苗學(xué)云 范世鴻 米維軍 趙永虎

（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；2.中鐵一局集團(tuán)有限公司，西安 710043）

近年來(lái)，隨著西部大開發(fā)的不斷深入及“一帶一路”倡議的實(shí)施，國(guó)家公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施在西部地區(qū)建設(shè)力度進(jìn)一步加大，穿越黃土地層的隧道也越來(lái)越多，在甘肅、陜西、河南、寧夏、山西、青海等黃土地區(qū)已有大量隧道建成并投入使用。這些隧道工程在建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)了一系列如深淺埋界線界定不一、圍巖壓力取值與規(guī)范差異較大、支護(hù)體系設(shè)計(jì)不合理、常規(guī)施工方法不適用等技術(shù)難題，導(dǎo)致在施工過(guò)程中出現(xiàn)掉塊、滲漏、裂縫甚至塌方等病害，嚴(yán)重影響了隧道建設(shè)、運(yùn)營(yíng)安全和服役壽命［1-3］。

銀西高速鐵路在慶陽(yáng)段董志塬2次穿越黃土塬區(qū)，塬邊出現(xiàn)了眾多的淺埋慢坡段［4-5］。淺埋慢坡段由于其特殊的地形地貌特征，隧道地表存在大量不良地質(zhì)體，如滑坡體、大型陷穴、沖溝等，這給隧道建設(shè)施工帶來(lái)難度［6-7］。淺埋慢坡段由于地表距隧道開挖面距離不均，存在明顯的偏壓現(xiàn)象［8］，且隧道洞身同時(shí)穿越第四系上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)黃土層，在空間上巖土工程特性存在著明顯的差異，隧道設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性成為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)黃土隧道圍巖穩(wěn)定性展開了大量研究。李鵬飛等［9］基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了隧道圍巖壓力的分布規(guī)律。仇文革等［10］依托鄭州—萬(wàn)州鐵路新莊嶺隧道，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬等手段對(duì)隧道穩(wěn)定性和初期支護(hù)效果進(jìn)行了研究；于清楊等［11］針對(duì)隧道偏壓進(jìn)行數(shù)值模擬，求出了偏壓隧道對(duì)稱位置的應(yīng)力比值，定量分析其特征；周俊磊［12］統(tǒng)計(jì)分析Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖隧道的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，提出了圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)；汪明武等［13］針對(duì)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)構(gòu)建了可拓評(píng)價(jià)模型，為多重隨機(jī)模糊性指標(biāo)提供了評(píng)價(jià)的可能。

以往文獻(xiàn)對(duì)具有典型黃土塬區(qū)特征且淺埋段較長(zhǎng)隧道在施工期的變形特征研究較少。因此，選擇銀西高速鐵路典型淺埋慢坡段，建立立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)，研究隧道施工期間圍巖的變形特征。

1 隧道概況

銀西高速鐵路上閣村隧道位于甘肅省慶陽(yáng)市寧縣境內(nèi)，進(jìn)口位于黃家溝左岸斜坡上，出口位于街上村黃土塬頂，隧道全長(zhǎng)6 483 m，最大埋深102 m，最小埋深5.5 m，雙線單洞。隧道進(jìn)口段（DK207+517—DK207+637）120 m及出口段（DK211+500—DK214+000）2500m，隧道埋深小于50 m，隧道縱坡以25‰坡率單面上坡，屬于典型的淺埋慢坡段。隧址區(qū)巖性主要為硬塑狀黏質(zhì)黃土，圍巖穩(wěn)定性較差，Ⅴ級(jí)圍巖。隧道進(jìn)口端位于V形深切溝谷陡峻斜坡上，多發(fā)育滑坡、陷穴等不良地質(zhì)體。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)段情況

為研究黃土塬區(qū)淺埋隧道慢坡段在施工期的應(yīng)力、圍巖含水率以及隧道內(nèi)外沉降變化情況，課題組選取上閣村隧道銀川方向出口端DK213+875為試驗(yàn)工點(diǎn)。監(jiān)測(cè)端面（圖1）處隧道拱頂埋深約8.8 m，隧道地表為第四系上更新統(tǒng)黃土，厚9.2 m，下覆第四系中更新統(tǒng)黃土。地下水位線距地表約66.4 m，該隧道斷面處于地下水位以上。

圖1 局部縱斷面

2.2 測(cè)試元件布設(shè)

測(cè)試元件布設(shè)如圖2所示。在監(jiān)測(cè)斷面拱頂、拱肩、墻腳以及仰拱中心布設(shè)了6組鋼拱架應(yīng)力計(jì)，用于監(jiān)測(cè)初期支護(hù)鋼拱架的應(yīng)力變化，在相同位置埋設(shè)了6組TDR水分探頭，用于監(jiān)測(cè)圍巖含水率變化。在隧道地表布設(shè)了1組沉降監(jiān)測(cè)斷面。

圖2 測(cè)試元件布設(shè)

2.3 測(cè)試結(jié)果與分析

2.3.1 鋼拱架應(yīng)力

鋼拱架應(yīng)力時(shí)程變化曲線見圖3。其中：正值表示受拉，負(fù)值表示受壓。

圖3 圍巖鋼拱架應(yīng)力時(shí)程變化曲線

由圖3可見：在施工期，鋼拱架受到圍巖壓應(yīng)力的影響，鋼拱架應(yīng)力先增長(zhǎng)然后波動(dòng)逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于開挖時(shí)地層中應(yīng)力得到釋放，各部位應(yīng)力均先向負(fù)值區(qū)增長(zhǎng)然后逐漸趨于穩(wěn)定。第18 d中臺(tái)階開始開挖，拱頂及左右拱肩兩側(cè)的應(yīng)力進(jìn)一步增大。受到地層偏壓影響，在上臺(tái)階和中臺(tái)階開挖階段，左拱肩應(yīng)力變化值較大（變化量為54.22 MPa），拱頂次之（變化量33.75 MPa），右拱肩較?。ㄗ兓繛?6.7 MPa）。開挖至第42 d時(shí)隧道初期支護(hù)鋼拱架封閉成環(huán)，下臺(tái)階開始開挖，地層應(yīng)力進(jìn)一步釋放，監(jiān)測(cè)斷面鋼拱架應(yīng)力波動(dòng)變化，開挖至第84 d應(yīng)力進(jìn)入穩(wěn)定期。一方面是因?yàn)殚_挖面距監(jiān)測(cè)斷面距離較遠(yuǎn)，影響程度減??；另一方面開挖斷面處的地層應(yīng)力基本達(dá)到平衡。監(jiān)測(cè)至第233 d，左拱肩的應(yīng)力值最大（-65.84 MPa），拱頂次之（-35.38 MPa），左右墻腳最?。?6.84 MPa），左拱肩應(yīng)力是仰拱中心的9.4倍。

2.3.2 圍巖含水率

隧道圍巖含水率時(shí)程變化曲線見圖4。可見：①開挖改變了地層中水分遷移途徑，水體逐漸向臨空面聚集，從開始施工至第42 d，拱頂及拱肩含水率呈遞增趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為1.30%～8.42%。開挖下臺(tái)階時(shí)開挖面已擴(kuò)大至全斷面，使得地層中的水分進(jìn)一步向圍巖周邊滲流，表現(xiàn)為圍巖各部位含水率呈波動(dòng)式增長(zhǎng)。隨著開挖面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面，影響程度逐漸減小，開挖至第118 d圍巖含水率基本趨于穩(wěn)定。②圍巖含水率達(dá)到穩(wěn)定期后，由于受重力作用的影響，拱肩含水率較低（19.9%～20.0%），在仰拱和墻腳處更容易匯集水分，右墻腳和仰拱中心含水率較高，分別為21.3%和22.5%。拱頂含水率介于兩者之間，達(dá)到20.8%。這是由于拱頂距地表更近，更容易受到淺埋段地表水的浸入影響，且鋼拱架也有“滯水”作用。

圖4 圍巖含水率時(shí)程變化曲線

2.3.3 測(cè)試斷面累計(jì)變形

測(cè)試斷面累計(jì)變形時(shí)程曲線見圖5?？芍孩俟绊敵两悼煞譃?個(gè)階段，前2個(gè)階段的沉降速率遠(yuǎn)大于第3個(gè)階段。其中第1階段（第1～18 d，上臺(tái)階開挖）累計(jì)沉降量約125 mm，沉降速率大部分在2～5 mm/d，最大達(dá)到12 mm/d。第2階段（第18～42 d，中臺(tái)階開挖）累計(jì)沉降達(dá)到225.7 mm，沉降速率大部分在2～4 mm/d，最大達(dá)到17.5 mm/d。第三階段（第42～56 d，下臺(tái)階開挖）累計(jì)沉降量達(dá)到243.9 mm，沉降速率大部分在2～3 mm/d，最大達(dá)到2.8 mm/d，第42 d沉降速率約1.7 mm/d，即從掌子面開挖約6周拱頂沉降基本達(dá)到穩(wěn)定。②隧道凈空水平收斂基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，收斂速率在1.6～3.9 mm/d，最終水平收斂量約89 mm。6周后收斂速率為2.1 mm/d。③隧道拱頂沉降與三臺(tái)階施工對(duì)應(yīng)得比較好，凈空水平收斂基本呈線性變化。對(duì)于淺埋暗挖隧道，拱頂累計(jì)沉降量是累計(jì)水平收斂量的2～3倍，因此，控制拱頂沉降是淺埋暗挖隧道的關(guān)鍵。

圖5 測(cè)試斷面累計(jì)變形時(shí)程曲線

2.3.4 地表沉降

該斷面所在地表沉降時(shí)程曲線見圖6?？梢钥闯觯淼勒谱用骈_挖后，地表累計(jì)沉降隨著施工呈規(guī)律性變化。從變化量來(lái)看，隧道中線處最終沉降量為205.98 mm，左右兩側(cè)距隧道中線6 m處地表最終沉降量分別為191.78，201.63 mm，左右兩側(cè)距隧道中線12 m處地表最終沉降量分別為170.88，145.70 mm，左右兩側(cè)距中線18 m處地表最終沉降量分別為7.23，8.25 mm。可見，距離隧道中線越近隧道地表沉降量越大，向兩邊地表沉降量逐步減小。淺埋段隧道地表沉降總體上呈現(xiàn)“先線性增大然后非線性增大之后趨于穩(wěn)定”3階段變化，線性階段沉降速率明顯大于非線性階段。開挖22 d后地表沉降基本趨于穩(wěn)定。地表沉降影響范圍為距隧道中線約18 m以內(nèi)。

圖6 隧道地表沉降時(shí)程曲線

3 結(jié)論

從初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力、圍巖含水率、洞內(nèi)外變形等方面，研究了黃土塬區(qū)淺埋暗挖隧道慢坡段在施工期的變形特征，得出了以下結(jié)論：

1）在施工期淺埋慢坡段鋼拱架主要受壓應(yīng)力影響，呈“增長(zhǎng)-波動(dòng)-穩(wěn)定”3階段變化，大約在第84 d鋼拱架應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

2）DK213+875斷面存在明顯偏壓現(xiàn)象，左拱肩壓應(yīng)力是仰拱中心處的9.4倍。

3）由于隧道開挖施工影響了原有的滲流場(chǎng)，施工期圍巖含水率呈“增長(zhǎng)-穩(wěn)定”2階段變化，工后約第118 d含水率趨于穩(wěn)定。

4）隧道拱頂沉降與三臺(tái)階施工有很好的相關(guān)性。中臺(tái)階開挖后隧道拱頂沉降最大，沉降速率也最大。淺埋暗挖隧道拱頂沉降量是凈空水平收斂量的2～3倍。

5）淺埋段黃土隧道地表沉降以隧道中線為中心，向兩邊基本呈對(duì)稱變化，隧道中線地表沉降量最大，向兩邊沉降量逐步減小。地表沉降影響范圍為距隧道中線約18 m以內(nèi)。