全新统坡残积层工程特性及隧道变形机理研究

宋振军

(中铁十二局集团有限公司 山西太原 030024)

1 引言

渝昆高铁穿越云南、贵州、重庆等地区，地层主要为新生界第四系(Q)地层、中生界侏罗系(J)地层、三叠系(T)地层及古生界二叠系(P)、石炭系(C)、泥盆系(D)、寒武系(∈)地层与元古界震旦系(Z)地层等。

由于坡残积地层在隧道施工过程中受到隧道开挖、机械振动以及地表开挖卸载等影响，地应力状态发生改变，工程性质也随之改变。基于以上背景，本文以渝昆高铁李家村隧道为依托，开展坡残积地层含水率与其力学指标相关函数关系研究，在此基础上通过数值计算分析，对坡残积地层隧道变形机理进行研究，并提出相应对策，为设计施工提供理论参考。

2 工程概况

渝昆高速铁路，是“八纵八横”高速铁路主通道之一“京昆通道”的重要组成部分，途经重庆市、四川省、贵州省和云南省。

渝昆高铁李家村隧道全长3 743.00 m，隧道洞身最大埋深约158 m，采用新奥法施工。图1为渝昆高铁李家村隧道出口段纵断面和横断面。

本隧道进出口段所处地层为坡残积层，采用三台阶临时仰拱法开挖。隧道跨度15.20 m，高12.98 m，采用复合式衬砌结构，初期支护为全环 25b型钢钢架，间距0.6 m，并打设ϕ42锁脚锚管，C30喷射混凝土厚度为35 cm。二次衬砌为C35钢筋混凝土，拱顶二衬厚度60 cm，仰拱二衬厚度70 cm。

李家村隧道地下水主要为第四系土层孔隙水和基岩裂隙水，施工期间会对坡残积层产生扰动，从而形成地下水径流通道，进而造成洞身围岩变形。

李家村隧道D1K609＋717～D1K609＋767范围初期支护出现环向贯通裂缝，图2为现场初期支护开裂及变形情况。仅1 d时间，D1K609＋736处拱顶沉降变化量达203 mm，裂缝宽度达5 cm。D1K609＋717～D1K609＋767左侧拱肩部位初支明显向内挤压变形并已侵限，最大侵限量达39.8 mm。根据《铁路隧道监控量测技术规程》，当拱顶下沉速率达5 mm/d或位移累计达100 mm时，应暂停掘进，并及时分析原因，采取处理措施[1-2]。

3 坡残积层工程特性研究

为探究坡残积层工程特性，现场通过室内试验测得坡残积层土体黏聚力、内摩擦角及压缩模量，总结不同含水率条件下土体的抗剪强度，进而指导设计施工。

3.1 直剪试验

现场采用应变控制直剪仪对坡残积层土样进行直剪试验，得到土样不同含水率下的黏聚力及内摩擦角。参考相关文献[3-6]，并考虑到幂函数具有较强的自适应性，因此本文利用Origin软件内置的拟合程序并依据Levenberg-Marquardt迭代优化算法[7]对黏聚力、内摩擦角与含水率进行幂函数曲线拟合。黏聚力、内摩擦角与含水率关系方程为:

式中:C为土体黏聚力，kPa；φ为土体内摩擦角，(°)；ω为含水率，%；A、B、D、E为待定系数。

不同含水率下土体黏聚力、内摩擦角试验结果及其与含水率拟合曲线如图3所示[7]。

试验得出A＝2.525 23，B＝ -2.112 06，D＝3.935 06，E＝-1.473 83。通过非线性回归分析，得到抗剪强度指标黏聚力、内摩擦角与含水率的关系为:

式(3)拟合系数R2＝0.981 87，式(4)拟合系数R2＝0.985 62，均接近1，说明具有较好的拟合优度。

3.2 压缩固结试验

现场采用标准固结法对坡残积地层土样进行压缩固结试验，通过测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形、孔隙比和压力关系，计算土体的压缩模量。

压缩模量与含水率关系方程为:

式中:ES为压缩模量，MPa；F、G为待定系数。

不同含水率下土体压缩模量试验结果及其与含水率拟合曲线如图4所示。

试验得出F＝0.314 5，G＝-2.123 38。通过非线性回归分析，得到黏聚力、内摩擦角与含水率关系为:

拟合系数R2＝0.989 33，接近1，具有较好的拟合优度。

4 坡残积层隧道变形机理及特征

为进一步掌握坡残积地层隧道变形机理，开展不同坡残积层含水率条件下隧道开挖结构变形和围岩稳定性研究。

由于衬砌破坏段隧道埋深较浅，事发时当地正值雨季，雨水对全风化泥岩反复冲刷、浸泡，进一步恶化了隧道围岩，导致围岩承载力下降，隧道洞身结构经历不均匀沉降，结构内力增加，最终致使结构破坏。

隧道结构受到围岩荷载发生变形，隧道开挖引起的附加荷载使得作用范围内围岩发生相应变形，导致隧道结构与围岩产生共同变形。

基于前文含水率对坡残积层力学性质的影响研究，结合渝昆高铁李家村隧道工程背景，进一步探讨不同含水率情况下，坡残积层隧道变形机理。取含水率区间为20% ～60%，根据式(3)、式(4)及式(6)计算得到各含水率条件下的坡残积层强度指标。计算工况及参数如表1、表2所示。泊松比根据文献[8]取值范围为0.35～0.42。由于该隧道埋深较浅，泊松效应不明显，本文统一取0.35，对计算结果影响较小[9]。

表1 各计算工况下围岩参数

表2 支护参数

结合李家村隧道工程地质条件，通过FLAC3D有限差分软件建立计算模型[10-12]。根据地勘物探结果，坡残积层主要由黏土组成，因此数值模拟过程中，围岩通过实体单元模拟，超前长管棚采用结构单元，初期支护、临时仰拱及二次衬砌采用实体单元。断面D1K609＋736模型如图5所示。

计算得到结构最大主应力分布情况如图6所示。结构最大主应力主要分布在两侧拱脚位置。

由于依托工程建设过程中主要出现地表沉降和支护结构变形问题，因此本文对地表沉降以及支护结构变形进行分析。不同含水率下地表竖向位移如图7所示。

根据图7，在本次数值模拟支护条件下，可将含水率40%视为围岩失稳的临界含水率，即当含水率小于40%时，隧道开挖主要对隧道轴线上方坡残积层造成影响，导致地表沉降。其中，当含水率小于30%时，地表沉降处于0～0.05 m区间，属于相对较小水平；含水率在30%至40%之间时，地表沉降增幅变大，整体在0.05～0.15 m区间，变形相对较大；而当含水率大于40%时，土体强度大幅下降，围岩稳定性变差，由于剪应力的存在，围岩所受附加荷载向附近扩散，致使距离隧道结构较远位置土体出现沉降，发生滑坡、坍塌等风险变大。

隧道轴线上方地表、隧道拱顶及仰拱位置处竖向位移如图8所示。

结构上任一点的总位移由自身变形量和土体变形量共同决定。根据图8中地表、拱顶以及仰拱竖向位移大小，在本次数值模拟支护条件下，可将曲线分为三个阶段:围岩稳定阶段(含水率＜30%)、过渡阶段(含水率30% ～40%)、围岩失稳阶段(含水率＞40%)。

结合数值模拟结果，坡残积层隧道变形主要在两方面力学机制共同作用下发生。

一方面，对于成岩程度低、稳定性差、强度低的坡残积层，隧道开挖后拱部岩土体强度难以维持松动体自重，从而向下沉降，导致岩土体裂隙发生及发展，进一步降低岩土体强度，易发生突变失稳。

另一方面，在围岩松动荷载作用下，最大主应力主要集中在仰拱与拱脚位置，最小主应力主要集中在拱腰与仰拱位置，隧道拱脚及仰拱部位应力集中明显，导致基底失稳变形，加剧了拱部围岩松弛变形和拱脚围岩剪切破坏。

基于上述分析，在坡残积层中进行隧道工程开挖，提出以下建议:

(1)地质勘查阶段应对土体含水率进行严格监测，为后续设计施工提供参考依据。

(2)对含水率较高区域，施工前可进行适当降水处理，并对土体进行主动改良，增强土体承载力。

(3)施工采用分部开挖，遵循“短进尺、管超前、严注浆、强支护、早封闭、勤量测”的原则，以保证施工安全。

5 结论

本文基于渝昆高铁李家村隧道坡残积层工程特性及隧道变形机理研究，主要得到以下结论:

(1)随着含水率逐渐增加，土体黏聚力、内摩擦角及压缩模量呈凹函数非线性减小。通过回归分析，得到含水率与坡残积层强度指标函数关系，且公式具有较好的拟合优度，在一定范围内可为设计施工提供参考。

(2)在本次模拟的支护条件下，根据不同含水率下围岩和结构的变形量，可将围岩状态分为三个阶段:围岩稳定阶段(含水率＜30%)、过渡阶段(含水率30% ～40%)、围岩失稳阶段(含水率＞40%)。围岩稳定阶段和过渡阶段隧道开挖主要对隧道轴线上方土体产生影响，而在围岩失稳阶段，距离隧道结构较远位置土体亦受到隧道开挖影响。

(3)在本次模拟的支护条件下，含水率40%为坡残积层围岩失稳临界含水率，当含水率超过临界值时，围岩承载力明显降低，高含水率的坡残积层土体表现出类似“湿陷性”特征，土体结构破坏，承载力减弱，稳定性变差，隧道开挖对土体产生强烈干扰，引起严重地表沉降和结构变形。