王新東

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)是世界首條在黃土地區(qū)修建的高速鐵路，建設(shè)期間針對(duì)大斷面黃土隧道技術(shù)難題開(kāi)展了施工方法與監(jiān)控技術(shù)、合理支護(hù)參數(shù)和地表沉降控制技術(shù)等系列研究。研究成果形成了大斷面黃土隧道修建技術(shù)，有效地指導(dǎo)了鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)大斷面黃土隧道的建設(shè)[1-2]。我國(guó)后續(xù)修建的西寶、大西、蘭新高速鐵路大斷面黃土隧道施工均直接借鑒了相關(guān)研究成果。

圖1 施工過(guò)程中隧道變形

寶雞至蘭州客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)沿線(xiàn)黃土分布廣泛，全線(xiàn)共65座隧道(52 km)洞口或洞身穿越黃土地層[3]。本線(xiàn)黃土隧道襯砌支護(hù)、施工方法等參照鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)研究成果。建設(shè)期間大部分段落黃土隧道實(shí)現(xiàn)安全快速地施工，但部分段落開(kāi)挖揭示的黃土隧道工程性質(zhì)與鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)有較大差別。主要表現(xiàn)為黃土含水率高，最高達(dá)31%，飽和或流塑狀。施工過(guò)程中部分隧道初期支護(hù)變形大(超出設(shè)計(jì)預(yù)留變形量)，開(kāi)裂嚴(yán)重，拱部下沉最大達(dá)51 cm；個(gè)別隧道因掌子面土體失穩(wěn)滑動(dòng)而出現(xiàn)塌方(如圖1(a)所示)；個(gè)別隧道掌子面后方仰拱未封閉段拱墻初期支護(hù)出現(xiàn)整體下沉進(jìn)而導(dǎo)致塌方(如圖1(b)所示)?，F(xiàn)場(chǎng)安全壓力大、施工難度高[4]，高含水率大斷面黃土隧道成為建設(shè)者們遇到的新的技術(shù)難題。因此，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展高含水率黃土大斷面隧道沉降控制基準(zhǔn)、施工方法等關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究。

1 高含水率黃土大斷面隧道變形特性

1.1 高含水率黃土分布情況統(tǒng)計(jì)

對(duì)寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)定西至榆中段10座主要黃土隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)含水率的統(tǒng)計(jì)分析。埋深110 m內(nèi)該線(xiàn)含水率>15%，110 m外<15%，其中高含水率均出現(xiàn)于埋深60 m以?xún)?nèi)的Ⅴ級(jí)圍巖中，并主要出現(xiàn)在埋深30 m內(nèi)(統(tǒng)計(jì)占比64%)。中高含水率分布在埋深110 m內(nèi)，但主要分布在埋深60 m內(nèi)(統(tǒng)計(jì)占比60%)。

1.2 高含水率黃土大斷面隧道變形特性

1)現(xiàn)場(chǎng)變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)定西至榆中段10座主要黃土隧道變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，得出：①含水率的大小對(duì)變形影響顯著，含水率越高隧道變形越大。②中高含水率和高含水率的拱頂下沉分別約為一般含水率的1.4倍,2.5倍(見(jiàn)圖2)。③淺埋時(shí)拱頂下沉顯著大于水平收斂，深埋時(shí)二者趨于接近，鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的黃土也具有相同特征。在埋深<30，30～60，60～180 m 時(shí)寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)拱頂下沉與水平收斂之比的平均值分別達(dá)到4.53，3.26，1.31(見(jiàn)圖3)。不論其拱頂下沉還是水平收斂隨埋深分布均呈現(xiàn)出淺埋大、深埋小的形態(tài)，這與鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)黃土有所不同。這與含水率隨埋深的分布差異有關(guān)。

圖2 拱頂下沉隨含水率分布圖3 變形特征值隨埋深分布

2)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果

運(yùn)用有限元軟件模擬隧道施工過(guò)程，分析不同含水率情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，見(jiàn)圖4。可知：高含水率黃土隧道拱頂下沉及掌子面縱向位移均明顯大于低含水率黃土隧道[5]。

圖4 不同含水率拱頂下沉、掌子面縱向位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比

1.3 黃土含水率分類(lèi)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)含水率分布情況及含水率對(duì)隧道變形的影響程度，對(duì)寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)黃土的含水率進(jìn)行分類(lèi)，見(jiàn)表1。

表1 黃土含水率分類(lèi)

2 高含水率黃土大斷面隧道變形控制基準(zhǔn)值及施工方法

2.1 變形控制基準(zhǔn)值

1)基準(zhǔn)值確定思路

基準(zhǔn)值為控制限值，定義為支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定極限狀態(tài)時(shí)的位移(應(yīng)力)，以結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大開(kāi)裂或鋼架扭曲為表征，一般依據(jù)規(guī)范以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)來(lái)確定[6]。

根據(jù)大斷面黃土隧道變形特性以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)大斷面黃土隧道的變形控制基準(zhǔn)值以拱部下沉累積值和速率2個(gè)指標(biāo)給出，先到者為控制值。按照規(guī)范要求，基準(zhǔn)值按圍巖分級(jí)和埋深類(lèi)型給出，對(duì)黃土隧道還要考慮含水率分類(lèi)。

2)變形控制基準(zhǔn)建議值

1.3.4 體外緩釋實(shí)驗(yàn) 以2 mL肉桂醛乳液/殼聚糖混合液制成的微球?yàn)橐环菸⑶驑悠?將一份樣品添加至三角瓶中，其中含有100 mL緩沖液和100 μL吐溫80.而后，將三角瓶置于搖床中，設(shè)定溫度為37℃，轉(zhuǎn)速為100 r/min. 每隔一段時(shí)間取出1 mL緩沖液，同時(shí)向三角瓶中補(bǔ)充1 mL緩沖液，直至樣品釋放穩(wěn)定.測(cè)量取出液的吸光值.

結(jié)合寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)黃土隧道 1 662 個(gè)斷面量測(cè)資料，同時(shí)參考鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)研究成果，提出大斷面黃土隧道變形控制基準(zhǔn)建議值見(jiàn)表2。

表2 寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)大斷面黃土隧道變形控制基準(zhǔn)建議值

2.2 高含水率黃土大斷面隧道施工方法

在鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)已有試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)大斷面黃土隧道研究成果和現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，大斷面黃土隧道不同含水率的施工方法總結(jié)如下：

1)一般含水率黃土(ω<17%)

可采用臺(tái)階法施工，施工應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、留核心土、管超前、強(qiáng)支護(hù)、重拱腳、早封閉、勤量測(cè)”的原則，以控制沉降變形為重點(diǎn)[7-9]。其襯砌支護(hù)參數(shù)、仰拱封閉距離、核心土、臺(tái)階高度長(zhǎng)度、大拱腳、鎖腳錨管等關(guān)鍵施工技術(shù)參數(shù)，可借鑒鄭西、寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)。

2)中高含水率黃土(17%≤ω<25%)

土體多呈硬塑～軟塑狀態(tài)，承載力較低，掌子面土體具有一定的自穩(wěn)性。此種條件下可以采用臺(tái)階法施工，但施工過(guò)程中變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，初期支護(hù)沉降變形較大。需在一般含水率工況下襯砌支護(hù)和臺(tái)階法技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加強(qiáng)輔助支護(hù)措施，包括增加鎖腳錨管，鋼架底部設(shè)型鋼、牛腿，核心土上方設(shè)置臨時(shí)豎撐等，同時(shí)應(yīng)縮短仰拱封閉距離至20～25 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)25%≤ω<28%時(shí)，黃土多呈軟塑狀，承載力較低，掌子面土體自穩(wěn)性較差，在大斷面、暴露時(shí)間較長(zhǎng)工況下，掌子面存在滑移失穩(wěn)的可能，同時(shí)掌子面后方沉降變形大。此種條件下不宜采用臺(tái)階法施工，可以采用簡(jiǎn)易CRD法或四臺(tái)階法以實(shí)現(xiàn)化大為小、分部開(kāi)挖、快速支護(hù)的目的。在控制好掌子面穩(wěn)定的情況下，通過(guò)適當(dāng)加強(qiáng)輔助支護(hù)措施控制沉降變形，包括增加鎖腳錨管，鋼架底部設(shè)型鋼、牛腿等，同時(shí)應(yīng)縮短仰拱封閉距離至15～20 m。四臺(tái)階法工況時(shí)核心土上方設(shè)置臨時(shí)豎撐，并采用單工序作業(yè)。

當(dāng)黃土含水率ω≥28%時(shí)，土體近飽和～飽和，多呈流塑狀，承載力很低，掌子面土體無(wú)法自穩(wěn)，易失穩(wěn)坍塌。需采取帷幕注漿、地表旋噴樁等措施對(duì)掌子面前方進(jìn)行預(yù)加固，加固后可以采用臺(tái)階法施工，但需加強(qiáng)拱部超前支護(hù)和采取輔助支護(hù)措施，以有效控制沉降變形。

3 結(jié)論與建議

1)根據(jù)寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)隧道高含水率黃土的分布情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)，高含水率黃土多分布于黃土塬坡腳下方的階地段，地形多淺埋平坦，多位于土石界面附近或砂質(zhì)黏質(zhì)黃土界面附近，地表水長(zhǎng)期下滲儲(chǔ)存導(dǎo)致土體含水率高?？辈煸O(shè)計(jì)期間應(yīng)對(duì)此予以重視，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)對(duì)土體含水率進(jìn)行測(cè)試，以便及早采取應(yīng)對(duì)措施。

2)寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，研究掌握了不同含水率黃土大斷面隧道的變形特性，提出了其變形控制基準(zhǔn)值和施工方法，可供類(lèi)似工程參考。特別是高含水率黃土地段，通過(guò)輔助加固等措施能夠控制圍巖變形，保證施工安全，但施工進(jìn)度緩慢，造價(jià)較高。勘察期間應(yīng)盡可能予以繞避，施工期間局部段落通過(guò)時(shí)可參照上述實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合施工實(shí)際選擇適宜的施工方法與措施。

3)高含水率黃土大斷面隧道變形較大，施工期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和反饋，以便及時(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案，實(shí)現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟(jì)的建設(shè)目標(biāo)。

[1]趙勇，李國(guó)良，喻渝.黃土隧道工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.

[2]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，蘭州交通大學(xué)，等.鄭西客專(zhuān)大斷面黃土隧道施工方法與監(jiān)控技術(shù)研究報(bào)告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2008.

[3]李國(guó)良.高速鐵路大斷面黃土隧道臺(tái)階法修建技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53(5):6-16.

[4]蘭新鐵路甘青有限公司，中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，等.寶蘭客專(zhuān)高含水率黃土大斷面隧道關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告[R].蘭州:蘭新鐵路甘青有限公司，2017.

[5]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，石家莊鐵道大學(xué).寶蘭客專(zhuān)大斷面黃土隧道臺(tái)階法技術(shù)參數(shù)及技術(shù)條件研究[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2013.

[6]宋冶，王新東，王剛，等.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)大斷面黃土隧道施工監(jiān)控技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，27(1):52-58.

[7]李國(guó)良.大跨黃土隧道設(shè)計(jì)與安全施工對(duì)策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008,45(1):53-62.

[8]李可寧.大斷面黃土隧道施工控制[J].鐵道建筑，2011，51(8):53-55.

[9]李波，宋冶，師亞龍，等.大斷面黃土隧道不同試驗(yàn)工法下的力學(xué)特性及變形特征研究[J].隧道建設(shè)，2015，55(6):508-513.