银西高铁黄土塬区古土壤围岩隧道含水率变化特性研究＊

刘 涛，章 洵，李 昕，赵永虎

（1.银西铁路有限公司，宁夏 吴忠 751100；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

银川至西安高速铁路（以下简称“银西高铁”）是我国“八纵八横”高速铁路网中“包海通道”的的重要组成部分，受黄土地区地形地貌、线路方案等多种因素限制，银西高铁在穿越巨厚层黄土塬时多采用隧道形式，古土壤作为黄土层中特殊的层状岩土体，具有节理发育、强水敏性等特征[1]，在穿越黄土塬时早胜三号隧道洞身长段落为古土壤层，因此，古土壤围岩隧道工程的施工进度及其安全施工成为银西高铁隧道的关键性因素[2]。

在影响隧道施工安全及进度的诸多因素中，地下水位埋深设及围岩含水率变化成为影响黄土隧道安全、快速施工的关键因素之一[3]。因此，国内不少学者针对隧道富水特性对开挖、支护等施工过程的影响开展了较多研究。王国强[4]以G312线黄土区祁家大山公路隧道为对象，分析了隧道围岩含水率变化对围岩结构强度的影响机理。苏春晖等[5]以郑西客运专线张茂富水黄土隧道为例，采用数值仿真分析了隧道围岩含水率变化对隧道变形和稳定性等方面的影响。陈福江[6]分析了围岩含水率对黄土抗剪强度、压缩模量等参数及对隧道形态的影响规律。田俊峰等[7]以山西阳曲1号黄土公路隧道为例，研究了不同施工工法、不同开挖进尺等因素对高含水率黄土隧道的影响规律，最终得到了含水率与围岩稳定系数之间的关系。蔡剑[8]基于数值仿真分析了大断面黄土隧道在不同埋深、不同含水率条件下的围岩特性曲线变化规律，最终提出了在不同含水量、不同埋深条件下隧道围岩变形的时空效应。王钎[9]以宝兰客专某黄土隧道为例，通过现场监测和数值仿真研究了大断面高含水量黄土隧道初期支护的力学特性。周平等[10]分析了围岩含水率对昔格达地层隧道围岩稳定性的影响规律。姚威[11]分析了在高地应力深埋隧道开挖过程中平行导洞施工对主洞的变形影响规律。赵永虎等[12]对黄土隧道围岩含水率在施工前期内的变化规律进行了研究。刘俊平[13]综合论述了董志塬区地下水分布对银西高铁隧道工程施工的主要不良影响。综上，目前针对围岩含水率对隧道的影响研究主要采用数值模拟方法，在围岩含水率较高地段掌子面开挖后取样进行室内试验分析，并未开展隧道内的长期观测，在整个施工周期内针对黄土隧道围岩含水率现场监测方面的研究开展的较少。

鉴于此，本文以黄土塬区在建银西高铁沿线早胜三号隧道为例，基于现场实际监测，在隧道整个施工周期内对古土壤层围岩含水率的变化规律进行研究，并提出针对性施工建议，以便为黄土地区银西高铁隧道工程快速施工提供技术指导，也为黄土地区特殊地层围岩隧道安全施工提供借鉴。

1 工程概况

早胜三号隧道位于甘肃省庆阳市宁县境内，基本走行于黄土梁塬沟壑区（如图1所示），为银西铁路控制性工程。隧道设计为双线单洞，断面直径最大为15.2m，开挖面积约为160m2，为在建最长大断面全黄土隧道。隧道最大埋深约210m，最小埋深约10m。

隧道浅埋地段累计里程2570m，约占总里程23%，为V级围岩，岩性主要为第四系上更新统风积黏质黄土(Q3eol)，主要采用三台阶预留核心土工法施工。洞身主要地层为第四系中更新统风积黏质黄土(Q2eol)及成层分布的古土壤层，黏土矿物含量高，具弱膨胀性、高水敏性特征。以古土壤地层为主要岩性的隧道里程累计达8555m，约占总里程76.6%，围岩等级为IV级，主要采用三台阶法施工。

隧道区地下水类型主要为第四系松散层孔隙水，含水层主要为中更系统黄土，既有孔隙潜水的一般特征，还具有裂隙水的水力性质，导致结构疏松，孔隙率高，是地下水的主要储存和运移通道。地下水位线位于IV级围岩洞身以上，且受洞身附近杨家堡水库等3座水库及泉水等的下渗，因此，隧道施工中易出现突涌水、渗漏、坍塌等病害，属于II级高风险。因此，对施工期间隧道围岩含水率的及时监测与分析，可以为隧道安全施工提供科学依据，如图1所示。

2 测试方法及断面布设方案

2.1 测试方法

此次现场测试项目包括围岩体积含水率和钢拱架应力2项。其中围岩体积含水率测试采用TDR水分传感器，钢拱架应力采用表面应变计进行测试并换算可得。用数采仪可采集到各点在不同时间段的应变值，在室内经换算后可得到各点各时段的钢拱架应力值[10]。

2.2 断面布设方案

水分传感器和表面应变计在现场断面的监测位置包括拱顶、左右拱腰、左右拱脚和仰拱底部中心共6个部位，现场断面监测点布设如图2所示。

图2 断面测试元件布设位置

测试断面选择在早胜三号隧道DK186+325里程处，埋深约为70.9m，原始地下水位高出拱顶约63.4m，附近为惠家堡水库，因此，施工中受地下水的影响极大，为保障施工安全，施工期间进行连续排水。图3为早胜三号隧道1#斜井围岩现场监测地质纵断面图。

图3 早胜三号隧道围岩现场监测地质纵断面

3 监测数据分析

3.1 围岩含水率

图4为早胜三号隧道DK186+325断面围岩含水率的时程曲线，从图中可知，不同部位处围岩含水率随时间变化具有一定的差异性，拱顶围岩含水率呈“增大-减小-增大-平稳”的四阶段变化趋势，而拱腰部位围岩含水率呈“增大-平稳-增大-平稳”的四阶段变化趋势，仰拱部位围岩含水率呈“线性急剧增大-缓慢增长-平稳”三阶段变化趋势，拱脚部位围岩含水率呈“线性增大-平稳”两阶段变化趋势。围岩含水率出现差异性变化的主要原因是随着围岩开挖暴露和封闭的循环施工，使得隧道围岩裂隙水沿着隧道衬砌层逐步渗流与汇集，不同部位的围岩的节理差异等导致的。

从空间差异性来看，含水率趋于稳定后仰拱和拱脚部位围岩含水率均大于拱顶和拱脚处，且仰拱处含水率增幅在整个断面呈最大，这是由于该段落正处于水库中心位置，隧道开挖过程中裂隙水渗透性较强，初期支护的混凝土封闭成环后围岩四周的裂隙水等地下水沿着混凝土外侧土体节理、裂隙等下渗后汇聚到仰拱处，加之隧道内混凝土养护施工用水等汇聚，故在仰拱及拱脚部位的围岩含水率及其增幅远大于拱顶和拱腰处。

研究表明，含水率的增大会显著降低围岩土体的物理力学性质，进而影响围岩强度，最终有可能对隧道稳定性造成影响[14]。因此，对于黄土隧道，掌子面开挖后及时进行初期支护、实施二次衬砌对确保隧道围岩稳定性具有重要的意义。

图4 围岩含水率时程曲线

3.2 钢拱架应力

图5为早胜三号隧道DK186+325断面钢拱架应力时程曲线，可以看出，各监测点均为负应力值，表明钢拱架以承受压应力为主。拱顶处压应力值最大，稳定后达到-87.5Mpa，左侧拱腰处压应力值次之，达到-73.9MPa，而其余位置处钢拱架应力值较为接近，在-10～-30MPa之间变化，由此可见，该隧道断面初衬钢拱架主要受隧道拱顶和左侧拱腰处方向的主应力作用较大。

从钢拱架应力的时间变化角度来看，拱顶和右拱腰处钢拱架应力在仰拱开挖前的18d内增幅较小，待仰拱开挖后的6d内近似呈线性增大，直至二衬施作后趋于稳定。拱腰和仰拱处钢拱架应力增幅较小，增长期亦在2周内，二衬施作时已基本稳定。因此，从初期支护到二衬施作前钢拱架在发挥承受围岩压力、保证围岩稳定性方面起到重要作用。

图5 钢拱架应力时程曲线

3.3 围岩变形

图6为早胜三号隧道DK186+325断面围岩变形时程曲线，从图中可知，深埋古土壤隧道的沉降收敛变形整体上呈线性增大后趋于稳定的两阶段变化趋势。上台阶开挖约7d后拱顶沉降趋于稳定，最终沉降量为33.5mm，拱腰处沉降与水平收敛仍在增大，直至12d后趋于稳定，最终水平收敛量和沉降量分别为72mm、70mm。中台阶开挖后2d内边墙水平收敛量略大于边墙沉降量约3mm，在3～8d内边墙沉降量略大于边墙水平收敛量约2～3mm，之后边墙水平收敛量又略大于边墙沉降量约2～5mm，最终边墙水平收敛量与沉降量分别为71mm、66mm。下台阶开挖7d后墙脚水平收敛与沉降变形趋于稳定，二者变形量分别为46.5mm、43mm，且整个断面的围岩变形速率均小于2mm/d，累计变形量和变形速率均满足规范要求，即该监测断面围岩从上台阶开挖约2周后变形整体达到稳定，即可进行后续仰拱施工。

图6 围岩变形时程曲线

对比分析发现，整个监测段面拱顶沉降远小于其余各部位沉降变形及水平收敛，即深埋古土壤隧道围岩变形以拱腰和边墙部位的变形为主。变形稳定后拱腰位置的水平收敛和沉降变形最大，其次为边墙部位的水平收敛和沉降变形，之后为墙脚部位的水平收敛和沉降变形，最小的是拱顶沉降变形。整体来看，拱腰、边墙和墙脚处围岩的水平收敛变形略大于对应沉降变形。因此，在施工过程中应特别重视围岩收敛变形对整个隧道稳定性的影响。

4 施工建议

对于在建的大断面古土壤隧道，在隧道埋深、地质条件、施工方法等基本不变的工况下，影响隧道围岩稳定性、对施工安全和进度起到控制性作用的因素主要是围岩含水率变化和初期支护措施，因此，在施工过程中需要注意采取以下措施。

1)实时监测掌子面围岩含水率变化在地下水位较高、富水地段或施工过程中在掌子面含水率突增或明显异常情况下，应立即查明原因，并结合地质超前预报和围岩监控量测方案，采取必要预支护、预加固措施，以防止由于含水率增大导致围岩强度下降或变形加剧，甚至出现突涌水、掉块等事故。

2)掌子面开挖后及时施做初期支护，采用钢拱架、钢筋网片、喷射混凝土综合措施，尽早使得开挖面形成封闭圈，减小掌子面开挖后暴露时间，以控制围岩出现大变形，应特别注重拱腰和边墙处的水平收敛与沉降变形。

3)在整个施工过程中应重视防排水措施，仰拱尽量少积水，保证在施工期间隧道围岩少受地下水和施工积水的影响。总之，对于大断面黄土隧道，应该形成“勤测含水率、重视防排水、加强初支”的一种施工理念。

5 结论

本文通过现场监测，对古土壤围岩隧道施工期内围岩含水率、钢拱架应力及围岩变形规律进行了研究，得到如下结论：

1）古土壤隧道围岩含水率具有明显的时空效应，在时间上呈“增大-波动-平稳”的三阶段变化趋势，含水率趋于稳定后仰拱和拱脚部位围岩含水率均大于拱顶和拱脚处，且仰拱处含水率增幅在整个断面呈最大；

2）钢拱架主要承受压应力，拱顶和拱腰位置的钢拱架压应力最大，钢拱架在施工期内承受围岩压力、确保大断面古土壤隧道围岩稳定性方面发挥着重要作用；

3）深埋古土壤隧道围岩变形以拱腰和边墙处的水平收敛和沉降变形为主，拱顶沉降变形较小。

需要说明的是，受监测时间限制，本文得到的规律性仅为测试断面近2个月内的数据，但原始地下水位较高的深埋隧道在施工期间采取了降排水措施，因此，待隧道贯通、地下水位恢复后可能会引起围岩的含水率发生重分布，由此可能会引起钢拱架应力发生变化，因此，尚需对围岩含水率及钢拱架应力进行长期监测，以便为运营期内围岩含水率及地下水位的变化规律进行深入分析。