吕梁山西麓三趾马红土铁路隧道围岩分级研究

2014-05-30蔡云廷王家鼎

铁道标准设计 2014年5期

郭乐，蔡云廷，王家鼎

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251;2.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，西安 710069)

随着国家铁路网和高速公路网的不断完善，国家中西部开发的不断深入，黄土高原地区的基础设施建设逐年增加，大批的隧道工程正在建设或陆续开工建设，其中涉及土质围岩的隧道工程大幅增加。过往，土质围岩主要分布在洞口、浅埋段，在整个隧道长度中所占比例较少，对工程工期和投资风险影响有限。目前越来越多的长大隧道工程大段落穿越土质地层，如山西中南部铁路通道工程临县隧道(10.632 km)和石楼隧道(12.807 km)约50%洞身穿越三趾马红土地层，且最大埋深达220 m，表现出土质围岩连续长度大、埋深较深的特征。

三趾马红土广泛分布于黄土高原地区，其中吕梁山西麓地区三趾马红土地层由于其沉积厚度大、连续性好、典型剖面多，历来为三趾马红土研究的热点地区［1］。山西中南部铁路通道工程吕梁段走行于吕梁山西麓黄土梁峁区，大量隧道工程穿越三趾马红土地层，受裂隙孔隙水影响，三趾马红土的物理力学特性发生变异，围岩强度、稳定性降低，引起初期支护结构变形、失稳，严重影响隧道施工安全和进度。

目前关于三趾马红土的研究主要集中在沉积学、微形态学，土壤学、岩石磁学和地球化学等方面的研究［2］，关于其工程地质特征及岩土力学性质方面的研究较少，有关三趾马红土围岩分级的研究更是寥寥无几。针对三趾马红土隧道的工程地质新问题，大力开展室内试验、现场监测以及施工试验段研究，对三趾马红土物理力学特性及围岩分级定量化进行研究。

1 土质围岩分级研究现状

在国内外众多的隧道围岩分级方法和体系中，对于岩质围岩分级的研究相对比较成熟，但对特殊地质条件下围岩分级考虑还不完善和充分［3，4］，例如膨胀岩、土质围岩等。仅有我国铁路隧道设计规范对土质围岩进行了较详尽的分级，并从工程地质条件、土体结构特征和完整状态进行定性描述和评价。由于分级指标是描述性的、定性的，未考虑土质的物理力学指标，在使用上有主观性，分级的准确性较差［5-7］。在学术研究领域，对土质围岩级别划分的定量研究也相对薄弱，仅见少量文献对一般黏性土及砂类土质围岩级别的定量研究［8，9］。

土体相比于岩体，具有碎散性、大孔隙、低强度、自稳性差、对地下水作用敏感等特征，且土体中也存在大量的不同规模、不同成因、不同性质的结构面，影响着土体围岩的强度、稳定性。地下水影响主要是根据地下水状态采用降级处理方法，但地下水的特征描述和降级标准更适用于岩质围岩分级。综上，目前的地下工程土质围岩分级仍处于经验分级阶段，尚需进一步完善和定量化。

2 三趾马红土的物理力学性质

2.1 三趾马红土粒度及微结构特征

研究区三趾马红土粒度分布曲线表明(Mastersizer2000型激光粒度仪，湿法测量)，土体以黏粒和粉粒(＜50 μm)为主，约占总含量的95%以上，且以粉粒(5～50 μm)占优势，黏粒(＜5 μm)含量在37% ～43%，比例也很高，决定了其物理、水理性质的特殊性。显微结构(FEI Quanta400 FEG环境扫描电子显微镜)分析表明，三趾马红土孔隙不发育，骨架颗粒往往被凝块状或絮凝状胶结物嵌埋而轮廓不清，骨架联结强度较高，土体结构较致密。见图1、图2。

图1 粒度分布曲线

图2 1 600倍镜下微观结构

2.2 三趾马红土物理力学指标

天然状态下三趾马红土由于埋深较深形成年代较久而具有一定的超固结性和压密性，但仍可在室内用环刀制备土工试验的原状样品。通过土工常规试验得到其基本物理力学指标，如表1所示。可见三趾马红土按塑性指数分类属于粉质黏土，在天然状态下具有天然重度大、孔隙比小、压缩性低的显著特征。

表1 三趾马红土物理力学指标

2.3 三趾马红土强度特性

为了研究三趾马红土的强度特性及其在水作用下的变化特征，现场采取原状样品进行不同含水量下的三轴不固结不排水试验。试验所选用的含水量为天然含水量、塑限含水量、塑限含水量+2%含水量以及饱和含水量。

图3和图4表明，三趾马红土强度很高，不同含水量下内摩擦角 φ 为 10.9°～26.9°，黏聚力 c为 186.7～360 kPa。三趾马红土的黏聚力c和内摩擦角φ均随着含水量的增大而减小，当含水量超过塑限时，强度指标c、φ出现突变，减小幅值增大，当含水量达到塑限+2%(约20.5% ～21.3%)以后，减小幅值出现回落。强度指标c、φ的突变和下降表明水是影响三趾马红土强度的一个重要因素，且［ωp，ωp+2%］的含水量区间是三趾马红土力学性质突变的区间，也是围岩质量开始恶化的区间。

图3 黏聚力与含水率关系曲线

另外，虽然在水的作用下黏聚力逐渐降低，但是仍处在较高区间，而隧道开挖过程中仍然频发掉块、小坍塌，表明其强度和稳定性不仅与地下水有关，而且受三趾马红土的裂隙结构以及砂土夹层等因素影响。

图4 内摩擦角与含水率关系曲线

3 三趾马红土围岩分级影响因素

3.1 地下水作用

地下水是影响土质围岩稳定性的重要因素。水的作用主要表现为溶蚀土体和结构面中易溶胶结物，潜蚀充填物中的细小颗粒，使土体软化，强度降低，同时增加动、静水压力等作用。这些作用对围岩稳定性的影响可采用修正法、降级法、限制法等进行反映。隧道开挖后因渗流路径的增加、水力坡度的改变将影响围岩的含水状态，并直接导致围岩力学性质弱化，稳定性大大降低。根据三趾马红土掌子面含水情况分为4种状态，如表2所示。不同含水状态下土体强度差异较大，具有不同的围岩稳定性，需采取不同的支护加固措施。

表2 三趾马红土含水状态

对于无水稍湿状态的三趾马红土属于典型的“硬土”，具大块状压密结构，按照Ⅳ级围岩初支及二衬参数进行施工，初支结构拱顶下沉变形、侧壁收敛变形量及变形速率监控量测结果均表明围岩稳定，工程安全可靠，技术经济效果良好。

对于潮湿状态的三趾马红土，现场开展Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩试验段研究，分别采用格栅钢架与喷锚支护和型钢钢架与喷锚支护的初期支护措施进行对比分析。监控量测显示，当采取Ⅳ级围岩初支措施，拱顶下沉及侧壁收敛变形不收敛，初支变形量较大甚至侵占二衬界线，围岩往往处于不稳定变形发展中，塌方风险很高;而采取Ⅴ级初支措施后，拱顶下沉、侧壁收敛变形均较快趋于收敛，能够保证围岩的稳定性。对于潮湿状态的三趾马红土往往存在滞后性渗滴水作用，土体含水量有进一步增大的发展过程，实践表明，只有按照Ⅴ级围岩支护参数进行支护加固，才能保证施工安全和进度。

饱和状态和过饱和状态下三趾马红土主要为地下水位以下段落，当掌子面位于土石分界或揭露砂土夹层时，水量一般较大，地下水状态分级为Ⅰ～Ⅱ级，局部达到Ⅲ级。针对水量较小的Ⅰ级富水段开展Ⅳ级围岩试验段施工，结果三趾马红土围岩初支出现大变形，格栅钢架甚至被压扭曲，拱顶出现不同程度的坍塌，严重威胁施工安全和工程质量。现场及时调整围岩级别，按照Ⅴ级围岩支护措施进行施工，有效遏止了围岩变形，工程效果明显。

3.2 裂隙作用

岩体结构控制论已为学界和工程界普遍认同。对于裂隙发育的土体，结构控制论同样适用。虽然土块本身力学性质在土体受力变形中也起着决定性的作用，但在隧道工程中围岩土体处于重分布应力状态，结构面的影响不能忽视。据前人研究成果及现场开挖揭示，三趾马红土围岩的裂隙主要为延伸较差的节理、层面、次生裂隙，长度为几厘米至数十厘米，以及规模更小的微层面、微裂隙等，其连续性一般较差。根据隧道开挖掌子面统计，其裂隙发育特征见表3。

裂隙对围岩稳定性的影响往往耦合地下水的作用，其机理为隧道开挖后围岩应力重分布，围岩土体发生弹塑性变形，原生节理裂隙随之呈微张～张开状，随着洞周土体逐步松动土体渗透性增强，地下水渗流作用增强。在这一过程中水的渗流增强导致了土体强度大大降低，围岩土体变形加大。随着时间的进展，松动圈土体及局部应力集中部位出现掉块、小坍塌甚至较大规模坍塌，围岩应力逐步释放，致使初期支护围岩压力增大且受力不均匀，最终表现为初期支护的格栅钢架变形，喷射混凝土开裂、渗水、掉块。

表3 三趾马红土裂隙发育特征

另一方面，室内三轴和直剪试验结果均表明，三趾马红土强度参数很大，其平均黏聚力达300 kPa，表现出很高的黏聚力。但由于试样尺寸的限制，试验结果所反映的土体强度绝大部分是土块的强度，不能体现裂隙发育的土体整体的强度。大型室内直剪试验和现场原位剪切试验表明，三趾马红土土体强度相比土块的强度大大降低，土体黏聚力下降达56% ～78%。由此可以清楚地看到土体中普遍发育的各种微小结构面对土体强度影响巨大，在工程中应予以足够的重视。

裂隙的存在不仅破坏了土体的连续性、大大降低土体的强度，而且容易造成应力集中，其不利组合直接控制了掌子面土体掉块、坍塌情况。裂隙在降低围岩整体的力学性质的同时增大了土体的渗透系数，有利于地下水的渗流。现场施工中，裂隙发育～很发育的段落在隧道开挖过程中频繁剧烈的掉块、坍塌，加上地下水的耦合作用，三趾马红土围岩稳定性加速恶化，设计施工按照Ⅴ级围岩进行初期支护，有效提高了围岩的稳定性。

3.3 砂土夹层作用

三趾马红土地层并不是均质的，隧道开挖揭示在该套地层中发育大段落的细砂、细圆砾土薄层、透镜体，并且多具水平层理、粒序层理，反映了冲积成因环境。隧道开挖揭露砂土层发育特征见表4。当掌子面发育两种不同岩性的地层时，围岩稳定性受控于其组合及其最薄弱环节，对于粉质黏土与砂土地层组合砂土层的分布和含水情况控制围岩分级。砂土层黏聚力低易坍塌，当位于拱部、拱腰边墙时，且其厚度超过0.5 m就会对围岩稳定性产生显著影响;另一方面砂土层相对富水，掌子面揭露砂土层时往往加速了渗滴水过程且加大了渗水量值，影响围岩稳定性。

现场施工揭露砂土层主要包括两种状态，一种为砂质较纯且单层厚度较大，最大达1.5 m，含水量高易坍塌;另一种为与粉质黏土呈互层状态产出，单层厚度0.1～0.5 m，砂土黏粒含量较高，呈潮湿状态，具有一定的自稳能力。对于第一种状态的砂土层，其分布位置对围岩稳定性影响最大。当其位于拱部时，设计施工按照Ⅴ级加强支护，效果良好;当其位于中台阶边墙及下台阶时，按照Ⅴ级围岩支护，效果良好。第二种状态的砂层对围岩稳定性的影响较之前者较小，仅当其位于拱部时围岩级别需调整为Ⅴ级，位于中下台阶时在潮湿状态下围岩级别下降尚不足一级。

表4 三趾马红土中砂土层发育特征

3.4 多因素叠加作用

三趾马红土隧道施工实践表明，其围岩稳定性并非单因素控制，而是由多因素叠加作用控制。三趾马红土形成年代较久，沉积于新近系以前基岩地层之上，处于新构造运动环境中，一般具超固结性，土体原生裂隙较发育。在隧道开挖后重分布应力作用下，围岩应力释放回弹，节理裂隙张开，地下水渗流加速，各种因素耦合作用，加速和加大了围岩强度降低的程度，围岩稳定性恶化，围岩级别降低;加之土体发育砂土薄层、透镜体，增强了土体的不均匀性和富水性，使得围岩质量进一步降低。

多因素叠加作用总体致使围岩质量降低1～2个级别，必须针对性采取加强支护结构措施。鉴于多因素叠加的复杂性，隧道围岩级别的划分和评定必须考虑开挖后隧道围岩所处的工程地质和水文地质环境，与设计施工一体化实现动态化、信息化要求。

4 三趾马红土隧道围岩分级探讨

4.1 均质三趾马红土围岩分级

隧道围岩分级向定量化参数发展是科学发展和工程实践的必然要求，特别是土质围岩分级目前仍处于经验分级的阶段，急需向定量化方向迈出一步。对三趾马红土隧道围岩分级据《铁路隧道设计规范》属于“具压密或成岩作用的黏性土，呈大块状压密结构”，围岩级别为Ⅳ级;考虑地下水状态修正，对于Ⅰ级出水状态、甚至硬塑状三趾马红土围岩级别按照Ⅳ级围岩设计施工，围岩稳定性差支护结构大变形;只有调整围岩级别为Ⅴ级方可保证工程安全。但是既有规范并没有充分考虑土体的力学指标和性质。

现场监测、室内试验以及工程施工实践均表明地下水是影响三趾马红土围岩质量的最重要因素，三趾马红土围岩分级应考虑土体的含水状态。研究选取常规试验最易获得的土的含水率及液性指数两项指标作为定量指标，并通过统计分析确定相应界限值，如表5所示。该方法在吕梁山西麓三趾马红土隧道工程实践中是可行的，更有待于新的工程实践检验与完善。

表5 三趾马红土隧道围岩分级

4.2 考虑多因素三趾马红土隧道围岩分级

三趾马红土地层往往不是均一岩性沉积，隧道工程往往遇到砂土、细圆砾土等薄层或透镜体以及原生裂隙发育及其组合情况，这些因素均会对围岩稳定性产生不良影响。结合现场监测、室内试验以及工程实践，在吕梁山西麓三趾马红土隧道工程实践中采用考虑多因素三趾马红土隧道围岩分级方法，如表6所示。该方法有待于新的工程实践检验与完善。

表6 考虑多因素三趾马红土隧道围岩分级

需要明确的是，对于地下水Ⅰ级富水状态下，土石分界、拱部厚度＜0.5 m、中下台阶砂层及裂隙发育的单因素对隧道围岩级别影响尚不能降低一个级别，但是支护结构措施需加强，定为Ⅴ1级以引起设计施工注意;对于地下水Ⅲ级状态下，无论砂层的位置，由于水量大且存在涌水流砂风险，围岩级别需研究确定。当掌子面出现各种因素组合作用时，应取最不利分级并加强针对性支护结构措施。