黄土塬区浅埋暗挖隧道慢坡段施工期围岩变形特征分析

2020-08-03苗学云范世鸿米维军赵永虎

铁道建筑 2020年7期

苗学云范世鸿米维军赵永虎

（1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；2.中铁一局集团有限公司，西安 710043）

近年来，随着西部大开发的不断深入及“一带一路”倡议的实施，国家公路、铁路等基础设施在西部地区建设力度进一步加大，穿越黄土地层的隧道也越来越多，在甘肃、陕西、河南、宁夏、山西、青海等黄土地区已有大量隧道建成并投入使用。这些隧道工程在建设过程中出现了一系列如深浅埋界线界定不一、围岩压力取值与规范差异较大、支护体系设计不合理、常规施工方法不适用等技术难题，导致在施工过程中出现掉块、渗漏、裂缝甚至塌方等病害，严重影响了隧道建设、运营安全和服役寿命［1-3］。

银西高速铁路在庆阳段董志塬2次穿越黄土塬区，塬边出现了众多的浅埋慢坡段［4-5］。浅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质体，如滑坡体、大型陷穴、冲沟等，这给隧道建设施工带来难度［6-7］。浅埋慢坡段由于地表距隧道开挖面距离不均，存在明显的偏压现象［8］，且隧道洞身同时穿越第四系上更新统和中更新统黄土层，在空间上岩土工程特性存在着明显的差异，隧道设计与施工过程中围岩的稳定性成为重点关注的问题。

国内学者对黄土隧道围岩稳定性展开了大量研究。李鹏飞等［9］基于现场实测数据分析了隧道围岩压力的分布规律。仇文革等［10］依托郑州—万州铁路新庄岭隧道，采用现场实测、数值模拟等手段对隧道稳定性和初期支护效果进行了研究；于清杨等［11］针对隧道偏压进行数值模拟，求出了偏压隧道对称位置的应力比值，定量分析其特征；周俊磊［12］统计分析Ⅳ级和Ⅴ级围岩隧道的监控量测数据，提出了围岩稳定性评价指标；汪明武等［13］针对围岩稳定性评价构建了可拓评价模型，为多重随机模糊性指标提供了评价的可能。

以往文献对具有典型黄土塬区特征且浅埋段较长隧道在施工期的变形特征研究较少。因此，选择银西高速铁路典型浅埋慢坡段，建立立体监测网，研究隧道施工期间围岩的变形特征。

1 隧道概况

银西高速铁路上阁村隧道位于甘肃省庆阳市宁县境内，进口位于黄家沟左岸斜坡上，出口位于街上村黄土塬顶，隧道全长6 483 m，最大埋深102 m，最小埋深5.5 m，双线单洞。隧道进口段（DK207+517—DK207+637）120 m及出口段（DK211+500—DK214+000）2500m，隧道埋深小于50 m，隧道纵坡以25‰坡率单面上坡，属于典型的浅埋慢坡段。隧址区岩性主要为硬塑状黏质黄土，围岩稳定性较差，Ⅴ级围岩。隧道进口端位于V形深切沟谷陡峻斜坡上，多发育滑坡、陷穴等不良地质体。

2 现场测试

2.1 试验段情况

为研究黄土塬区浅埋隧道慢坡段在施工期的应力、围岩含水率以及隧道内外沉降变化情况，课题组选取上阁村隧道银川方向出口端DK213+875为试验工点。监测端面（图1）处隧道拱顶埋深约8.8 m，隧道地表为第四系上更新统黄土，厚9.2 m，下覆第四系中更新统黄土。地下水位线距地表约66.4 m，该隧道断面处于地下水位以上。

图1 局部纵断面

2.2 测试元件布设

测试元件布设如图2所示。在监测断面拱顶、拱肩、墙脚以及仰拱中心布设了6组钢拱架应力计，用于监测初期支护钢拱架的应力变化，在相同位置埋设了6组TDR水分探头，用于监测围岩含水率变化。在隧道地表布设了1组沉降监测断面。

图2 测试元件布设

2.3 测试结果与分析

2.3.1 钢拱架应力

钢拱架应力时程变化曲线见图3。其中：正值表示受拉，负值表示受压。

图3 围岩钢拱架应力时程变化曲线

由图3可见：在施工期，钢拱架受到围岩压应力的影响，钢拱架应力先增长然后波动逐渐达到稳定状态。由于开挖时地层中应力得到释放，各部位应力均先向负值区增长然后逐渐趋于稳定。第18 d中台阶开始开挖，拱顶及左右拱肩两侧的应力进一步增大。受到地层偏压影响，在上台阶和中台阶开挖阶段，左拱肩应力变化值较大（变化量为54.22 MPa），拱顶次之（变化量33.75 MPa），右拱肩较小（变化量为16.7 MPa）。开挖至第42 d时隧道初期支护钢拱架封闭成环，下台阶开始开挖，地层应力进一步释放，监测断面钢拱架应力波动变化，开挖至第84 d应力进入稳定期。一方面是因为开挖面距监测断面距离较远，影响程度减小；另一方面开挖断面处的地层应力基本达到平衡。监测至第233 d，左拱肩的应力值最大（-65.84 MPa），拱顶次之（-35.38 MPa），左右墙脚最小（-6.84 MPa），左拱肩应力是仰拱中心的9.4倍。

2.3.2 围岩含水率

隧道围岩含水率时程变化曲线见图4。可见：①开挖改变了地层中水分迁移途径，水体逐渐向临空面聚集，从开始施工至第42 d，拱顶及拱肩含水率呈递增趋势，增长率为1.30%～8.42%。开挖下台阶时开挖面已扩大至全断面，使得地层中的水分进一步向围岩周边渗流，表现为围岩各部位含水率呈波动式增长。随着开挖面逐渐远离监测断面，影响程度逐渐减小，开挖至第118 d围岩含水率基本趋于稳定。②围岩含水率达到稳定期后，由于受重力作用的影响，拱肩含水率较低（19.9%～20.0%），在仰拱和墙脚处更容易汇集水分，右墙脚和仰拱中心含水率较高，分别为21.3%和22.5%。拱顶含水率介于两者之间，达到20.8%。这是由于拱顶距地表更近，更容易受到浅埋段地表水的浸入影响，且钢拱架也有“滞水”作用。

图4 围岩含水率时程变化曲线

2.3.3 测试断面累计变形

测试断面累计变形时程曲线见图5。可知：①拱顶沉降可分为3个阶段，前2个阶段的沉降速率远大于第3个阶段。其中第1阶段（第1～18 d，上台阶开挖）累计沉降量约125 mm，沉降速率大部分在2～5 mm/d，最大达到12 mm/d。第2阶段（第18～42 d，中台阶开挖）累计沉降达到225.7 mm，沉降速率大部分在2～4 mm/d，最大达到17.5 mm/d。第三阶段（第42～56 d，下台阶开挖）累计沉降量达到243.9 mm，沉降速率大部分在2～3 mm/d，最大达到2.8 mm/d，第42 d沉降速率约1.7 mm/d，即从掌子面开挖约6周拱顶沉降基本达到稳定。②隧道净空水平收敛基本呈线性增长趋势，收敛速率在1.6～3.9 mm/d，最终水平收敛量约89 mm。6周后收敛速率为2.1 mm/d。③隧道拱顶沉降与三台阶施工对应得比较好，净空水平收敛基本呈线性变化。对于浅埋暗挖隧道，拱顶累计沉降量是累计水平收敛量的2～3倍，因此，控制拱顶沉降是浅埋暗挖隧道的关键。

图5 测试断面累计变形时程曲线

2.3.4 地表沉降

该断面所在地表沉降时程曲线见图6。可以看出，隧道掌子面开挖后，地表累计沉降随着施工呈规律性变化。从变化量来看，隧道中线处最终沉降量为205.98 mm，左右两侧距隧道中线6 m处地表最终沉降量分别为191.78，201.63 mm，左右两侧距隧道中线12 m处地表最终沉降量分别为170.88，145.70 mm，左右两侧距中线18 m处地表最终沉降量分别为7.23，8.25 mm。可见，距离隧道中线越近隧道地表沉降量越大，向两边地表沉降量逐步减小。浅埋段隧道地表沉降总体上呈现“先线性增大然后非线性增大之后趋于稳定”3阶段变化，线性阶段沉降速率明显大于非线性阶段。开挖22 d后地表沉降基本趋于稳定。地表沉降影响范围为距隧道中线约18 m以内。