劉 濤，章 洵，李 昕，趙永虎

（1.銀西鐵路有限公司，寧夏 吳忠 751100；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

銀川至西安高速鐵路（以下簡(jiǎn)稱“銀西高鐵”）是我國(guó)“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)中“包海通道”的的重要組成部分，受黃土地區(qū)地形地貌、線路方案等多種因素限制，銀西高鐵在穿越巨厚層黃土塬時(shí)多采用隧道形式，古土壤作為黃土層中特殊的層狀巖土體，具有節(jié)理發(fā)育、強(qiáng)水敏性等特征[1]，在穿越黃土塬時(shí)早勝三號(hào)隧道洞身長(zhǎng)段落為古土壤層，因此，古土壤圍巖隧道工程的施工進(jìn)度及其安全施工成為銀西高鐵隧道的關(guān)鍵性因素[2]。

在影響隧道施工安全及進(jìn)度的諸多因素中，地下水位埋深設(shè)及圍巖含水率變化成為影響黃土隧道安全、快速施工的關(guān)鍵因素之一[3]。因此，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者針對(duì)隧道富水特性對(duì)開(kāi)挖、支護(hù)等施工過(guò)程的影響開(kāi)展了較多研究。王國(guó)強(qiáng)[4]以G312線黃土區(qū)祁家大山公路隧道為對(duì)象，分析了隧道圍巖含水率變化對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響機(jī)理。蘇春暉等[5]以鄭西客運(yùn)專線張茂富水黃土隧道為例，采用數(shù)值仿真分析了隧道圍巖含水率變化對(duì)隧道變形和穩(wěn)定性等方面的影響。陳福江[6]分析了圍巖含水率對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度、壓縮模量等參數(shù)及對(duì)隧道形態(tài)的影響規(guī)律。田俊峰等[7]以山西陽(yáng)曲1號(hào)黃土公路隧道為例，研究了不同施工工法、不同開(kāi)挖進(jìn)尺等因素對(duì)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[8]基于數(shù)值仿真分析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、不同埋深條件下隧道圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)。王釬[9]以寶蘭客專某黃土隧道為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值仿真研究了大斷面高含水量黃土隧道初期支護(hù)的力學(xué)特性。周平等[10]分析了圍巖含水率對(duì)昔格達(dá)地層隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。姚威[11]分析了在高地應(yīng)力深埋隧道開(kāi)挖過(guò)程中平行導(dǎo)洞施工對(duì)主洞的變形影響規(guī)律。趙永虎等[12]對(duì)黃土隧道圍巖含水率在施工前期內(nèi)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。劉俊平[13]綜合論述了董志塬區(qū)地下水分布對(duì)銀西高鐵隧道工程施工的主要不良影響。綜上，目前針對(duì)圍巖含水率對(duì)隧道的影響研究主要采用數(shù)值模擬方法，在圍巖含水率較高地段掌子面開(kāi)挖后取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，并未開(kāi)展隧道內(nèi)的長(zhǎng)期觀測(cè)，在整個(gè)施工周期內(nèi)針對(duì)黃土隧道圍巖含水率現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面的研究開(kāi)展的較少。

鑒于此，本文以黃土塬區(qū)在建銀西高鐵沿線早勝三號(hào)隧道為例，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，在隧道整個(gè)施工周期內(nèi)對(duì)古土壤層圍巖含水率的變化規(guī)律進(jìn)行研究，并提出針對(duì)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)，也為黃土地區(qū)特殊地層圍巖隧道安全施工提供借鑒。

1 工程概況

早勝三號(hào)隧道位于甘肅省慶陽(yáng)市寧縣境內(nèi)，基本走行于黃土梁塬溝壑區(qū)（如圖1所示），為銀西鐵路控制性工程。隧道設(shè)計(jì)為雙線單洞，斷面直徑最大為15.2m，開(kāi)挖面積約為160m2，為在建最長(zhǎng)大斷面全黃土隧道。隧道最大埋深約210m，最小埋深約10m。

隧道淺埋地段累計(jì)里程2570m，約占總里程23%，為V級(jí)圍巖，巖性主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土(Q3eol)，主要采用三臺(tái)階預(yù)留核心土工法施工。洞身主要地層為第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土(Q2eol)及成層分布的古土壤層，黏土礦物含量高，具弱膨脹性、高水敏性特征。以古土壤地層為主要巖性的隧道里程累計(jì)達(dá)8555m，約占總里程76.6%，圍巖等級(jí)為IV級(jí)，主要采用三臺(tái)階法施工。

隧道區(qū)地下水類(lèi)型主要為第四系松散層孔隙水，含水層主要為中更系統(tǒng)黃土，既有孔隙潛水的一般特征，還具有裂隙水的水力性質(zhì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率高，是地下水的主要儲(chǔ)存和運(yùn)移通道。地下水位線位于IV級(jí)圍巖洞身以上，且受洞身附近楊家堡水庫(kù)等3座水庫(kù)及泉水等的下滲，因此，隧道施工中易出現(xiàn)突涌水、滲漏、坍塌等病害，屬于II級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)施工期間隧道圍巖含水率的及時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，可以為隧道安全施工提供科學(xué)依據(jù)，如圖1所示。

2 測(cè)試方法及斷面布設(shè)方案

2.1 測(cè)試方法

此次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目包括圍巖體積含水率和鋼拱架應(yīng)力2項(xiàng)。其中圍巖體積含水率測(cè)試采用TDR水分傳感器，鋼拱架應(yīng)力采用表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)試并換算可得。用數(shù)采儀可采集到各點(diǎn)在不同時(shí)間段的應(yīng)變值，在室內(nèi)經(jīng)換算后可得到各點(diǎn)各時(shí)段的鋼拱架應(yīng)力值[10]。

2.2 斷面布設(shè)方案

水分傳感器和表面應(yīng)變計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)斷面的監(jiān)測(cè)位置包括拱頂、左右拱腰、左右拱腳和仰拱底部中心共6個(gè)部位，現(xiàn)場(chǎng)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2 斷面測(cè)試元件布設(shè)位置

測(cè)試斷面選擇在早勝三號(hào)隧道DK186+325里程處，埋深約為70.9m，原始地下水位高出拱頂約63.4m，附近為惠家堡水庫(kù)，因此，施工中受地下水的影響極大，為保障施工安全，施工期間進(jìn)行連續(xù)排水。圖3為早勝三號(hào)隧道1#斜井圍巖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地質(zhì)縱斷面圖。

圖3 早勝三號(hào)隧道圍巖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地質(zhì)縱斷面

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 圍巖含水率

圖4為早勝三號(hào)隧道DK186+325斷面圍巖含水率的時(shí)程曲線，從圖中可知，不同部位處圍巖含水率隨時(shí)間變化具有一定的差異性，拱頂圍巖含水率呈“增大-減小-增大-平穩(wěn)”的四階段變化趨勢(shì)，而拱腰部位圍巖含水率呈“增大-平穩(wěn)-增大-平穩(wěn)”的四階段變化趨勢(shì)，仰拱部位圍巖含水率呈“線性急劇增大-緩慢增長(zhǎng)-平穩(wěn)”三階段變化趨勢(shì)，拱腳部位圍巖含水率呈“線性增大-平穩(wěn)”兩階段變化趨勢(shì)。圍巖含水率出現(xiàn)差異性變化的主要原因是隨著圍巖開(kāi)挖暴露和封閉的循環(huán)施工，使得隧道圍巖裂隙水沿著隧道襯砌層逐步滲流與匯集，不同部位的圍巖的節(jié)理差異等導(dǎo)致的。

從空間差異性來(lái)看，含水率趨于穩(wěn)定后仰拱和拱腳部位圍巖含水率均大于拱頂和拱腳處，且仰拱處含水率增幅在整個(gè)斷面呈最大，這是由于該段落正處于水庫(kù)中心位置，隧道開(kāi)挖過(guò)程中裂隙水滲透性較強(qiáng)，初期支護(hù)的混凝土封閉成環(huán)后圍巖四周的裂隙水等地下水沿著混凝土外側(cè)土體節(jié)理、裂隙等下滲后匯聚到仰拱處，加之隧道內(nèi)混凝土養(yǎng)護(hù)施工用水等匯聚，故在仰拱及拱腳部位的圍巖含水率及其增幅遠(yuǎn)大于拱頂和拱腰處。

研究表明，含水率的增大會(huì)顯著降低圍巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響圍巖強(qiáng)度，最終有可能對(duì)隧道穩(wěn)定性造成影響[14]。因此，對(duì)于黃土隧道，掌子面開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)、實(shí)施二次襯砌對(duì)確保隧道圍巖穩(wěn)定性具有重要的意義。

圖4 圍巖含水率時(shí)程曲線

3.2 鋼拱架應(yīng)力

圖5為早勝三號(hào)隧道DK186+325斷面鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線，可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為負(fù)應(yīng)力值，表明鋼拱架以承受壓應(yīng)力為主。拱頂處壓應(yīng)力值最大，穩(wěn)定后達(dá)到-87.5Mpa，左側(cè)拱腰處壓應(yīng)力值次之，達(dá)到-73.9MPa，而其余位置處鋼拱架應(yīng)力值較為接近，在-10～-30MPa之間變化，由此可見(jiàn)，該隧道斷面初襯鋼拱架主要受隧道拱頂和左側(cè)拱腰處方向的主應(yīng)力作用較大。

從鋼拱架應(yīng)力的時(shí)間變化角度來(lái)看，拱頂和右拱腰處鋼拱架應(yīng)力在仰拱開(kāi)挖前的18d內(nèi)增幅較小，待仰拱開(kāi)挖后的6d內(nèi)近似呈線性增大，直至二襯施作后趨于穩(wěn)定。拱腰和仰拱處鋼拱架應(yīng)力增幅較小，增長(zhǎng)期亦在2周內(nèi)，二襯施作時(shí)已基本穩(wěn)定。因此，從初期支護(hù)到二襯施作前鋼拱架在發(fā)揮承受?chē)鷰r壓力、保證圍巖穩(wěn)定性方面起到重要作用。

圖5 鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線

3.3 圍巖變形

圖6為早勝三號(hào)隧道DK186+325斷面圍巖變形時(shí)程曲線，從圖中可知，深埋古土壤隧道的沉降收斂變形整體上呈線性增大后趨于穩(wěn)定的兩階段變化趨勢(shì)。上臺(tái)階開(kāi)挖約7d后拱頂沉降趨于穩(wěn)定，最終沉降量為33.5mm，拱腰處沉降與水平收斂仍在增大，直至12d后趨于穩(wěn)定，最終水平收斂量和沉降量分別為72mm、70mm。中臺(tái)階開(kāi)挖后2d內(nèi)邊墻水平收斂量略大于邊墻沉降量約3mm，在3～8d內(nèi)邊墻沉降量略大于邊墻水平收斂量約2～3mm，之后邊墻水平收斂量又略大于邊墻沉降量約2～5mm，最終邊墻水平收斂量與沉降量分別為71mm、66mm。下臺(tái)階開(kāi)挖7d后墻腳水平收斂與沉降變形趨于穩(wěn)定，二者變形量分別為46.5mm、43mm，且整個(gè)斷面的圍巖變形速率均小于2mm/d，累計(jì)變形量和變形速率均滿足規(guī)范要求，即該監(jiān)測(cè)斷面圍巖從上臺(tái)階開(kāi)挖約2周后變形整體達(dá)到穩(wěn)定，即可進(jìn)行后續(xù)仰拱施工。

圖6 圍巖變形時(shí)程曲線

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)監(jiān)測(cè)段面拱頂沉降遠(yuǎn)小于其余各部位沉降變形及水平收斂，即深埋古土壤隧道圍巖變形以拱腰和邊墻部位的變形為主。變形穩(wěn)定后拱腰位置的水平收斂和沉降變形最大，其次為邊墻部位的水平收斂和沉降變形，之后為墻腳部位的水平收斂和沉降變形，最小的是拱頂沉降變形。整體來(lái)看，拱腰、邊墻和墻腳處圍巖的水平收斂變形略大于對(duì)應(yīng)沉降變形。因此，在施工過(guò)程中應(yīng)特別重視圍巖收斂變形對(duì)整個(gè)隧道穩(wěn)定性的影響。

4 施工建議

對(duì)于在建的大斷面古土壤隧道，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(duì)施工安全和進(jìn)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(hù)措施，因此，在施工過(guò)程中需要注意采取以下措施。

1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌子面圍巖含水率變化在地下水位較高、富水地段或施工過(guò)程中在掌子面含水率突增或明顯異常情況下，應(yīng)立即查明原因，并結(jié)合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和圍巖監(jiān)控量測(cè)方案，采取必要預(yù)支護(hù)、預(yù)加固措施，以防止由于含水率增大導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度下降或變形加劇，甚至出現(xiàn)突涌水、掉塊等事故。

2)掌子面開(kāi)挖后及時(shí)施做初期支護(hù)，采用鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土綜合措施，盡早使得開(kāi)挖面形成封閉圈，減小掌子面開(kāi)挖后暴露時(shí)間，以控制圍巖出現(xiàn)大變形，應(yīng)特別注重拱腰和邊墻處的水平收斂與沉降變形。

3)在整個(gè)施工過(guò)程中應(yīng)重視防排水措施，仰拱盡量少積水，保證在施工期間隧道圍巖少受地下水和施工積水的影響?？傊?，對(duì)于大斷面黃土隧道，應(yīng)該形成“勤測(cè)含水率、重視防排水、加強(qiáng)初支”的一種施工理念。

5 結(jié)論

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)古土壤圍巖隧道施工期內(nèi)圍巖含水率、鋼拱架應(yīng)力及圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1）古土壤隧道圍巖含水率具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，在時(shí)間上呈“增大-波動(dòng)-平穩(wěn)”的三階段變化趨勢(shì)，含水率趨于穩(wěn)定后仰拱和拱腳部位圍巖含水率均大于拱頂和拱腳處，且仰拱處含水率增幅在整個(gè)斷面呈最大；

2）鋼拱架主要承受壓應(yīng)力，拱頂和拱腰位置的鋼拱架壓應(yīng)力最大，鋼拱架在施工期內(nèi)承受?chē)鷰r壓力、確保大斷面古土壤隧道圍巖穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用；

3）深埋古土壤隧道圍巖變形以拱腰和邊墻處的水平收斂和沉降變形為主，拱頂沉降變形較小。

需要說(shuō)明的是，受監(jiān)測(cè)時(shí)間限制，本文得到的規(guī)律性僅為測(cè)試斷面近2個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù)，但原始地下水位較高的深埋隧道在施工期間采取了降排水措施，因此，待隧道貫通、地下水位恢復(fù)后可能會(huì)引起圍巖的含水率發(fā)生重分布，由此可能會(huì)引起鋼拱架應(yīng)力發(fā)生變化，因此，尚需對(duì)圍巖含水率及鋼拱架應(yīng)力進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以便為運(yùn)營(yíng)期內(nèi)圍巖含水率及地下水位的變化規(guī)律進(jìn)行深入分析。