王志杰,徐君祥,李瑞堯,唐 力,徐海巖

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

蒙華鐵路是我國目前一次建成的最長重載貨運(yùn)鐵路，為國家戰(zhàn)略交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分。陽城隧道作為蒙華鐵路控制性工程之一，地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道沿線穿越大量紅砂巖地層，其水穩(wěn)性差，遇水易崩解軟化。而隧道洞身段部分位于地下水位以下，若降水措施不到位，極易降低圍巖強(qiáng)度，增大支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂變形等。因此探究含水率對全風(fēng)化紅砂巖隧道圍巖變形的影響具有重大意義。

目前對于紅砂巖的研究主要集中在力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)組分以及作為路基材料等方面[1-4]。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，紅砂巖是一種成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多變、具有特殊力學(xué)性質(zhì)的巖土材料，其物理、力學(xué)性質(zhì)對外界環(huán)境變化較為敏感， 含水率是其中較為敏感的指標(biāo)之一。但由于目前鮮有隧道穿越紅砂巖地層，因此上述研究未與隧道相結(jié)合，缺乏對實(shí)際工程的指導(dǎo)價值。而相關(guān)學(xué)者對含水率在其他軟弱圍巖隧道施工中的影響已有相當(dāng)程度的研究。左清軍、王文忠、周俊等[5-11]研究了富水軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性因素、破壞模式以及含水率對圍巖變形規(guī)律、變形機(jī)理的影響；張艷玲、郭小紅、漆泰岳等[12-14]對不同含水率下圍巖穩(wěn)定性施工、降水、支護(hù)等工法進(jìn)行了研究；王志杰等[15-18]針對西南地區(qū)典型不良巖土昔格達(dá)地層在不同含水率下的圍巖穩(wěn)定性、災(zāi)變特征、支護(hù)受力模式等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并給出了一套昔格達(dá)地層圍巖亞分級評價指標(biāo)與圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)；王玉鎖、王明年等[19-22]研究了含水率等因素對砂類土體的力學(xué)性能的影響規(guī)律，基于此建立了砂類土體隧道圍巖評價指標(biāo)體系。

綜上所述，含水率對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響研究內(nèi)容不少，但對于全風(fēng)化紅砂巖地層，目前鮮有隧道穿越，相關(guān)研究尚待補(bǔ)充。以蒙華鐵路陽城隧道全風(fēng)化砂巖地層為研究對象，探究含水率對圍巖變形的影響，并針對性提出降水措施。

1 工程概況

陽城隧道位于陜西省榆林市靖邊縣龍洲鄉(xiāng)雙城村附近，起訖里程DK242+044.57～Dk249+152.82 m，隧道全長7 108.25 m，最大埋深約為207 m。

隧址區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，“V”字形沖溝發(fā)育，呈樹枝狀分布，溝壑縱橫、支離破碎，為典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌類型。地質(zhì)條件較差、地層變化較大、古沖溝發(fā)育、古基巖面起伏較大，包括全風(fēng)化紅砂巖地層、土石分界地層以及土砂互層地層。受下游麥家溝水庫(現(xiàn)已成淤積壩)人工蓄水的影響，地下水位抬升。古沖溝內(nèi)沉積含水砂、土層，根據(jù)掌子面揭示及超前地質(zhì)鉆探和超前深孔泄水結(jié)果分析，進(jìn)口掌子面平均每天出水量240～260 m3，出口掌子面平均每天出水量240～300 m3，圍巖含水率高。全風(fēng)化紅砂巖地層水穩(wěn)性極差，在富水條件下原巖結(jié)構(gòu)徹底破壞，巖體呈角礫松散結(jié)構(gòu)，幾乎喪失膠結(jié)能力。

2 富水全風(fēng)化紅砂巖工程特性

隧道開挖過程中，由于地下水發(fā)育，全風(fēng)化紅砂巖易遇水軟化崩解為泥塑狀，開挖后極易發(fā)生溜砂現(xiàn)象，開挖現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 富水全風(fēng)化紅砂巖現(xiàn)場

為研究全風(fēng)化紅砂巖的工程特性，從未擾動掌子面不同部位取土，完成對原狀土相關(guān)基本物理力學(xué)參數(shù)測定，包括天然含水率試驗(yàn)、顆粒密度試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等。測得天然含水率為19.17%。試驗(yàn)流程見圖2。

擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率曲線見圖3。

圖3 最優(yōu)含水率曲線

由圖3得到全風(fēng)化紅砂巖最優(yōu)含水率為12.76%。進(jìn)一步對天然和最優(yōu)含水率下的全風(fēng)化紅砂巖進(jìn)行直剪與固結(jié)試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 直剪試驗(yàn)

天然含水率下全風(fēng)化紅砂巖巖性較差，黏聚力、內(nèi)摩擦角相對于最優(yōu)含水率下都較小，在直剪試驗(yàn)過程中表現(xiàn)為顆粒松散，不易觀察到明顯的破壞剪切面，因此錯縫較大，高達(dá)6.7 mm，而最優(yōu)含水率直剪試驗(yàn)僅3.2 mm。兩種含水率下對應(yīng)的力學(xué)參數(shù)也反映出對應(yīng)的特性。如表1所示，天然狀態(tài)紅砂巖密度小、孔隙比大，即顆粒之間存在較大間隙，巖性松軟，抗剪強(qiáng)度差。

表1 全風(fēng)化紅砂巖基本力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

為探究含水率對隧道施工過程中圍巖變形的影響，基于最優(yōu)與天然含水率，設(shè)置不同梯度含水率，采用原狀土重塑至對應(yīng)含水率進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。將力學(xué)參數(shù)代入Flac 3D圍巖模型中數(shù)值模擬，對比分析不同含水率下的圍巖變形特征，得到含水率對其影響。

3.1 計算模型

采用Flac 3D建模，以陽城隧道正洞斷面為基準(zhǔn),計算斷面選取與現(xiàn)場監(jiān)測斷面一致，圍巖級別為Ⅴ級，斷面揭示地層為全風(fēng)化紅砂巖。隧道凈跨度取11.6 m、凈高取11.5 m，計算模型四周邊界取3倍隧道跨度，即左右上下邊界取35 m。但由于隧道埋深100 m左右，因此上覆土體部分荷載改由面力施加。隧道前后邊界取50 m。采用三臺階七步開挖法進(jìn)行隧道開挖，取上、中、下臺階長度分別為3，5，4 m。隧道開挖步驟見圖5。

圖5 隧道開挖步驟示意

3.2 工況設(shè)置

根據(jù)全風(fēng)化紅砂巖最優(yōu)與天然含水率，設(shè)置合理的含水率梯度，采用同一批原狀土進(jìn)行重塑，保證重塑過程中除含水率不同外，其他因素(如顆粒級配、密實(shí)度等因素)保持一致。重塑至對應(yīng)含水率后，對該含水率下的圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果見表2，數(shù)值模擬圍巖參數(shù)參照表2賦予。隧道初期支護(hù)噴射C25混凝土，二次襯砌采用C30混凝土。現(xiàn)場建議支護(hù)參數(shù)見表3。

表2 不同含水率圍巖力學(xué)參數(shù)

表3 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 圍巖變形特征分析

隧道開挖循環(huán)完成后，取13%含水率下施加初期支護(hù)后的豎向與水平位移云圖對比分析，確定圍巖變形特征點(diǎn)，以便設(shè)置對應(yīng)記錄點(diǎn)監(jiān)測圍巖變形，見圖6。

圖6 位移云圖

水平收斂最大值出現(xiàn)在拱腰70°～110°，豎向沉降最大值出現(xiàn)在拱頂、仰拱底部。因此，當(dāng)掌子面開挖至監(jiān)測斷面時，記錄掌子面及前后方一定距離斷面處的圍巖位移情況。根據(jù)圖6位移云圖，確定數(shù)值模擬中各斷面監(jiān)測點(diǎn)分布，見圖7。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)位置

圖8所示為隧道在最優(yōu)與天然含水率下開挖的拱頂沉降曲線。

(1)隨著含水率增大，圍巖條件在含水率為13%左右達(dá)到最優(yōu)，然后逐漸變差，拱頂沉降隨之遞增，尤其是含水率達(dá)到20%時，拱頂沉降呈爆發(fā)式增長，其最大值達(dá)到11.14 cm；在13%含水率下拱頂沉降最小，其最大值僅為4.84 cm。

(2)隧道施工過程中拱頂沉降經(jīng)歷了3個階段，掌子面前方(1.0～1.5)D(D為洞徑)為預(yù)變形段、掌子面后方(2.0～2.5)D為開挖收斂變形段，以及掌子面后方沉降段。

圖8 拱頂沉降曲線

提取中上臺階交界處(2、3號測點(diǎn))、中下臺階交界處(4、5號測點(diǎn))水平位移。圍巖在不同含水率下水平收斂曲線見圖9。

圖9 水平收斂曲線

由圖9可知：

(1)水平收斂具有對稱性，隧道左右側(cè)收斂發(fā)生時機(jī)、收斂程度幾乎對稱。

(2)由于施工步原因，隧道左側(cè)土體先于右側(cè)開挖，導(dǎo)致右側(cè)收斂相對左側(cè)收斂較大。2、3號測點(diǎn)收斂相差程度尚且較小，隨著開挖進(jìn)行，收斂累積；4、5號測點(diǎn)收斂差值增大，在20%含水率下、圍巖條件最差時，4、5號測點(diǎn)收斂數(shù)值有一定差異。

(3)隨著含水率增大，達(dá)到13%時水平收斂最小，最大值為5號測點(diǎn)4.59 cm；含水率繼續(xù)增大，圍巖穩(wěn)定性降低，水平收斂持續(xù)增大，20%含水率下水平收斂最大值為8.88 cm。

統(tǒng)計不同含水率下拱頂沉降及水平收斂最大值，見圖10。

圖10 不同含水率圍巖變形最大值曲線

當(dāng)含水率為12.84%時，即含水率在最優(yōu)含水率12.76%附近時，圍巖巖性最好，此時隧道變形量最?。划?dāng)含水率由12.84%變化到20%，即逐漸接近天然含水率19.17%時，變形量增大，且變化速率越來越大。即紅砂巖在含水、飽水乃至于富水的過程中，自身結(jié)構(gòu)、層理不斷破壞，在水的作用下難以維持穩(wěn)定，且失穩(wěn)破壞的趨勢隨著含水量的增大越發(fā)加快。

此外，當(dāng)掌子面開挖至監(jiān)測斷面時，提取上、中、下臺階核心土中線處縱向位移，對掌子面擠出變形進(jìn)行分析。取最接近最優(yōu)與天然含水率的兩個含水率工況對比分析，即含水率13%和20%。掌子面擠出變形見圖11，圖中綠線與藍(lán)線分別為13%與20%含水率。

最優(yōu)含水率下掌子面擠出位移較小，上、中、下臺階掌子面擠出位移最大值分別為6.73，3.90，3.92 cm；天然含水率上、中、下臺階掌子面擠出位移最大值分別為12.31，7.12，7.03 cm。尤其注意上臺階擠出位移在高含水率下數(shù)值較大，越是接近拱頂處，其擠出位移越大，即很可能在開挖過程上臺階拱頂處出現(xiàn)溜砂垮塌的現(xiàn)象，因此有必要采取超前水平旋噴樁加固并加強(qiáng)監(jiān)控量測。

圖11 掌子面擠出變形示意(單位：cm)

對比13%、20%兩種含水率下圍巖變形，見表4。相比20%含水率，13%含水率沉降收斂降低40%～50%，掌子面擠出降低55%。因此全風(fēng)化紅砂巖地層中含水率對圍巖變形的影響幅度較大，在施工過程中應(yīng)進(jìn)行加密降水，控制開挖地層含水率。

表4 沉降收斂值對比

注：比值=最優(yōu)含水率/天然含水率

4 加密降水

對比分析數(shù)值模擬結(jié)果，在含水率13%(即最優(yōu)含水率附近)圍巖變形最??；而含水率逐漸增大至20%(即天然含水率附近)圍巖變形劇增，且變形速率越來越快。盡管接近天然含水率時拱頂沉降高達(dá)11.44 cm，仍稍小于該工況下規(guī)范允許值12.65 cm，但為偏于安全考慮，有必要采取加密降水。

現(xiàn)場決定采用超前深孔真空降水、真空輕型井點(diǎn)和重力式真空深井降水相結(jié)合的降水方案。后方采用集水井集水，通過完善排水系統(tǒng)將水分級抽排至洞外。

4.1 洞內(nèi)超前深孔真空降水

洞內(nèi)超前深孔真空降水布置方案見表5。

4.2 輕型井點(diǎn)降水

雙排線性布置，沿臺階兩側(cè)縱向布置，間距不小于0.5 m，防止距離太小串孔。井點(diǎn)降水布置見圖12。施工過程中可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況動態(tài)調(diào)整，即在降水前或降水過程中發(fā)現(xiàn)問題及時處理，達(dá)到安全施工。

4.3 重力真空深井降水

重力真空深井降水施工工藝見圖13。

表5 洞內(nèi)超前深孔真空降水布置方案

圖12 井點(diǎn)降水布置(單位：cm)

圖13 重力真空深井降水施工工藝

重力式真空深井降水成孔直徑35 cm、井徑20 cm、井深10～15 m(按地層條件決定)，井管采用φ200 mm PVC管，濾水管為圓孔式濾水管，外圍包裹100目密目網(wǎng)兩層，濾料采用粗砂，封孔材料采用膨潤土，封孔深度不小于1 m。降水井結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 降水井結(jié)構(gòu)(單位：m)

正洞在下臺階兩側(cè)邊墻內(nèi)50～100 cm處設(shè)置，縱向間距3 m，施工過程中視降水效果進(jìn)行調(diào)整。將地下水通過真空抽排的作用降至仰拱底部5 m以下，形成漏斗狀降水，從而降低洞內(nèi)水位線，使得受水影響的施工難度減小，洞內(nèi)各工作面能達(dá)到有效施工條件。

5 隧道變形現(xiàn)場監(jiān)控量測

現(xiàn)場在采取降水措施后，于后續(xù)加密降水地段，選取DK245+320、DK245+325、DK245+330三個監(jiān)測斷面對降水后拱頂沉降、水平收斂等位移情況進(jìn)行監(jiān)測，降水后含水率測試結(jié)果見表6，測點(diǎn)布置方案見圖15。

表6 監(jiān)測斷面超前降水后含水率

圖15 測點(diǎn)布置方案及現(xiàn)場試驗(yàn)檢測

拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測時程曲線分別見圖16和圖17。

圖16 監(jiān)測斷面拱頂沉降時程曲線

圖17 監(jiān)測斷面水平收斂時程曲線

由圖16、圖17可知，采取進(jìn)一步加密降水后，監(jiān)測斷面DK245+325含水率(13.22%)最為接近數(shù)值模擬變形最小時的含水率(12.84%)，其監(jiān)測沉降(5.34 cm)比模擬值(4.84 cm)偏差10.33%，監(jiān)測墻腳水平收斂(4.91 cm)比模擬值(4.59 cm)偏差6.97%。對比數(shù)值模擬與監(jiān)測值，擬合較好，數(shù)值模擬有較高可信度，證實(shí)加密降水對控制變形有顯著作用。

6 結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，探究不同含水率對全風(fēng)化紅砂巖地層隧道圍巖變形影響，取得結(jié)果如下。

(1)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：全風(fēng)化紅砂巖的最優(yōu)含水率為12.76%，此時，圍巖的密度、空隙比、黏聚力及摩擦角均優(yōu)于其他含水率。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)圍巖地層含水率接近全風(fēng)化紅砂巖最優(yōu)含水率時，此時巖性較好，圍巖變形量最小；相比天然含水率附近(20%含水率)沉降值降低43%，水平收斂降低51%。因此，控制現(xiàn)場紅砂巖地層含水率對于隧道施工極有必要。此外，采用三臺階七步法施工，掌子面尤其拱頂處擠出位移較大，建議現(xiàn)場施工提高警惕。

(3)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，加密降水后，全風(fēng)化紅砂巖地層圍巖變形得到有效控制，沉降收斂值較小。所得結(jié)果與數(shù)值模擬值偏差最大為10%左右，擬合程度好，具有較高可靠度。