趙永虎，米維軍，趙慶倫，羅浩洋，苗學(xué)云

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)中鐵科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458；4.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

銀西高速鐵路是我國(guó)高速鐵路“八縱八橫”線路網(wǎng)的重要組成部分，受線路規(guī)劃方案和地形地貌限制，銀西高速鐵路在跨越董志塬區(qū)時(shí)多以隧道方式通過(guò)塬邊[1]，在甘肅隴東慶陽(yáng)地區(qū)需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)12.54 km 的紅黏土地層。由于紅黏土為碳酸鹽類巖石經(jīng)風(fēng)化形成的棕紅色高塑性黏土，在干燥條件下結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度很高，遇水后強(qiáng)度迅速降低，還會(huì)收縮變形[2-4]。因此，國(guó)內(nèi)技術(shù)人員對(duì)我國(guó)區(qū)域性紅黏土的基本物理力學(xué)特征及其工程特性開(kāi)展了大量工作，并取得豐碩成果[5-7]。由于紅黏土的工程性質(zhì)不同于一般黏土，土體含水率的變化會(huì)直接影響隧道的穩(wěn)定性、地表的沉陷等[2]，然而目前國(guó)內(nèi)在紅黏土地層中進(jìn)行隧道施工的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏，復(fù)雜的地質(zhì)條件給以紅黏土地層為洞身主要圍巖的慶陽(yáng)隧道施工造成較大影響。

因此，本文以已建銀西高速鐵路董志塬區(qū)慶陽(yáng)隧道為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析從初期支護(hù)開(kāi)始近2個(gè)月內(nèi)紅黏土圍巖的含水率、鋼拱架應(yīng)力和圍巖變形的變化規(guī)律，以便為類似紅黏土隧道安全施工提供參考。

1 工程概況

慶陽(yáng)隧道經(jīng)過(guò)甘肅省慶陽(yáng)市慶城縣境內(nèi)，位于董志塬區(qū)北塬，為雙線單洞隧道，總長(zhǎng) 13 936 m。隧道最大埋深約248 m，最小埋深20 m。隧道最大開(kāi)挖斷面面積為164.09 m2，紅黏土段落長(zhǎng)達(dá)12.54 km，占隧道總長(zhǎng)的90.0%，屬于Ⅱ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。

慶陽(yáng)隧道經(jīng)過(guò)的地層主要為第四系全新統(tǒng)堆積層、第四系上中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、新近系上新統(tǒng)紅黏土等。其中：紅黏土為洞身主要地層，屬于Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖。紅黏土自由膨脹率40%～66%，具有弱膨脹性。

隧道洞身位于地下水位以下80～112 m，因此在施工過(guò)程中易產(chǎn)生冒頂、涌水等工程地質(zhì)問(wèn)題。主洞Ⅳ級(jí)圍巖段采用三臺(tái)階施工法，Ⅴ級(jí)圍巖段采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工。為防止圍巖出現(xiàn)掉塊、坍塌等，掌子面開(kāi)挖時(shí)采用小導(dǎo)管超期預(yù)加固，并用鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片、噴混凝土等進(jìn)行初期支護(hù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 測(cè)試儀器

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括圍巖體積含水率、鋼拱架應(yīng)力和圍巖變形3項(xiàng)。圍巖體積含水率測(cè)試采用基于時(shí)域反射技術(shù)的水分傳感器，通過(guò)埋設(shè)到圍巖中的傳感器采集介電常數(shù)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化后，通過(guò)專用數(shù)據(jù)采集儀直接讀取土體體積含水率。鋼拱架應(yīng)力采用表面應(yīng)變計(jì)。圍巖變形采用全站儀。

2.2 斷面及測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

圍巖含水率和鋼拱架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)在拱頂、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、仰拱共6個(gè)部位。監(jiān)測(cè)斷面選擇在DK268+204處，屬于Ⅳ級(jí)圍巖段，埋深約284 m，洞身為硬塑狀紅黏土。

在施工期內(nèi)同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降和水平收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，水平收斂測(cè)點(diǎn)布設(shè)在拱腰、邊墻和拱腳。當(dāng)監(jiān)測(cè)位移速率趨于0時(shí)即可認(rèn)為變形趨于穩(wěn)定，停止監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 圍巖含水率

慶陽(yáng)隧道施工期間監(jiān)測(cè)斷面圍巖體積含水率時(shí)程曲線見(jiàn)圖1?？梢钥闯觯孩?gòu)某跗谥ёo(hù)開(kāi)始近2個(gè)月內(nèi)圍巖含水率在時(shí)間和空間上均呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。隨著施工時(shí)間的延長(zhǎng)，除拱頂含水率呈先增大、后減小、然后趨于穩(wěn)定3個(gè)階段變化外，其余監(jiān)測(cè)部位圍巖含水率均在一定范圍內(nèi)先增大，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(大約1～2周，最多3周)后逐漸趨于穩(wěn)定。整體來(lái)看，圍巖含水率經(jīng)歷變形增大和趨于穩(wěn)定2個(gè)階段。②若將監(jiān)測(cè)斷面各部位圍巖含水率從開(kāi)始變化到穩(wěn)定所經(jīng)歷的時(shí)間定義為“含水率增長(zhǎng)波動(dòng)期”，則拱腰處圍巖含水率增長(zhǎng)波動(dòng)期明顯小于拱腳處，而拱頂和仰拱處圍巖含水率增長(zhǎng)波動(dòng)期基本一致。③監(jiān)測(cè)斷面除仰拱外，其余部位初始含水率比較接近，但穩(wěn)定期拱頂和拱腰處圍巖含水率明顯小于拱腳和仰拱處。增長(zhǎng)波動(dòng)期的增幅也有所不同，拱腳和仰拱處圍巖含水率增幅也高于拱頂和拱腰處。整體來(lái)看，穩(wěn)定期仰拱處圍巖含水率在整個(gè)斷面中數(shù)值最大。

圖1 圍巖體積含水率時(shí)程曲線

3.2 鋼拱架應(yīng)力

圖2 鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線

慶陽(yáng)隧道施工期間監(jiān)測(cè)斷面鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯孩偌t黏土隧道鋼拱架整體上承受壓應(yīng)力，鋼拱架應(yīng)力先增長(zhǎng)而后趨于穩(wěn)定。拱頂和拱腰處鋼拱架應(yīng)力增長(zhǎng)期在4周左右，而仰拱和拱腳處鋼拱架應(yīng)力增長(zhǎng)期在1周左右。②拱頂和拱腰處鋼拱架應(yīng)力明顯大于拱腳和仰拱處。這是由于隧道開(kāi)挖后引起圍巖應(yīng)力重分布，噴射混凝土硬化前鋼拱架承受大部分圍巖壓力；當(dāng)噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，鋼拱架與混凝土一起承受圍巖壓力。因此，鋼拱架在整個(gè)初期支護(hù)中承受圍巖壓力，對(duì)確保紅黏土隧道圍巖的穩(wěn)定起到重要作用。

3.3 拱頂下沉及水平收斂

慶陽(yáng)隧道施工期間監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降和水平收斂時(shí)程曲線見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯核淼绹鷰r拱頂沉降和水平收斂整體上經(jīng)歷線性增長(zhǎng)和趨于穩(wěn)定2個(gè)階段。線性增長(zhǎng)階段拱頂和拱腰處圍巖變形最大，2周后拱頂和拱腰處圍巖累計(jì)變形達(dá)到35.2～36.0 mm，然后趨于穩(wěn)定；越往下圍巖累計(jì)水平收斂越小，達(dá)到穩(wěn)定后邊墻和墻腳處累計(jì)水平收斂最大值分別為27.1，11.7 mm。即從整體上來(lái)看，變形穩(wěn)定后紅黏土隧道拱頂沉降大于水平收斂。

圖3 測(cè)試斷面拱頂沉降及水平收斂時(shí)程曲線

由圖3還可以看出，拱頂沉降和拱腰處水平收斂達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間在2周左右，邊墻水平收斂10 d后達(dá)到穩(wěn)定，而墻腳處水平收斂達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間僅有4 d，即從下臺(tái)階開(kāi)挖4 d后即可開(kāi)挖仰拱，仰拱施作完畢初期支護(hù)封閉成環(huán)2 d后整個(gè)斷面拱頂沉降和水平收斂基本達(dá)到穩(wěn)定。

綜合來(lái)看，紅黏土隧道圍巖含水率、鋼拱架應(yīng)力及圍巖變形在整個(gè)施工期出現(xiàn)近似同步的增長(zhǎng)期，只是圍巖變形增長(zhǎng)期相對(duì)于圍巖含水率和鋼拱架應(yīng)力的增長(zhǎng)期短2周左右。從初期支護(hù)到仰拱開(kāi)挖前，鋼拱架應(yīng)力和圍巖變形急劇增大，仰拱開(kāi)挖后圍巖變形趨于穩(wěn)定，而鋼拱架應(yīng)力仍在增長(zhǎng)，施作二次襯砌時(shí)達(dá)到最大值的84%，之后增長(zhǎng)速率減緩，二次襯砌拆模后約2周鋼拱架應(yīng)力趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明鋼拱架承受圍巖壓力，對(duì)保持隧道圍巖的穩(wěn)定起著重要作用。

4 施工建議

對(duì)于紅黏土隧道，在隧道埋深、地質(zhì)條件、施工方法等基本不變的情況下，對(duì)施工安全、施工進(jìn)度和圍巖穩(wěn)定性起控制作用的因素主要是圍巖含水率和初期支護(hù)措施。因此，在施工過(guò)程中須采取以下措施： ①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌子面圍巖含水率變化情況，對(duì)含水率突增或明顯異常情況立即查明原因，以防含水率增大導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度下降或出現(xiàn)較大變形；②掌子面開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù)，采用鋼拱架+鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝土綜合措施，必要時(shí)輔以小導(dǎo)管超前加固后再開(kāi)挖，以防支護(hù)時(shí)間滯后引起松動(dòng)圈擴(kuò)大；③在整個(gè)施工過(guò)程中重視防排水，仰拱不能出現(xiàn)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?，對(duì)于紅黏土隧道，應(yīng)勤測(cè)含水率、重視防排水、加強(qiáng)初期支護(hù)。

5 結(jié)論

1)紅黏土隧道圍巖含水率、鋼拱架應(yīng)力和圍巖變形整體先增大而后趨于穩(wěn)定，含水率和鋼拱架應(yīng)力的增長(zhǎng)波動(dòng)期一般為2～4周，圍巖變形增長(zhǎng)期一般為2周。

2)拱腰處圍巖含水率增長(zhǎng)波動(dòng)期明顯小于拱腳處，而拱頂和仰拱處的圍巖含水率增長(zhǎng)波動(dòng)期基本一致；趨于穩(wěn)定后拱頂和拱腰處圍巖含水率明顯小于拱腳和仰拱處。

3)增長(zhǎng)期圍巖變形線性增大。整體來(lái)看，變形穩(wěn)定后拱頂沉降大于水平收斂。鋼拱架承受圍巖壓力，對(duì)確保紅黏土隧道圍巖的穩(wěn)定起著重要作用。