红黏土隧道围岩含水率变化及变形特征分析

2019-09-03赵永虎米维军赵庆伦罗浩洋苗学云

铁道建筑 2019年8期

赵永虎，米维军，赵庆伦，罗浩洋，苗学云

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000；2.中国中铁科学研究院有限公司，四川成都 611731；3.中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511458；4.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

银西高速铁路是我国高速铁路“八纵八横”线路网的重要组成部分，受线路规划方案和地形地貌限制，银西高速铁路在跨越董志塬区时多以隧道方式通过塬边[1]，在甘肃陇东庆阳地区需要经过长达12.54 km 的红黏土地层。由于红黏土为碳酸盐类岩石经风化形成的棕红色高塑性黏土，在干燥条件下结构致密、强度很高，遇水后强度迅速降低，还会收缩变形[2-4]。因此，国内技术人员对我国区域性红黏土的基本物理力学特征及其工程特性开展了大量工作，并取得丰硕成果[5-7]。由于红黏土的工程性质不同于一般黏土，土体含水率的变化会直接影响隧道的稳定性、地表的沉陷等[2]，然而目前国内在红黏土地层中进行隧道施工的经验相对匮乏，复杂的地质条件给以红黏土地层为洞身主要围岩的庆阳隧道施工造成较大影响。

因此，本文以已建银西高速铁路董志塬区庆阳隧道为例，通过现场监测，分析从初期支护开始近2个月内红黏土围岩的含水率、钢拱架应力和围岩变形的变化规律，以便为类似红黏土隧道安全施工提供参考。

1 工程概况

庆阳隧道经过甘肃省庆阳市庆城县境内，位于董志塬区北塬，为双线单洞隧道，总长 13 936 m。隧道最大埋深约248 m，最小埋深20 m。隧道最大开挖断面面积为164.09 m2，红黏土段落长达12.54 km，占隧道总长的90.0%，属于Ⅱ级高风险隧道。

庆阳隧道经过的地层主要为第四系全新统堆积层、第四系上中更新统风积黄土、新近系上新统红黏土等。其中：红黏土为洞身主要地层，属于Ⅳ～Ⅴ级围岩。红黏土自由膨胀率40%～66%，具有弱膨胀性。

隧道洞身位于地下水位以下80～112 m，因此在施工过程中易产生冒顶、涌水等工程地质问题。主洞Ⅳ级围岩段采用三台阶施工法，Ⅴ级围岩段采用三台阶预留核心土法施工。为防止围岩出现掉块、坍塌等，掌子面开挖时采用小导管超期预加固，并用钢拱架、钢筋网片、喷混凝土等进行初期支护。

2 现场监测

2.1 测试仪器

现场监测项目包括围岩体积含水率、钢拱架应力和围岩变形3项。围岩体积含水率测试采用基于时域反射技术的水分传感器，通过埋设到围岩中的传感器采集介电常数进行信号转化后，通过专用数据采集仪直接读取土体体积含水率。钢拱架应力采用表面应变计。围岩变形采用全站仪。

2.2 断面及测点的布设

围岩含水率和钢拱架应力测点布设在拱顶、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚、仰拱共6个部位。监测断面选择在DK268+204处，属于Ⅳ级围岩段，埋深约284 m，洞身为硬塑状红黏土。

在施工期内同时对监测断面的拱顶沉降和水平收敛进行监测，水平收敛测点布设在拱腰、边墙和拱脚。当监测位移速率趋于0时即可认为变形趋于稳定，停止监测。

3 监测结果与分析

3.1 围岩含水率

庆阳隧道施工期间监测断面围岩体积含水率时程曲线见图1。可以看出：①从初期支护开始近2个月内围岩含水率在时间和空间上均呈现出一定的规律性。随着施工时间的延长，除拱顶含水率呈先增大、后减小、然后趋于稳定3个阶段变化外，其余监测部位围岩含水率均在一定范围内先增大，经过一段时间(大约1～2周，最多3周)后逐渐趋于稳定。整体来看，围岩含水率经历变形增大和趋于稳定2个阶段。②若将监测断面各部位围岩含水率从开始变化到稳定所经历的时间定义为“含水率增长波动期”，则拱腰处围岩含水率增长波动期明显小于拱脚处，而拱顶和仰拱处围岩含水率增长波动期基本一致。③监测断面除仰拱外，其余部位初始含水率比较接近，但稳定期拱顶和拱腰处围岩含水率明显小于拱脚和仰拱处。增长波动期的增幅也有所不同，拱脚和仰拱处围岩含水率增幅也高于拱顶和拱腰处。整体来看，稳定期仰拱处围岩含水率在整个断面中数值最大。

图1 围岩体积含水率时程曲线

3.2 钢拱架应力

图2 钢拱架应力时程曲线

庆阳隧道施工期间监测断面钢拱架应力时程曲线见图2。可以看出：①红黏土隧道钢拱架整体上承受压应力，钢拱架应力先增长而后趋于稳定。拱顶和拱腰处钢拱架应力增长期在4周左右，而仰拱和拱脚处钢拱架应力增长期在1周左右。②拱顶和拱腰处钢拱架应力明显大于拱脚和仰拱处。这是由于隧道开挖后引起围岩应力重分布，喷射混凝土硬化前钢拱架承受大部分围岩压力；当喷射混凝土达到设计强度后，钢拱架与混凝土一起承受围岩压力。因此，钢拱架在整个初期支护中承受围岩压力，对确保红黏土隧道围岩的稳定起到重要作用。

3.3 拱顶下沉及水平收敛

庆阳隧道施工期间监测断面拱顶沉降和水平收敛时程曲线见图3。可以看出：隧道围岩拱顶沉降和水平收敛整体上经历线性增长和趋于稳定2个阶段。线性增长阶段拱顶和拱腰处围岩变形最大，2周后拱顶和拱腰处围岩累计变形达到35.2～36.0 mm，然后趋于稳定；越往下围岩累计水平收敛越小，达到稳定后边墙和墙脚处累计水平收敛最大值分别为27.1，11.7 mm。即从整体上来看，变形稳定后红黏土隧道拱顶沉降大于水平收敛。

图3 测试断面拱顶沉降及水平收敛时程曲线

由图3还可以看出，拱顶沉降和拱腰处水平收敛达到稳定的时间在2周左右，边墙水平收敛10 d后达到稳定，而墙脚处水平收敛达到稳定的时间仅有4 d，即从下台阶开挖4 d后即可开挖仰拱，仰拱施作完毕初期支护封闭成环2 d后整个断面拱顶沉降和水平收敛基本达到稳定。

综合来看，红黏土隧道围岩含水率、钢拱架应力及围岩变形在整个施工期出现近似同步的增长期，只是围岩变形增长期相对于围岩含水率和钢拱架应力的增长期短2周左右。从初期支护到仰拱开挖前，钢拱架应力和围岩变形急剧增大，仰拱开挖后围岩变形趋于稳定，而钢拱架应力仍在增长，施作二次衬砌时达到最大值的84%，之后增长速率减缓，二次衬砌拆模后约2周钢拱架应力趋于稳定，这说明钢拱架承受围岩压力，对保持隧道围岩的稳定起着重要作用。

4 施工建议

对于红黏土隧道，在隧道埋深、地质条件、施工方法等基本不变的情况下，对施工安全、施工进度和围岩稳定性起控制作用的因素主要是围岩含水率和初期支护措施。因此，在施工过程中须采取以下措施： ①实时监测掌子面围岩含水率变化情况，对含水率突增或明显异常情况立即查明原因，以防含水率增大导致围岩强度下降或出现较大变形；②掌子面开挖后应及时施作初期支护，采用钢拱架+钢筋网片+喷射混凝土综合措施，必要时辅以小导管超前加固后再开挖，以防支护时间滞后引起松动圈扩大；③在整个施工过程中重视防排水，仰拱不能出现积水，保证在施工期间隧道围岩不受地下水和施工积水的影响。总之，对于红黏土隧道，应勤测含水率、重视防排水、加强初期支护。