得了较多的研究成果及规范性文件，如：基于西安地铁、兰州地铁和太原地铁工程的《铁路黄土隧道技术规范》、《西安城市轨道交通工程监测技术规范》、《湿陷性黄土地区建筑标准》等[2-4]。近年来，不同类型(硬塑、软塑、流塑)黄土地区隧道(洞)工程建设越来越密集[5]，尤其富水黄土地层、湿陷性黄土地层中大断面隧道的建设，将面临严峻的挑战。由于黄土地层的特殊性，增湿条件下会引起地层软化、湿陷、大变形，而减湿情况下会表现出长期固结、蠕变等变形时效性，无论增减湿与否均与地下水环境的变化相关，在隧道工程中，均表现为大变形引起的地下结构失效的病害问题。通过大量黄土公路隧道经验总结表明，黄土隧道变形具有突变、量大、持时长、地表易形成裂缝等特点[6]。文献[7-12]分别基于黄土地表浸水试验、室内试验、数值分析等方法来研究了黄土地层增湿后隧道支护结构力学响应问题，从围岩变形、地面沉降、衬砌受力状态等多个方面对比分析了黄土地层湿陷或增湿对围岩变形规律和隧道稳定性的影响，提出了黄土隧道湿陷性地基浸水不均匀变形评估方法以及围岩压力的确定原则。文献[13]分别从土的结构性、硬变软化特性和渗流特性角度出发，研究了富水隧道的长期变形和增湿特性下隧道的稳定性问题，文献[14-15]针对工程实际中，大断面(富水)黄土隧道的成洞规律及支护结构设计、地基处理措施、围岩加固方法等方面开展了大量的研究，这为黄土隧道的设计、施工提供了宝贵的工程经验。

综上可见，针对黄土地区公路隧道、地铁隧道在增湿工况下的稳定性评价及设计施工方面，都取得了一定的研究成果，但目前关于黄土浸水湿陷规律及增湿参数的研究及其对衬砌结构的力学响应尚需明确，有必要针对地下水位抬升及隧道洞周塑性区内土体增湿引起的衬砌力学响应进行系统研究。

1 黄土地层增湿特性试验

1.1 工程概况

某西北黄土地区高速公路隧道工程，全线设隧道36处，隧道占路线总长的16%。隧道采用双向六车道标准，限界宽度达14.5 m，紧急停车带限界宽度达17.0 m，开挖宽度达20.0 m。隧道埋深大多数处于50.0 m以下，根据地质勘察资料显示，隧道所处地层为粉质黏土层，上覆土体为黄土夹古土壤地层，隧道底部为砂砾层，天然降水是地下水的主要补给方式，地下水位处于隧道起拱线以上，且地下水位随季节性变化幅度较大。

1.2 黄土地层增湿特性及支护参数的选取

为了了解隧道所处的黄土地层的增湿力学特性，通过在隧道内现场钻孔取样(取样深度约为50 m)，开展不同含水状态下(w=8%、12%、16%、20%、24%-饱和)原状黄土及粉质黏土、砂砾层的固结压缩试验(荷载等级：50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 000 kPa)、三轴压缩试验、直接剪切试验(荷载等级：100 kPa、200 kPa、400 kPa)和水平向及竖直向的黄土饱和渗透试验。经过力学换算和经验关系统计，得到不同含水率下黄土地层及其他地层的物理力学指标，如表1所示。

根据设计资料，初期支护(喷层、锚杆、钢拱架)的锚固区采用等效法来模拟，采用《工程地质手册(第四版)》[16]和《公路隧道设计规范》[17](JTG D70—2004)的建议，即将钢拱架的作用效应通过面积等效折算给初期支护的喷射混凝土：

EL=(EcAc+EaAa)/A

(1)

式中：EL为钢拱架的等效弹性模量，MPa；Ec为喷射混凝土的弹性模量，MPa；Ea为钢拱架的弹性模量，MPa；Aa为钢拱架截面面积，cm2；Ac为喷射混凝土截面面积，cm2；A为初期支护整体横断面面积，cm2。

本黄土公路隧道的二次衬砌参数如下：拱脚处厚为80 cm，其他为60 cm；初期支护中喷混凝土标号为C25，钢拱架为I20a型钢工字钢，其中Ec=23 GPa，Ac=0.25 m2，Ea=210 GPa，Aa=35.578 cm2，A=0.2536 m2，通过计算可得到考虑钢拱架效应的喷射混凝土的等效弹性模量为EL=25.6 GPa。

表1 黄土增湿特性及支护结构参数表

其中:E为弹性模量;u为泊松比;c为黏聚力;φ为内摩擦角;γsat为饱和重度;γunsat为天然重度;ksx，ksy分别为水平向和竖向饱和渗透系数。

通过室内不同含水率条件下的隧道上覆黄土地层原状黄土的室内固结压缩、强度及渗透性试验结果可知：

(1) 黄土的增湿导致其物理力学参数出现明显的变化，可采用如下函数来表示增湿后参数的变化规律：

cw=f1(w)=-51.5w+ 37.4

(2)

φw=f2(w)=-9w+ 24.8

(3)

Ew=f3(w)=11.16w-1.356

(4)

(2) 随着黄土含水率的上升(增湿效应)，土体的含水率每增加4%，其弹性模量减少约20%～40%，其抗剪强度指标中的黏聚力降低约4%～9%，其内摩擦角降低约1%～2%，重度增大约6%～11%。由此可见，黄土增湿后，其抵抗变形的能力降低最多，抗剪强度的损失也不容忽视，重度的增大，直接导致隧道上覆地层附加荷载的增大。

2 黄土地层增湿对衬砌的力学响应

2.1 数值分析方案及模型的建立

本文采用PLAXIS专业岩土分析软件来对黄土公路隧道运营期间，衬砌结构力学响应进行二维建模计算。其中，钢筋混凝土衬砌采用梁单元模拟，隧道周围土体采用平面实体单元模拟，根据衬砌结构断面以及计算影响范围，取左右两边边界及底边边界到隧道的距离为3倍隧道跨度，上覆土体则按实际层厚取值，约为40 m。模型边界条件及单元网格图见图1。

黄土地层按理想弹塑性材料处理，且遵循M-C(摩尔-库仑)屈服准则。数值模拟步骤如下：

(1)模型左右边界法向约束，底部双向约束，模拟初始自重应力场。

图1 隧道-地层-边界计算模型简图

(2)基于开挖体模量软化法，模拟隧道全断面一次性开挖和初期支护的施作，考虑围岩及初期支护的荷载分担比为50%。需要特别说明的是：实际上大断面公路隧道的施工方法多采用矿山法施工，如：台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法、单侧壁导坑法等，不同施工方法对后期衬砌的受力特征均存在一定的差异，为了减少差异性带来的分析结果的离散性，本文采取一次性全断面开挖，根据工程经验模拟初期支护及围岩所承受的荷载分担情况进行模拟。

(3)模拟二次衬砌的浇筑施工，根据工程实际经验，此时衬砌承担围岩压力荷载分担比为50%。

(4)模拟不同地下水位的抬升高度及上覆黄土地层的增湿程度，获取衬砌应力(拉应力σ1和压应力σ3)计算结果，分析水环境发生变化工况下衬砌的力学响应。

2.2 水位抬升高度对衬砌的受力影响

在施工完成后水位稳定的条件下，地下水位线基本处于隧道起拱线附近，以此水位为初始条件，分别计算水位抬升0 m、4 m、8 m、12 m、16 m、30 m以及上覆全部土层达到饱和状态时，不同水位抬升高度对衬砌内外侧大主应力的影响程度。计算结果如表2所示。隧道围岩增湿范围变化对衬砌受力的影响计算结果如图2所示。

表2 不同水位抬升高度衬砌第一主应力

图2 黄土隧道地层增湿对衬砌第一主应力的影响

由表2、图2数值分析结果，可得到如下结论：

(1) 衬砌不同部位处的拉、压应力，均随水位抬升高度(增湿范围)的增大而增大，当地下水位抬升高度从0 m增加到30 m期间，拱顶内侧压应力增加了19.5%，拱顶外侧压应力增加了50.0%；拱肩内侧压应力增加了28.7%；拱肩外侧压应力增加了39.3%；拱脚内侧压应力增加了74%，外侧拉应力增加了约4倍。

(2) 随着地下水位抬升高度的增大，增湿范围对衬砌内力的影响显著，且衬砌外侧应力增大程度较内侧大，尤其是拱脚部位。因此，当隧道周围及上覆地层地下水位出现季节性变化时，黄土地层围岩的增湿必然会导致其自承能力的下降，从而引起衬砌负担更多的增湿形变荷载，建议改善地表将排水措施和防渗措施，增强衬砌及初期支护的支护力度及防排水措施，并根据实际地下水位可能的升降幅度，适当考虑衬砌结构设计期间的附加形变荷载，增强衬砌外侧的配筋量或混凝土标号。

2.3 隧道围岩增湿程度对衬砌的受力影响

根据工程地质及水文地质勘察资料发现，该黄土地层隧道起拱线处地下水位在降水期和枯水期的的变化幅度为±6 m。土体地下水位抬升和下降期间，会引起隧道周围黄土地层的增湿和减湿，围岩的综合含水率将会有相应的变化，而含水率的变化，必然导致隧道周围土体的物理力学参数的变化，进而会对支护结构产生附加变形荷载，影响衬砌的受力状态。为了反映增湿程度对衬砌的力学响应，现进行如下假定：在施工完成后水位稳定的条件下，假定增湿范围不变，为稳定水位之上12 m，且隧道周围土体初始含水率确定为8%，则分别计算对比分析不同增湿程度Δw=0%、4%、8%、12%、16%情况下，对衬砌受力的影响。计算结果见表3。黄土隧道围岩增湿程度对衬砌受力的影响计算结果，见图3。

表3 不同增湿程度下衬砌第一主应力

根据表3、图3计算结果可见：

(1) 衬砌不同部位的应力，随增湿程度的增大而增大。洞周围岩增湿程度从0%增加到16%(达到饱和)期间，拱顶内侧压应力增加了12.2%，拱顶外侧压应力增加了34.6%；拱肩内侧压应力增加了22.3%，拱肩外侧压应力增加了22.3%；拱脚内侧压应力增加了59.2%，拱脚外侧拉应力增加了3.4倍。

图3 增湿程度对衬砌第一主应力增幅影响

(2)随着增湿程度的增大，与前述结论相似，衬砌外侧应力增大程度明显较内侧大，拱脚部位依然是受力敏感部位，设计施工期间，应考虑拱脚部位施作锁脚锚杆(管)，并增强拱脚部位的抗渗和支护力度，当隧道地层完全饱和，衬砌受力极端危险情况下，可采取钢管桩、混凝土桩等群桩基础方式处理地基。

3 黄土隧道设计关键技术

3.1 考虑增湿效应的围岩压力计算方法

为了对水敏性黄土隧道支护结构设计提供科学参考，提高围岩的稳定性和衬砌结构的安全性能，应对增湿后黄土隧道的围岩压力计算模式有新的认识，根据以往的设计理念，应考虑如下修正：

(1) 黄土隧道(洞)支护结构设计期间，围岩压力的计算需要适当考虑围岩可能增湿或水位变化引起的计算参数的调整，如：增湿范围内土体，抗剪强度cw，φw，或引入cw=f1(w,σ),φw=f2(w,σ)，土体重度γ采取增湿后饱和重度γsw，应采用考虑水分影响的参数来计算，根据以往实测资料表明，浅埋黄土隧道的围岩压力可采用太沙基理论计算，这里需要修正的是，应采取修正后的太沙基公式公路隧道规范方法计算。对于深埋隧道，其竖向围岩压力(σv)和横向围岩压力(σh)计算公式可修正为：

(5)

(6)

(7)

式中:b为塌落拱跨度的一半,m;B为隧道的最大开挖跨度,m;h为隧道的开挖高度,m；Kw,cw,φw,γsw均为考虑增湿后黄土地层的物理力学参数，分别为侧压力系数、黏聚力、内摩擦角和重度，当Kw无实测值时，可采用Kw=1-sinφw来粗略估算，一般情况下，根据经验增湿后的黄土侧压力系数约为0.8～1.2之间[6]。

(2)对于公路隧道规范中的围岩分级标准及其深埋围岩压力计算期间，应考虑如下修正：当隧道上覆黄土地层含水率低于液限时，为V类围岩(S=5)，当上覆黄土地层含水率超过液限接近饱和状态时，围岩级别降低为VI 级(Sw=6)，则规范中围岩压力公式可适当修正为：

σv=0.45×2Sw-1×γsw[1+i(B-5)]

(8)

式中:Sw为考虑隧道上覆黄土地层增湿后的围岩分级;i为经验系数;B为隧道开挖跨度。

(3)对于浅埋隧道(当隧道拱顶埋深为h1)，其竖向围岩压力(σv)和横向围岩压力(σh)计算公式可修正为：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:参数λw,βw,θw,φ0w分别为增湿后黄土地层的物理力学参数指标，具体物理含义，参见《公路隧道设计规范》[17](JTG D70—2004)，对于其中参数的确定，需要借助室内黄土增湿试验和根据经验取值。

3.2 考虑地层增湿效应的隧道设计建议

如前数值分析结果可知，衬砌周围黄土地层随着水位抬升、增湿范围及增湿程度的增大，诱发围岩软化，其自承能力逐步下降，作用在衬砌上的围岩压力有逐渐增大的趋势，衬砌受力变大的现象发生，尤其在拱脚部位，因此在考虑增湿效应后，黄土隧道支护结构设计期间，应考虑如下加强措施。

(1) 通过对拱脚，拱腰的锚杆进行加密或加密钢筋网的铺设密度，将原有的钢筋网铺设间距20 cm减小为15 cm，或采取双层铺设方法；调整锁脚锚管打设角度、长度和数量：可将原设计15°～35°调整为45°～60°，调整钻头直径：用Φ50钻头钻孔，成孔口后及时清孔填塞锚固剂，插入导管。根据锚管长度及钻孔深度(4 m)的锁脚锚管每个孔填塞锚固剂不少于10根，使其锚管与围岩紧密连接，形成受力整体，这对于初期支护体系在自重大、初支基底承载力较低的黄土隧道长期稳定性起到了至关重要的作用。

(2) 及时施作仰拱，加强围岩的内部和隧道基础的纵向横向排水措施，减小因排水措施失效引起水位抬升，诱发围岩软化、土压力放大、衬砌受力变大的现象发生；此外，应加强富水段衬砌结构的受拉侧配筋量，提高受压侧混凝土抗渗等级和标号，改善衬砌的受力状态；还应针对浅埋地段，隧道上方地表低洼处进行防水处理、针对地表处存在裂隙、暗穴、土洞等位置采取加固灌浆措施，减少降雨引起的水分入渗问题。

(3) 采用WSS注浆加固技术(利用二重管钻进钻孔至预定深度，同时用注浆机进行注浆)，建议注浆浆液选取具有抗渗效果的超细颗粒A液，其配比可采用：45.2R水泥(kg)∶水(L)∶缓凝剂(L)=1.0∶1.0∶0.2，B液的配比可采用：水玻璃(L)∶水(L)=1.0∶1.5，在注浆过程中，两种浆液按体积比1∶1注入。采用Φ46 mm二重管钻孔，注浆孔可按照梅花形双层布设，孔距控制在0.4 m～0.5 m，注浆范围为隧洞开挖轮廓以外2 m～4 m，在注浆施工过程中，应严格控制注浆压力及注浆量，适时改变注浆参数，并在浆液凝固后进行钻孔取样分析加固体的强度、含水率等参数，用以评价加固效果，其加固体的弹性模量增量必须控制在20%～50%以上，单轴抗压强度增幅控制在60%～80%以上。

(4) 对于饱和大断面黄土隧道，为了保证围岩的稳定性，除了施工期间对地表、初期支护采取有效的降排水和防渗措施外，还需要在初期支护与衬砌之间及衬砌壁后、底板等部位设置横向、纵向、环向排水设施。

4 结论与建议

(1) 隧道周围地下水位抬升期间，衬砌不同部位处的拉、压应力均呈增大趋势，拱顶内、外侧压应力分别增加了19.5%和50.0%，拱肩内、外侧压应力分别增加了28.7%和39.3%；拱脚内侧压应力增加了74%，外侧拉应力增加了约4倍。

(2) 洞周土体增湿程度从0%增加到16%(饱和)期间，拱顶内、外侧压应力分别增加了12.2%和34.6%；拱肩内、外侧压应力均增加了22.3%；拱脚内侧压应力增加了59.2%，拱脚外侧拉应力增加了3.4倍。

(3) 黄土隧道中，地下水位的抬升和增湿程度的增大均对地层产生不同程度的软化作用，降低了隧道地层的成拱效应，使衬砌受力趋于不安全或破坏状态。应从加强支护力度(加密挂网、加强锁脚锚杆、加强混凝土抗渗等级及标号)，改善围岩条件(洞周土体WSS注浆加固、软弱地基加固处理、地表裂隙、暗穴加固灌浆等措施)和综合防、排水措施等三个方面来提高黄土隧道施工及工后期的长期稳定性。