白子斌

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

圍巖壓力作用模式及其時(shí)空效應(yīng)特征作為隧道支護(hù)－圍巖作用關(guān)系中的核心內(nèi)容，與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定密切相關(guān)，長期以來都是隧道工程界研究的焦點(diǎn)問題之一［1－5］。中外學(xué)者對(duì)隧道圍巖壓力分布規(guī)律或計(jì)算方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出或修正了隧道圍巖壓力的計(jì)算方法［6－8］。

黃土是一種第四紀(jì)松散堆積物，在我國具有分布范圍廣泛、連續(xù)、地層發(fā)育完整、厚度大等特征。由于黃土強(qiáng)度低和物理力學(xué)特性復(fù)雜，黃土隧道施工中遇到了初期支護(hù)變形量大、地表沉降量大、襯砌開裂嚴(yán)重、隧道塌方等突出問題。在黃土隧道設(shè)計(jì)和施工方案確定過程中，揭示圍巖壓力的作用機(jī)制、力學(xué)性質(zhì)及其時(shí)空效應(yīng)特征是優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，確定合理施工方案的根本前提。然而鑒于黃土隧道工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性，黃土隧道圍巖壓力時(shí)空效應(yīng)特征一直沒有得到很好地揭示［9－11］。

本文依托我國多座黃土隧道工程，通過對(duì)50個(gè)黃土隧道斷面圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，探討圍巖壓力時(shí)空效應(yīng)特征，并進(jìn)行影響因素分析，以期為分析黃土隧道設(shè)計(jì)和施工方案確定提供參考。

2 監(jiān)測樣本與影響因素分析

2.1 監(jiān)測樣本基本情況

本文統(tǒng)計(jì)樣本共包含17座隧道（5座鐵路隧道、10座公路隧道、2座城市地鐵隧道）的50個(gè)監(jiān)測斷面（19個(gè)鐵路、24個(gè)公路、7個(gè)城市地鐵隧道），如表1所示。相關(guān)說明如下：

表1 黃土隧道圍巖壓力監(jiān)測斷面統(tǒng)計(jì)樣本

（1）鑒于本文數(shù)據(jù)多是來自已經(jīng)公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，有些信息未能找到，在表中以“—”代替。

（2）表中所統(tǒng)計(jì)圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)測點(diǎn)位置主要集中在隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱墻和拱腳等處。最后一列“備注”給出了該監(jiān)測斷面的補(bǔ)充特征。

（3）表中所列圍巖級(jí)別和埋深是指監(jiān)測斷面所處位置的圍巖級(jí)別和埋深。本文樣本各斷面埋深分布在9～180 m之間。

（4）從圍巖級(jí)別來看，所統(tǒng)計(jì)監(jiān)測斷面圍巖級(jí)別集中在Ⅳ～Ⅵ級(jí)，其中Ⅳ、Ⅴ級(jí)較多，Ⅵ級(jí)相對(duì)較少，如圖1所示。這主要是由于黃土地層大都屬于Ⅳ～Ⅵ級(jí)的范疇內(nèi)，相對(duì)而言黃土Ⅵ級(jí)圍巖在施工中并不常見，且主要集中在山嶺隧道洞口段和城市地鐵隧道，因此其測試樣本較少。

圖1 隧道圍巖級(jí)別分布統(tǒng)計(jì)

（5）從開挖方法來看，采用臺(tái)階法開挖的監(jiān)測斷面所占比重最大，達(dá)80%；其次為CRD工法，占12%；其他為盾構(gòu)法，占8%，如圖2所示。因此盡管黃土隧道屬于土質(zhì)隧道，在控制隧道地層變形方面，臺(tái)階法不及CRD法和盾構(gòu)法，但由于其在施工效率和經(jīng)濟(jì)性方面的顯著優(yōu)勢，依然成為黃土隧道的主流施工方法。

圖2 黃土隧道斷面施工工法分布統(tǒng)計(jì)

（6）對(duì)于隧道開挖跨度，本文統(tǒng)計(jì)的5座鐵路隧道均為高速鐵路單洞雙線隧道，開挖跨度約15 m；10座公路隧道開挖跨度在10.25～17.59 m之間；兩座地鐵區(qū)間隧道開挖跨度相對(duì)較小，分別為6.2 m和10 m。

2.2 黃土隧道圍巖壓力總體分布特征

將黃土隧道圍巖壓力監(jiān)測值根據(jù)其圍巖級(jí)別分類，可分為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)和Ⅵ級(jí)圍巖3類，并在每類中將壓力數(shù)據(jù)分為若干區(qū)間，得到圍巖壓力分布區(qū)間頻數(shù)直方圖，如圖3所示。

圖3 圍巖壓力區(qū)間分布

（1）Ⅳ級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)134個(gè)，最大圍巖壓力481 kPa；Ⅴ級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)307個(gè)，最大圍巖壓力1 256.25 kPa；Ⅵ級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)43個(gè)，最大圍巖壓力285 kPa。

（2）若以各級(jí)圍巖的圍巖壓力算術(shù)平均值作為其數(shù)學(xué)期望值，則Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ級(jí)圍巖的圍巖壓力算術(shù)平均值為83 kPa、219.5 kPa和64 kPa。

（3）Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ級(jí)圍巖100 kPa以下測點(diǎn)所占百分比分別為71%、41%和80%，且Ⅴ級(jí)圍巖頻率分布在150 kPa以上區(qū)間百分比遠(yuǎn)大于Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅵ級(jí)圍巖。

與Ⅳ級(jí)圍巖相比，Ⅴ級(jí)圍巖壓力均值明顯增大，超過100 kPa的所占百分比為58%，且分布在150 kPa以上的百分比增大趨勢更加顯著。

（4）由于Ⅵ級(jí)圍巖樣本較少，且集中在斷面較小的城市地鐵隧道，圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)多在100 kPa以下。

除斷面較小的地鐵隧道外，根據(jù)其他43個(gè)監(jiān)測斷面圍巖壓力最大值分布區(qū)間（見圖4）可以看出，86%的斷面圍巖壓力最大值超過了150 kPa，其中65%的斷面超過了200 kPa。如果近似取黃土地層重度γ＝20 kN／m3，則大部分黃土隧道圍巖壓力最大值超過了10 m土柱的重量，即可以認(rèn)為大斷面黃土隧道圍巖擾動(dòng)范圍多在10 m以上。

圖4 黃土隧道圍巖壓力最大值分布區(qū)間

2.3 影響因素分析

隧道圍巖壓力的影響因素包括圍巖等級(jí)、埋深、跨度和施工方法等，其中圍巖等級(jí)的影響上文已經(jīng)進(jìn)行了分析，本節(jié)重點(diǎn)討論埋深和跨度的影響。

（1）埋深影響

為了消除各隧道跨度不同對(duì)圍巖壓力數(shù)值的影響，將各斷面圍巖壓力平均值除以地層重度（取γ＝20 kN／m3），再除以隧道跨度作為縱坐標(biāo)，得到埋深對(duì)黃土隧道圍巖壓力的影響規(guī)律，如圖5所示?？梢钥闯觯簢鷰r壓力隨埋深變化分布較為離散，但總的趨勢是隨埋深增加而增加。且Ⅴ級(jí)圍巖壓力隨埋深增大趨勢比Ⅳ級(jí)圍巖要大，說明隨著圍巖級(jí)別增大，圍巖條件也趨于惡化，圍巖壓力隨埋深增大更加明顯。我國隧道規(guī)范中在計(jì)算圍巖壓力時(shí)認(rèn)為深埋條件下為定值，這與本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果并不相符。

圖5 圍巖壓力與埋深關(guān)系

（2）跨度的影響

隨黃土隧道開挖跨度的變化，圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果較為離散，但總體趨勢是隨跨度的增加而增大（見圖6）。一般隧道跨度大于10 m，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在10～15 m跨度間圍巖壓力大致呈線性增長，在15 m左右圍巖壓力數(shù)據(jù)較為離散，這是因?yàn)榭缍?5 m隧道較多，影響圍巖壓力因素復(fù)雜，所得數(shù)據(jù)差別較大；但當(dāng)跨度大于15 m時(shí)，可以較明顯地發(fā)現(xiàn)圍巖壓力增長迅速。

圖6 Ⅴ級(jí)圍巖各斷面圍巖壓力隨開挖跨度變化曲線

3 圍巖壓力時(shí)空分布規(guī)律

為簡化分析，且不失一般性，本節(jié)選取4個(gè)典型監(jiān)測斷面分析圍巖壓力的時(shí)間變化特征。選取典型斷面分別為函谷關(guān)DK270＋525斷面（高速鐵路隧道淺埋Ⅴ級(jí)圍巖）、賀家莊DK242＋960斷面（高速鐵路隧道深埋Ⅳ級(jí)圍巖）、唐家塬隧道YK302＋041（超大跨隧道Ⅴ級(jí)圍巖）和西安地鐵3號(hào)線YDK29＋726.251斷面（CRD法暗挖地鐵隧道）。根據(jù)4個(gè)典型監(jiān)測斷面的圍巖壓力時(shí)程曲線（見圖7）可以看出：

圖7 黃土隧道圍巖壓力隨時(shí)間變化曲線

（1）黃土隧道圍巖壓力時(shí)程變化特征顯著，大都可以概括為快速增大、緩慢增大和趨于穩(wěn)定3個(gè)階段。其中快速增大階段結(jié)束后圍巖壓力監(jiān)測值往往超過了最終結(jié)果的三分之二之多。不同斷面圍巖壓力發(fā)展經(jīng)歷各個(gè)階段的時(shí)間有所不同，但多數(shù)斷面圍巖壓力監(jiān)測值在隧道開挖完成后3個(gè)月內(nèi)趨于穩(wěn)定。

（2）目前我國大斷面黃土隧道施工主要采用以臺(tái)階留核心土為主的分部開挖方法，受各步序施工多次擾動(dòng)的影響，圍巖壓力會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)性甚至突變性的變化，這反映了施工中支護(hù)與圍巖相互作用、應(yīng)力狀態(tài)不斷調(diào)整的過程。

（3）在臺(tái)階法施工中，后續(xù)開挖支護(hù)作業(yè)步序?qū)η捌诒O(jiān)測結(jié)果影響十分明顯，以下臺(tái)階開挖為例，如果支護(hù)及時(shí)且迅速封閉成環(huán)，初期支護(hù)將承受開挖卸荷帶來的壓力，圍巖壓力會(huì)有一個(gè)顯著增大的過程；若下臺(tái)階支護(hù)不及時(shí)，則上部初期支護(hù)將懸空較長時(shí)間，這樣雖然降低了圍巖、初支之間接觸的緊密程度，但卻加劇了上部地層的松動(dòng)范圍，引起上部圍巖壓力的進(jìn)一步增大。因此，臺(tái)階法施工中應(yīng)及時(shí)施作下臺(tái)階初期支護(hù)，縮短上臺(tái)階初期支護(hù)的懸空時(shí)間。

（4）與一般山嶺隧道不同，黃土地層具有顯著的蠕變特性，在黃土隧道圍巖壓力監(jiān)測時(shí)程曲線中地層荷載的釋放除瞬時(shí)效應(yīng)外，還具有明顯的流變特性，圍巖壓力穩(wěn)定歷時(shí)較長。因此在黃土隧道設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期流變荷載。

（5）從黃土隧道圍巖壓力沿洞周的空間分布可以看出，絕大部分圍巖壓力監(jiān)測值為壓力，而個(gè)別監(jiān)測斷面的某些部位圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值，這與理論分析結(jié)果是不相符的。從另一方面反映出要準(zhǔn)確地監(jiān)測到圍巖壓力值是比較困難的。

（6）黃土隧道圍巖壓力最大值可能出現(xiàn)在洞周的任一部位，但拱肩位置和拱腰位置出現(xiàn)頻率最高，二者之和所占百分比達(dá)68%，拱頂和拱腳位置出現(xiàn)的頻率均占16%。這與根據(jù)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范建議的圍巖荷載作用模式，采用豎向壓力和水平壓力疊加計(jì)算圍巖壓力的方法得到的圍巖壓力沿洞周分布規(guī)律基本一致。

4 結(jié)論

（1）盡管黃土隧道屬于典型的土質(zhì)隧道，可是臺(tái)階法依然成為大斷面黃土隧道的主流施工方法，也將是今后多數(shù)黃土隧道施工的首選工法。

（2）我國黃土隧道多隸屬于Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖，其圍巖壓力算術(shù)平均值分別為83 kPa和219.5 kPa，且大斷面黃土隧道圍巖擾動(dòng)范圍多在10 m以上。

（3）黃土隧道開挖后，其圍巖壓力時(shí)程效應(yīng)顯著，主要經(jīng)歷快速增長－緩慢增長－趨于穩(wěn)定三個(gè)階段，受分部開挖過程影響顯著，其中快速增大階段結(jié)束后圍巖壓力監(jiān)測值往往超過了最終結(jié)果的三分之二之多，且黃土隧道圍巖壓力隨時(shí)間變化影響較長，多存在一定的長期流變荷載。在黃土隧道設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期流變荷載。

（4）黃土隧道圍巖壓力最大值可能出現(xiàn)在洞周的任一部位，但拱肩位置和拱腰位置出現(xiàn)頻率最高，與隧道設(shè)計(jì)規(guī)范建議的圍巖荷載作用模式是一致的。