李玉波，朱才輝，段 宇，吳 宏，王振林

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043；2.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048；3.引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010)

黃土廣泛的分布于我國西北、華北等地區(qū)，達(dá)64×104km2，在西部進(jìn)行的基礎(chǔ)設(shè)施、國防設(shè)施以及生態(tài)環(huán)境等建設(shè)中，都會遇到黃土場地帶來的特殊巖土工程問題[1]。根據(jù)大量黃土隧道中出現(xiàn)的病害問題調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，襯砌壁后的空洞、滲水、開裂、凍脹等均與地下水位的異常變化和襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷存在密切聯(lián)系。隧道施工期間，相當(dāng)于人為挖掘了地下滲流通道，隧道內(nèi)排水導(dǎo)致地下水位下降，當(dāng)襯砌施作完之后，局部防排水措施失效引起地下水位持續(xù)抬升，可能出現(xiàn)地下水位的逐漸恢復(fù)現(xiàn)象，引起隧道周圍非飽和黃土地層的增濕飽和問題；此外，地表水降雨入滲或鄰近人工水源入滲至黃土隧道地層中，從而引起圍巖附加荷載，襯砌受力變大，最終導(dǎo)致滲漏水、開裂甚至破壞等不安全現(xiàn)象。關(guān)于黃土的工程特性與力學(xué)性質(zhì)，尤其是水敏性，包括水對黃土的強度、變形和本構(gòu)關(guān)系研究取得了較多的研究成果及規(guī)范性文件，如：基于西安地鐵、蘭州地鐵和太原地鐵工程的《鐵路黃土隧道技術(shù)規(guī)范》、《西安城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》等[2-4]。近年來，不同類型(硬塑、軟塑、流塑)黃土地區(qū)隧道(洞)工程建設(shè)越來越密集[5]，尤其富水黃土地層、濕陷性黃土地層中大斷面隧道的建設(shè)，將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于黃土地層的特殊性，增濕條件下會引起地層軟化、濕陷、大變形，而減濕情況下會表現(xiàn)出長期固結(jié)、蠕變等變形時效性，無論增減濕與否均與地下水環(huán)境的變化相關(guān)，在隧道工程中，均表現(xiàn)為大變形引起的地下結(jié)構(gòu)失效的病害問題。通過大量黃土公路隧道經(jīng)驗總結(jié)表明，黃土隧道變形具有突變、量大、持時長、地表易形成裂縫等特點[6]。文獻(xiàn)[7-12]分別基于黃土地表浸水試驗、室內(nèi)試驗、數(shù)值分析等方法來研究了黃土地層增濕后隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)問題，從圍巖變形、地面沉降、襯砌受力狀態(tài)等多個方面對比分析了黃土地層濕陷或增濕對圍巖變形規(guī)律和隧道穩(wěn)定性的影響，提出了黃土隧道濕陷性地基浸水不均勻變形評估方法以及圍巖壓力的確定原則。文獻(xiàn)[13]分別從土的結(jié)構(gòu)性、硬變軟化特性和滲流特性角度出發(fā)，研究了富水隧道的長期變形和增濕特性下隧道的穩(wěn)定性問題，文獻(xiàn)[14-15]針對工程實際中，大斷面(富水)黃土隧道的成洞規(guī)律及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、地基處理措施、圍巖加固方法等方面開展了大量的研究，這為黃土隧道的設(shè)計、施工提供了寶貴的工程經(jīng)驗。

綜上可見，針對黃土地區(qū)公路隧道、地鐵隧道在增濕工況下的穩(wěn)定性評價及設(shè)計施工方面，都取得了一定的研究成果，但目前關(guān)于黃土浸水濕陷規(guī)律及增濕參數(shù)的研究及其對襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)尚需明確，有必要針對地下水位抬升及隧道洞周塑性區(qū)內(nèi)土體增濕引起的襯砌力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 黃土地層增濕特性試驗

1.1 工程概況

某西北黃土地區(qū)高速公路隧道工程，全線設(shè)隧道36處，隧道占路線總長的16%。隧道采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)，限界寬度達(dá)14.5 m，緊急停車帶限界寬度達(dá)17.0 m，開挖寬度達(dá)20.0 m。隧道埋深大多數(shù)處于50.0 m以下，根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，隧道所處地層為粉質(zhì)黏土層，上覆土體為黃土夾古土壤地層，隧道底部為砂礫層，天然降水是地下水的主要補給方式，地下水位處于隧道起拱線以上，且地下水位隨季節(jié)性變化幅度較大。

1.2 黃土地層增濕特性及支護(hù)參數(shù)的選取

為了了解隧道所處的黃土地層的增濕力學(xué)特性，通過在隧道內(nèi)現(xiàn)場鉆孔取樣(取樣深度約為50 m)，開展不同含水狀態(tài)下(w=8%、12%、16%、20%、24%-飽和)原狀黃土及粉質(zhì)黏土、砂礫層的固結(jié)壓縮試驗(荷載等級：50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 000 kPa)、三軸壓縮試驗、直接剪切試驗(荷載等級：100 kPa、200 kPa、400 kPa)和水平向及豎直向的黃土飽和滲透試驗。經(jīng)過力學(xué)換算和經(jīng)驗關(guān)系統(tǒng)計，得到不同含水率下黃土地層及其他地層的物理力學(xué)指標(biāo)，如表1所示。

根據(jù)設(shè)計資料，初期支護(hù)(噴層、錨桿、鋼拱架)的錨固區(qū)采用等效法來模擬，采用《工程地質(zhì)手冊(第四版)》[16]和《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[17](JTG D70—2004)的建議，即將鋼拱架的作用效應(yīng)通過面積等效折算給初期支護(hù)的噴射混凝土：

EL=(EcAc+EaAa)/A

(1)

式中：EL為鋼拱架的等效彈性模量，MPa；Ec為噴射混凝土的彈性模量，MPa；Ea為鋼拱架的彈性模量，MPa；Aa為鋼拱架截面面積，cm2；Ac為噴射混凝土截面面積，cm2；A為初期支護(hù)整體橫斷面面積，cm2。

本黃土公路隧道的二次襯砌參數(shù)如下：拱腳處厚為80 cm，其他為60 cm；初期支護(hù)中噴混凝土標(biāo)號為C25，鋼拱架為I20a型鋼工字鋼，其中Ec=23 GPa，Ac=0.25 m2，Ea=210 GPa，Aa=35.578 cm2，A=0.2536 m2，通過計算可得到考慮鋼拱架效應(yīng)的噴射混凝土的等效彈性模量為EL=25.6 GPa。

表1 黃土增濕特性及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

其中:E為彈性模量;u為泊松比;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;γsat為飽和重度;γunsat為天然重度;ksx，ksy分別為水平向和豎向飽和滲透系數(shù)。

通過室內(nèi)不同含水率條件下的隧道上覆黃土地層原狀黃土的室內(nèi)固結(jié)壓縮、強度及滲透性試驗結(jié)果可知：

(1) 黃土的增濕導(dǎo)致其物理力學(xué)參數(shù)出現(xiàn)明顯的變化，可采用如下函數(shù)來表示增濕后參數(shù)的變化規(guī)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) 隨著黃土含水率的上升(增濕效應(yīng))，土體的含水率每增加4%，其彈性模量減少約20%～40%，其抗剪強度指標(biāo)中的黏聚力降低約4%～9%，其內(nèi)摩擦角降低約1%～2%，重度增大約6%～11%。由此可見，黃土增濕后，其抵抗變形的能力降低最多，抗剪強度的損失也不容忽視，重度的增大，直接導(dǎo)致隧道上覆地層附加荷載的增大。

2 黃土地層增濕對襯砌的力學(xué)響應(yīng)

2.1 數(shù)值分析方案及模型的建立

本文采用PLAXIS專業(yè)巖土分析軟件來對黃土公路隧道運營期間，襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行二維建模計算。其中，鋼筋混凝土襯砌采用梁單元模擬，隧道周圍土體采用平面實體單元模擬，根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)斷面以及計算影響范圍，取左右兩邊邊界及底邊邊界到隧道的距離為3倍隧道跨度，上覆土體則按實際層厚取值，約為40 m。模型邊界條件及單元網(wǎng)格圖見圖1。

黃土地層按理想彈塑性材料處理，且遵循M-C(摩爾-庫侖)屈服準(zhǔn)則。數(shù)值模擬步驟如下：

(1)模型左右邊界法向約束，底部雙向約束，模擬初始自重應(yīng)力場。

圖1 隧道-地層-邊界計算模型簡圖

(2)基于開挖體模量軟化法，模擬隧道全斷面一次性開挖和初期支護(hù)的施作，考慮圍巖及初期支護(hù)的荷載分擔(dān)比為50%。需要特別說明的是：實際上大斷面公路隧道的施工方法多采用礦山法施工，如：臺階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法等，不同施工方法對后期襯砌的受力特征均存在一定的差異，為了減少差異性帶來的分析結(jié)果的離散性，本文采取一次性全斷面開挖，根據(jù)工程經(jīng)驗?zāi)M初期支護(hù)及圍巖所承受的荷載分擔(dān)情況進(jìn)行模擬。

(3)模擬二次襯砌的澆筑施工，根據(jù)工程實際經(jīng)驗，此時襯砌承擔(dān)圍巖壓力荷載分擔(dān)比為50%。

(4)模擬不同地下水位的抬升高度及上覆黃土地層的增濕程度，獲取襯砌應(yīng)力(拉應(yīng)力σ1和壓應(yīng)力σ3)計算結(jié)果，分析水環(huán)境發(fā)生變化工況下襯砌的力學(xué)響應(yīng)。

2.2 水位抬升高度對襯砌的受力影響

在施工完成后水位穩(wěn)定的條件下，地下水位線基本處于隧道起拱線附近，以此水位為初始條件，分別計算水位抬升0 m、4 m、8 m、12 m、16 m、30 m以及上覆全部土層達(dá)到飽和狀態(tài)時，不同水位抬升高度對襯砌內(nèi)外側(cè)大主應(yīng)力的影響程度。計算結(jié)果如表2所示。隧道圍巖增濕范圍變化對襯砌受力的影響計算結(jié)果如圖2所示。

表2 不同水位抬升高度襯砌第一主應(yīng)力

圖2 黃土隧道地層增濕對襯砌第一主應(yīng)力的影響

由表2、圖2數(shù)值分析結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

(1) 襯砌不同部位處的拉、壓應(yīng)力，均隨水位抬升高度(增濕范圍)的增大而增大，當(dāng)?shù)叵滤惶叨葟? m增加到30 m期間，拱頂內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力增加了19.5%，拱頂外側(cè)壓應(yīng)力增加了50.0%；拱肩內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力增加了28.7%；拱肩外側(cè)壓應(yīng)力增加了39.3%；拱腳內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力增加了74%，外側(cè)拉應(yīng)力增加了約4倍。

(2) 隨著地下水位抬升高度的增大，增濕范圍對襯砌內(nèi)力的影響顯著，且襯砌外側(cè)應(yīng)力增大程度較內(nèi)側(cè)大，尤其是拱腳部位。因此，當(dāng)隧道周圍及上覆地層地下水位出現(xiàn)季節(jié)性變化時，黃土地層圍巖的增濕必然會導(dǎo)致其自承能力的下降，從而引起襯砌負(fù)擔(dān)更多的增濕形變荷載，建議改善地表將排水措施和防滲措施，增強襯砌及初期支護(hù)的支護(hù)力度及防排水措施，并根據(jù)實際地下水位可能的升降幅度，適當(dāng)考慮襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計期間的附加形變荷載，增強襯砌外側(cè)的配筋量或混凝土標(biāo)號。

2.3 隧道圍巖增濕程度對襯砌的受力影響

根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察資料發(fā)現(xiàn)，該黃土地層隧道起拱線處地下水位在降水期和枯水期的的變化幅度為±6 m。土體地下水位抬升和下降期間，會引起隧道周圍黃土地層的增濕和減濕，圍巖的綜合含水率將會有相應(yīng)的變化，而含水率的變化，必然導(dǎo)致隧道周圍土體的物理力學(xué)參數(shù)的變化，進(jìn)而會對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形荷載，影響襯砌的受力狀態(tài)。為了反映增濕程度對襯砌的力學(xué)響應(yīng)，現(xiàn)進(jìn)行如下假定：在施工完成后水位穩(wěn)定的條件下，假定增濕范圍不變，為穩(wěn)定水位之上12 m，且隧道周圍土體初始含水率確定為8%，則分別計算對比分析不同增濕程度Δw=0%、4%、8%、12%、16%情況下，對襯砌受力的影響。計算結(jié)果見表3。黃土隧道圍巖增濕程度對襯砌受力的影響計算結(jié)果，見圖3。

表3 不同增濕程度下襯砌第一主應(yīng)力

根據(jù)表3、圖3計算結(jié)果可見：

(1) 襯砌不同部位的應(yīng)力，隨增濕程度的增大而增大。洞周圍巖增濕程度從0%增加到16%(達(dá)到飽和)期間，拱頂內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力增加了12.2%，拱頂外側(cè)壓應(yīng)力增加了34.6%；拱肩內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力增加了22.3%，拱肩外側(cè)壓應(yīng)力增加了22.3%；拱腳內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力增加了59.2%，拱腳外側(cè)拉應(yīng)力增加了3.4倍。

圖3 增濕程度對襯砌第一主應(yīng)力增幅影響

(2)隨著增濕程度的增大，與前述結(jié)論相似，襯砌外側(cè)應(yīng)力增大程度明顯較內(nèi)側(cè)大，拱腳部位依然是受力敏感部位，設(shè)計施工期間，應(yīng)考慮拱腳部位施作鎖腳錨桿(管)，并增強拱腳部位的抗?jié)B和支護(hù)力度，當(dāng)隧道地層完全飽和，襯砌受力極端危險情況下，可采取鋼管樁、混凝土樁等群樁基礎(chǔ)方式處理地基。

3 黃土隧道設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 考慮增濕效應(yīng)的圍巖壓力計算方法

為了對水敏性黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)參考，提高圍巖的穩(wěn)定性和襯砌結(jié)構(gòu)的安全性能，應(yīng)對增濕后黃土隧道的圍巖壓力計算模式有新的認(rèn)識，根據(jù)以往的設(shè)計理念，應(yīng)考慮如下修正：

(1) 黃土隧道(洞)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，圍巖壓力的計算需要適當(dāng)考慮圍巖可能增濕或水位變化引起的計算參數(shù)的調(diào)整，如：增濕范圍內(nèi)土體，抗剪強度cw，φw，或引入cw=f1(w,σ),φw=f2(w,σ)，土體重度γ采取增濕后飽和重度γsw，應(yīng)采用考慮水分影響的參數(shù)來計算，根據(jù)以往實測資料表明，淺埋黃土隧道的圍巖壓力可采用太沙基理論計算，這里需要修正的是，應(yīng)采取修正后的太沙基公式公路隧道規(guī)范方法計算。對于深埋隧道，其豎向圍巖壓力(σv)和橫向圍巖壓力(σh)計算公式可修正為：

(5)

(6)

(7)

式中:b為塌落拱跨度的一半,m;B為隧道的最大開挖跨度,m;h為隧道的開挖高度,m；Kw,cw,φw,γsw均為考慮增濕后黃土地層的物理力學(xué)參數(shù)，分別為側(cè)壓力系數(shù)、黏聚力、內(nèi)摩擦角和重度，當(dāng)Kw無實測值時，可采用Kw=1-sinφw來粗略估算，一般情況下，根據(jù)經(jīng)驗增濕后的黃土側(cè)壓力系數(shù)約為0.8～1.2之間[6]。

(2)對于公路隧道規(guī)范中的圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)及其深埋圍巖壓力計算期間，應(yīng)考慮如下修正：當(dāng)隧道上覆黃土地層含水率低于液限時，為V類圍巖(S=5)，當(dāng)上覆黃土地層含水率超過液限接近飽和狀態(tài)時，圍巖級別降低為VI 級(Sw=6)，則規(guī)范中圍巖壓力公式可適當(dāng)修正為：

σv=0.45×2Sw-1×γsw[1+i(B-5)]

(8)

式中:Sw為考慮隧道上覆黃土地層增濕后的圍巖分級;i為經(jīng)驗系數(shù);B為隧道開挖跨度。

(3)對于淺埋隧道(當(dāng)隧道拱頂埋深為h1)，其豎向圍巖壓力(σv)和橫向圍巖壓力(σh)計算公式可修正為：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:參數(shù)λw,βw,θw,φ0w分別為增濕后黃土地層的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，具體物理含義，參見《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[17](JTG D70—2004)，對于其中參數(shù)的確定，需要借助室內(nèi)黃土增濕試驗和根據(jù)經(jīng)驗取值。

3.2 考慮地層增濕效應(yīng)的隧道設(shè)計建議

如前數(shù)值分析結(jié)果可知，襯砌周圍黃土地層隨著水位抬升、增濕范圍及增濕程度的增大，誘發(fā)圍巖軟化，其自承能力逐步下降，作用在襯砌上的圍巖壓力有逐漸增大的趨勢，襯砌受力變大的現(xiàn)象發(fā)生，尤其在拱腳部位，因此在考慮增濕效應(yīng)后，黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，應(yīng)考慮如下加強措施。

(1) 通過對拱腳，拱腰的錨桿進(jìn)行加密或加密鋼筋網(wǎng)的鋪設(shè)密度，將原有的鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)間距20 cm減小為15 cm，或采取雙層鋪設(shè)方法；調(diào)整鎖腳錨管打設(shè)角度、長度和數(shù)量：可將原設(shè)計15°～35°調(diào)整為45°～60°，調(diào)整鉆頭直徑：用Φ50鉆頭鉆孔，成孔口后及時清孔填塞錨固劑，插入導(dǎo)管。根據(jù)錨管長度及鉆孔深度(4 m)的鎖腳錨管每個孔填塞錨固劑不少于10根，使其錨管與圍巖緊密連接，形成受力整體，這對于初期支護(hù)體系在自重大、初支基底承載力較低的黃土隧道長期穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用。

(2) 及時施作仰拱，加強圍巖的內(nèi)部和隧道基礎(chǔ)的縱向橫向排水措施，減小因排水措施失效引起水位抬升，誘發(fā)圍巖軟化、土壓力放大、襯砌受力變大的現(xiàn)象發(fā)生；此外，應(yīng)加強富水段襯砌結(jié)構(gòu)的受拉側(cè)配筋量，提高受壓側(cè)混凝土抗?jié)B等級和標(biāo)號，改善襯砌的受力狀態(tài)；還應(yīng)針對淺埋地段，隧道上方地表低洼處進(jìn)行防水處理、針對地表處存在裂隙、暗穴、土洞等位置采取加固灌漿措施，減少降雨引起的水分入滲問題。

(3) 采用WSS注漿加固技術(shù)(利用二重管鉆進(jìn)鉆孔至預(yù)定深度，同時用注漿機進(jìn)行注漿)，建議注漿漿液選取具有抗?jié)B效果的超細(xì)顆粒A液，其配比可采用：45.2R水泥(kg)∶水(L)∶緩凝劑(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，在注漿過程中，兩種漿液按體積比1∶1注入。采用Φ46 mm二重管鉆孔，注漿孔可按照梅花形雙層布設(shè)，孔距控制在0.4 m～0.5 m，注漿范圍為隧洞開挖輪廓以外2 m～4 m，在注漿施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力及注漿量，適時改變注漿參數(shù)，并在漿液凝固后進(jìn)行鉆孔取樣分析加固體的強度、含水率等參數(shù)，用以評價加固效果，其加固體的彈性模量增量必須控制在20%～50%以上，單軸抗壓強度增幅控制在60%～80%以上。

(4) 對于飽和大斷面黃土隧道，為了保證圍巖的穩(wěn)定性，除了施工期間對地表、初期支護(hù)采取有效的降排水和防滲措施外，還需要在初期支護(hù)與襯砌之間及襯砌壁后、底板等部位設(shè)置橫向、縱向、環(huán)向排水設(shè)施。

4 結(jié)論與建議

(1) 隧道周圍地下水位抬升期間，襯砌不同部位處的拉、壓應(yīng)力均呈增大趨勢，拱頂內(nèi)、外側(cè)壓應(yīng)力分別增加了19.5%和50.0%，拱肩內(nèi)、外側(cè)壓應(yīng)力分別增加了28.7%和39.3%；拱腳內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力增加了74%，外側(cè)拉應(yīng)力增加了約4倍。

(2) 洞周土體增濕程度從0%增加到16%(飽和)期間，拱頂內(nèi)、外側(cè)壓應(yīng)力分別增加了12.2%和34.6%；拱肩內(nèi)、外側(cè)壓應(yīng)力均增加了22.3%；拱腳內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力增加了59.2%，拱腳外側(cè)拉應(yīng)力增加了3.4倍。

(3) 黃土隧道中，地下水位的抬升和增濕程度的增大均對地層產(chǎn)生不同程度的軟化作用，降低了隧道地層的成拱效應(yīng)，使襯砌受力趨于不安全或破壞狀態(tài)。應(yīng)從加強支護(hù)力度(加密掛網(wǎng)、加強鎖腳錨桿、加強混凝土抗?jié)B等級及標(biāo)號)，改善圍巖條件(洞周土體WSS注漿加固、軟弱地基加固處理、地表裂隙、暗穴加固灌漿等措施)和綜合防、排水措施等三個方面來提高黃土隧道施工及工后期的長期穩(wěn)定性。