趙永虎,羅浩洋,苗學(xué)云,白明祿,米維軍

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730000； 2.中鐵科學(xué)研究院有限公司,成都 610032；3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070； 4.中鐵二十二局集團第五工程有限公司,重慶 400700)

引言

隨著西部大開發(fā)國家戰(zhàn)略和“一帶一路”建設(shè)的快速實施，高速鐵路、高等級公路在西北黃土地區(qū)的規(guī)劃和建設(shè)速度突飛猛進，受黃土地區(qū)地形地貌和線路方案限制，鐵路、公路等線路工程在黃土梁、黃土塬、黃土峁等地段多以隧道形式穿越，因此，隧道工程的施工進度及其安全施工成為影響整個鐵路、公路項目正常施工和運行的重點方面[1-4]。

目前，影響隧道施工安全及進度的因素主要有圍巖巖性特征及其等級、隧道埋深、地下水位、施工方法等[5-6]。對于施工期內(nèi)在建黃土隧道，在諸多因素中，地下水位重分布導(dǎo)致圍巖含水率變化和初期支護措施的有效性成為影響黃土隧道安全、快速施工的關(guān)鍵因素之一[7-8]。因此，國內(nèi)不少學(xué)者針對黃土隧道圍巖含水率對隧道施工的影響開展了一系列研究。王國強[9]以G312線黃土地區(qū)祁家大山公路隧道為對象，分析了隧道圍巖含水率變化對圍巖本體結(jié)構(gòu)強度和襯砌結(jié)構(gòu)的影響。蘇春暉等[10]以鄭西客運專線張茂富水黃土隧道為例，采用有限元軟件，研究了隧道圍巖含水率變化對隧道變形和穩(wěn)定性等方面的影響。鄭甲佳等[11]以西安地鐵黃土隧道為對象，采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值計算等方法，研究了黃土地鐵隧道浸水后周圍土體和襯砌結(jié)構(gòu)受力及變形方面出現(xiàn)的變化特征。陳福江[12]分析了圍巖含水率對黃土抗剪強度、壓縮模量等參數(shù)的影響規(guī)律，并采用數(shù)值模擬方法研究了隧道圍巖在不同含水率、不同施工工況下對隧道形態(tài)的影響。田俊峰等[13-14]以山西陽曲1號黃土公路隧道為例，研究了不同施工工法、不同開挖進尺等因素對高含水率黃土隧道的影響規(guī)律，最終得到了含水率與圍巖穩(wěn)定系數(shù)之間的關(guān)系。蔡劍[15]采用數(shù)值模擬方法研究了大斷面黃土隧道在不同埋深、不同含水率條件下的圍巖特性曲線變化規(guī)律，最終提出了在不同含水量、不同埋深條件下大斷面黃土隧道圍巖變形的時空效應(yīng)。王釬[16]以寶蘭客專某黃土隧道為工程背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測和MIDAS-GTS有限元軟件，研究了大斷面高含水量黃土隧道初期支護的力學(xué)特性。劉志強等[17]以寶蘭客專大斷面高含水率黃土隧道為例，分析了不同埋深及不同含水率工況下循環(huán)進尺、開挖步序、支撐形式、封閉距離等因素對隧道變形和收斂的影響，結(jié)果表明早封閉對控制高含水率黃土隧道的沉降變形最為有利。吉武軍[18]在分析20余座黃土隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對黃土隧道出現(xiàn)的典型工程問題進行了總結(jié)，結(jié)果顯示隧道周圍匯水長廊的形成是黃土隧道出現(xiàn)工程問題的主要原因。王新東[19]在分析高含水率大斷面黃土隧道變形特征的基礎(chǔ)上，對不同含水率條件下的黃土隧道施工方法進行了總結(jié)，特別強調(diào)對飽和黃土隧道掌子面應(yīng)采取帷幕注漿等超前加固措施后，方可采用臺階法施工。劉俊平[20]綜合論述了董志塬區(qū)地下水分布對銀西高鐵隧道工程施工的主要不良影響。綜上，目前針對圍巖含水率對黃土隧道的影響研究主要采用數(shù)值模擬方法，很少采用現(xiàn)場監(jiān)測進行研究，圍巖含水率測試僅局限于掌子面開挖過程中，在初支至二襯施工周期內(nèi)對隧道圍巖含水率變化進行現(xiàn)場監(jiān)測和研究方面的工作鮮有報道，針對黃土地區(qū)鐵路隧道在施工期內(nèi)的監(jiān)控量測項目中和運營期內(nèi)的健康監(jiān)測標(biāo)準化方案(體系)中基本忽略了對隧道圍巖含水率的長期現(xiàn)場監(jiān)測。

鑒于此，以在建銀西高速鐵路沿線董志塬地區(qū)上閣村黃土大斷面隧道為例，基于現(xiàn)場斷面實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，從初支到二襯施工周期內(nèi)對黃土圍巖含水率變化規(guī)律及鋼拱架受力特征進行分析，并提出針對性施工建議，以便為黃土地區(qū)銀西高鐵隧道工程快速施工提供技術(shù)指導(dǎo)，同時為黃土地區(qū)大斷面黃土隧道安全施工提供參考。

1 工程概況

上閣村隧道位于甘肅省慶陽市寧縣境內(nèi)，進口位于董志塬塬邊沖溝斜坡上，出口位于董志塬塬面平坦耕地，洞身整體穿越董志塬南側(cè)塬邊，塬邊溝壑發(fā)育，支溝下切較深(圖1)。隧道總長6 782.45 m，最大埋深102 m，出口最小埋深約5.5 m。洞身經(jīng)過的地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土(Q3eol)和中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土(Q2eol)。深埋段長約2 560 m，占39%，為中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土，基本為硬塑狀，隧道圍巖等級為Ⅳ級；其余淺埋段為上、中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土，隧道圍巖等級均為Ⅴ級。采用三臺階開挖法施工，初期支護采用鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土施工，并采用超前小導(dǎo)管進行超前加固。

圖1 黃土塬邊地形地貌

隧道區(qū)地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水。第四系松散層孔隙潛水主要分布于黃土塬上部，含水層主要為中更新統(tǒng)黃土，黃土層既具有松散層孔隙潛水的一般特征，又具有裂隙水的水力性質(zhì)，該層顆粒較粗，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率高，是黃土塬區(qū)主要的含水層，也是地下水的儲存空間和運移通道。約有4.2 km段洞身位于地下水位以下或附近，受地下水影響，該段黃土基本呈軟塑或可塑狀態(tài)。軟塑狀黃土垂直節(jié)理發(fā)育，水敏性強，含水率高，開挖后掌子面穩(wěn)定性極差，施工風(fēng)險高。其余段隧道圍巖基本呈硬塑-可塑狀，受淺埋及黃土垂直節(jié)理等影響，易發(fā)生洞內(nèi)變形及地表開裂。

2 測試方法及斷面布設(shè)方案

2.1 測試方法

此次現(xiàn)場測試項目包括圍巖體積含水率和鋼拱架應(yīng)力2項。其中圍巖體積含水率測試采用基于時域反射技術(shù)的TDR水分傳感器，傳感器探針直接埋設(shè)到圍巖土體中采集介電常數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綔y試儀進行信號轉(zhuǎn)化后采用數(shù)采儀可直接讀取土體體積含水率變化情況。鋼拱架應(yīng)力采用表面應(yīng)變計進行測試并換算可得，將表面應(yīng)變計焊接在工字鋼腹板，二者近似平行且盡量靠近上下翼緣。用數(shù)采儀可采集到各點在不同時間段的應(yīng)變值，在室內(nèi)經(jīng)換算后可得到各點各時段的鋼拱架應(yīng)力值。

2.2 斷面布設(shè)方案

水分傳感器和表面應(yīng)變計的監(jiān)測位置包括拱頂、拱腰右側(cè)、拱腰左側(cè)、拱腳右側(cè)、拱腳左側(cè)和仰拱底部中心共6個部位，現(xiàn)場斷面監(jiān)測點布設(shè)和安裝分別見圖2和圖3。測試斷面選擇在上閣村隧道DK211+493里程處，埋深約為24.8 m，該斷面原始地下水位高于仰拱設(shè)計高程約4 m。為保障施工安全，施工期間進行連續(xù)排水，使得施工期間地下水位低于仰拱底部不小于1.0 m，確保施工期間整個隧道斷面盡量不受地下水的影響，隧道拱頂和拱腰圍巖黃土長期呈硬塑狀，拱腳和仰拱處黃土在施工前期呈可塑狀，而在施工期內(nèi)盡量呈硬塑-可塑狀黃土，整個斷面在施工期內(nèi)為非飽和狀態(tài)黃土。

圖2 斷面測試元件布設(shè)位置(單位：m)

圖3 現(xiàn)場測試元件安裝

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 圍巖體積含水率

圖4反映了上閣村隧道DK211+493斷面圍巖含水率隨時間的變化規(guī)律，可以看出，隨著施工時間的推移，監(jiān)測斷面圍巖體積含水率在空間和時間方面存在規(guī)律性的變化趨勢，僅在數(shù)值上出現(xiàn)一定差異。圍巖體積含水率隨著時間呈現(xiàn)“先增長后平穩(wěn)”的兩階段變化趨勢，需要平穩(wěn)的時間一般2周左右。拱頂和拱腰位置的圍巖體積含水率總體上小于拱腳和仰拱底部的圍巖體積含水率，這與現(xiàn)場實際情況非常相似。拱頂位置處的圍巖體積含水率最小，一般在20%以內(nèi)，在增長期和平穩(wěn)期內(nèi)變化很小。左側(cè)和右側(cè)拱腰圍巖體積含水率分別從初始值17%和27%逐步增加到平穩(wěn)期內(nèi)的28%和37%，增幅約10%，雖然在平穩(wěn)期內(nèi)體積含水率基本保持不變，但均未達到飽和狀態(tài)。左右側(cè)拱腳處圍巖體積含水率變化趨勢近似一致，從初始的44%達到平穩(wěn)期的72%，增幅可達32%；而仰拱底部的圍巖體積含水率從初始的56%達到平穩(wěn)期的71%，增幅可達16%，這說明在掌子面開挖前，經(jīng)過排水降低地下水位后拱腳位置處圍巖體積含水率處于非飽和狀態(tài)，仰拱底部圍巖含水率經(jīng)歷了從飽和到非飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，而經(jīng)過隧道施工后仰拱底部和拱腳處圍巖含水率均處于飽和狀態(tài)。

圖4 圍巖體積含水率隨時間的變化規(guī)律

從圍巖體積含水率在時間方面的變化規(guī)律來看，從初期支護到二次襯砌之間圍巖的含水率變化最大，說明對于黃土大斷面隧道，初期支護到二次襯砌時間段內(nèi)是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵階段，研究表明含水率的增大會顯著降低圍巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，進而影響圍巖強度，最終有可能對圍巖穩(wěn)定性造成影響[21]。因此，對于黃土隧道，掌子面開挖后及時進行初期支護、實施二次襯砌對確保隧道圍巖穩(wěn)定性具有重要的意義。

此外，從空間差異性來看，圍巖體積含水率在整個斷面上也具有一定的規(guī)律性，拱腳和仰拱底部的圍巖含水率明顯大于拱頂和拱腰位置的圍巖含水率。因此，在施工期內(nèi)針對黃土隧道，尤其是對大斷面高含水率黃土隧道，應(yīng)加強防排水措施，避免隧道由于地下水位上升或排水設(shè)施失效而導(dǎo)致圍巖含水率突增引起塌方、涌水等事故。

3.2 鋼拱架應(yīng)力

圖5反映了上閣村隧道DK211+493斷面初支鋼拱架應(yīng)力隨施工時間的變化規(guī)律，可以看出，初期支護后鋼拱架承受的應(yīng)力呈非線性增大，到二次襯砌完成后才趨于平穩(wěn)。在初支后階段不同部位的鋼拱架應(yīng)力范圍為2.7～6.0 MPa，之后不同部位鋼拱架應(yīng)力增加到22.2～30.2 MPa，其中拱頂部位的鋼拱架承受的壓應(yīng)力最大，經(jīng)過二襯后鋼拱架應(yīng)力逐漸平穩(wěn)至11.7～22.6 MPa，總體上在平穩(wěn)階段拱頂和拱腰位置的鋼拱架應(yīng)力比拱腳和仰拱位置的鋼拱架應(yīng)力略大。與圍巖含水率變化不同，鋼拱架應(yīng)力在施工期內(nèi)呈先非線性增大后出現(xiàn)波動最后趨于平穩(wěn)的三階段變化規(guī)律。

圖5 鋼拱架應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律曲線

對于淺埋大斷面黃土隧道，整個斷面鋼拱架還是以承受壓應(yīng)力為主，從掌子面開挖到仰拱開挖之前鋼拱架應(yīng)力基本呈非線性發(fā)展，說明鋼拱架在逐步發(fā)揮支護效果。而仰拱開挖后約2周時間段內(nèi)整個鋼拱架應(yīng)力呈現(xiàn)出“跳躍式”波動，說明在仰拱開挖后開始澆筑到二次襯砌施工這一過程中整個斷面圍巖壓力出現(xiàn)重分布，同時二次襯砌施做后二襯混凝土結(jié)構(gòu)逐步發(fā)揮作用，圍巖、鋼拱架和二次襯砌結(jié)構(gòu)在這個階段進行了綜合結(jié)構(gòu)受力調(diào)整，即從原有平衡狀態(tài)進行調(diào)整之后進入新的受力平衡狀態(tài)。因此，從初期支護到二襯之前鋼拱架在發(fā)揮承受圍巖壓力、保證圍巖穩(wěn)定性方面起到重要作用。

結(jié)合圍巖含水率變化和施工過程來看，鋼拱架受力及發(fā)揮承載能力具有一定的滯后性，而且增長期一般長達3～4周，比圍巖含水率的增長期略長1～2周。整個斷面圍巖含水率基本在1個月內(nèi)達到穩(wěn)定，即二襯施工結(jié)束后圍巖含水率在一定時間段內(nèi)保持不變，但鋼拱架應(yīng)力在二襯結(jié)束后還處于受力調(diào)整階段，從初支到鋼拱架受力最終達到平衡一般需要2個月左右時間，因此，鋼拱架在初期支護到二襯結(jié)束之前在承受圍巖壓力、控制圍巖沉降變形和收斂方面發(fā)揮了較大作用，而在二襯結(jié)束后逐步處于平衡狀態(tài)，圍巖變形也基本趨于穩(wěn)定。

4 施工建議

對于在建的大斷面黃土隧道，在隧道埋深、地質(zhì)條件、施工方法等基本不變的工況下，影響隧道圍巖穩(wěn)定性、對施工安全和進度起到控制性作用的因素主要是圍巖含水率變化和初期支護措施，因此，在施工過程中需要注意采取以下措施。

(1)實時監(jiān)測掌子面圍巖含水率變化情況，對施工過程中在掌子面含水率突增或明顯異常情況，應(yīng)立即查明原因，必要時采取防排水措施，不可忽略或輕視，以防止由于含水率增大導(dǎo)致圍巖強度下降或變形加劇，甚至出現(xiàn)涌水、掉塊等事故。

(2)掌子面開挖后及時施做初期支護，采用鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土綜合措施，及早形成封閉圈，以控制圍巖初期出現(xiàn)大變形，防止支護時間滯后而引起松動圈的擴大。

(3)在整個施工過程中應(yīng)重視防排水措施，仰拱不能出現(xiàn)積水，防止排水設(shè)施失效而洞內(nèi)積水，保證在施工期間隧道圍巖不受地下水和施工積水的影響?？傊瑢τ诖髷嗝纥S土隧道，應(yīng)該形成“勤測含水率、重視防排水、加強初支”的一種管理理念或原則。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場監(jiān)測，對黃土隧道施工期內(nèi)圍巖含水率變化規(guī)律和鋼拱架受力特征進行了分析，得到如下結(jié)論。

(1)黃土隧道圍巖含水率在時間上呈先增長后平穩(wěn)的兩階段變化趨勢，增長期一般2周左右；圍巖含水率在空間上也呈現(xiàn)出一定規(guī)律性，即拱頂和拱腰位置的含水率總體上小于拱腳和仰拱底部的含水率。

(2)鋼拱架應(yīng)力在施工期內(nèi)呈先非線性增大后出現(xiàn)波動最后趨于平穩(wěn)的三階段變化規(guī)律；從初支的2.7～6.0 MPa逐步增加到22.2～30.2 MPa，之后經(jīng)二襯后平穩(wěn)過渡到11.7～22.6 MPa保持不變，鋼拱架在施工期內(nèi)承受圍巖壓力、確保大斷面黃土隧道圍巖穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。

(3)大斷面黃土隧道在施工期內(nèi)應(yīng)形成“勤測含水率、重視防排水、加強初支”的管理理念，以確保隧道施工安全。