湿陷性黄土隧道围岩变形特性研究

牛彦平 胡少雷 徐永建

摘  要：湿陷性黄土的性质较为特殊，在水分侵入后其内部结构会发生明显的变形及破坏。该文通过分析我国某铁路湿陷性黄土隧道，对该工程施工期间内的钢拱架结构变形进行了实时的监测，该文详细的分析了该工程隧道围岩变形的特征，将其信息参数进行了精确的反馈，对其支护措施提出了详细的建议。希望能够为我国在此方面提供一些建议。

关键词：湿陷性黄土;隧道围岩;变形特性

中图分类号：U455   文献标志码：A

1 湿陷性黄土

1.1 黄土的湿陷性分类

湿陷性黄土一般情况下分为2类，一类是自重型的湿陷性黄土，一类是非自重型的湿陷性黄土。顾名思义，自重型的湿陷性黄土就是由于自身的因素，在黄土被水分浸湿后，由于上半部分的自重压力而产生的黄土湿陷。而非自重型的湿陷性黄土，在被水分浸湿后，尽管压力没有超过自重，也会发生湿陷现象。

1.2 湿陷性土壤的影响因素

内部因素，例如黄土本身的组成结构，矿物成分，颗粒，化学成分，水分含量，以及外界因素，风力，水分，水流压力等都是影响黄土湿陷性的主要因素。一般情况下，黄土的黏土的含量越多，黄土的湿陷性就越弱。同时黄土内部颗粒的直径对于黄土的湿陷性的具有一定的影响，当黄土内部颗粒的含量小于0.001 mm是其对黄土的湿陷性影响较大。此外，黄土内部黏力的分布对于黄土的湿陷性也具有较大的影响，如果黏粒分布在黄土的骨架颗粒之间，就能起到很好的胶结作用。其次，黄土内部的化学成分例如石膏、易溶性盐、碳酸钙等都对黄土的湿陷性产生了一定影响。针对黄土的赋存状态来说，当其化学组成以薄膜状分布时，就能够形成胶结物的组成，进而影响黄土的湿陷性。在外界条件的压力下，黄土内部的孔隙越大，视线系数越大，水分含量越高，湿陷系数越低。因为胶结物的颗粒含水量增加时，相对情况下的黄土压缩性就得到了提高。

2 工程概述

该文以我国某铁路的隧道工程为例，该工程位于我国某城市的村落之间。该隧道表现出露巨厚的第四系。该隧道周围的土壤经过日益累积的风吹雨晒，其黄土组成多为沙质为主，厚度大约在10 m～50 m。该工程隧道的起止里程为DK75+750-DK76+836，该隧道的全长为1 186 m，呈现出双线隧道，最大埋深高度深约61 m。该隧道的沙质黄土主要是由自重型湿陷性黄土组成，黄土湿陷性为二级，湿陷深度高达14 m。因此，该工程也成为了我国典型的湿陷性黄土隧道，并且该隧道呈现出不稳定性。

基于该隧道的黄土是线性以及不稳定的结构土壤，为了最大程度地防止在隧道开挖后发生围岩坍塌事故，相关施工人员也提出了一套完整的支护方案。该工程隧道采用复合式的趁机钢筋混凝土结构，在隧道的初期支护中采取锚喷支护，在进行混凝土的锚喷时，厚度控制在20 cm左右，标准情况下最小厚度不少于20 cm，该隧道的拱部不设置锚杆，隧道墙壁采用粘结性砂浆锚杆，之间的间距控制在20 cm左右。钢架两侧同样使用锚杆进行固定支撑。

基于湿陷性黄土隧道的结构复杂性，相关人员对于该工程隧道的围岩结构变形情况进行了实时的调查与分析。深入了解了湿陷性黃土隧道围岩的变形规律，对于研究人员及相关部门，对该工程后期的施工具有至关重要的推动作用，为我国相关企业有部门的建设也提供了参考。

3 湿陷性黄土隧道围岩的变形特性

在隧道进行开挖施工的过程中，导致围岩发生变形的影响因素有很多，围岩的变形破坏是一个暂缓漫长演变的过程。例如地下水分的状态，岩石的特性，施工方法，支护措施，施工时间等，都是引起隧道围岩发生变形破坏的原因。由于施工过程与地质因素在具体的实际施工中具有不确定性，因此在工程建设中很难对隧道围岩进行精确的把握与计算。然而从统计学出发，隧道围岩在空间分布中仍然具有一定的规律[1]。

根据隧道围岩的变形机制，围岩的变形可以分为材料变形与结构变形。其中结构变形主要是以地质特性和力学特征为基础，导致围堰结构面张开或闭合，从而发生变形破坏现象。而材料变形可以分为黏性变形，塑性变形和弹性变形。此外，根据隧道围岩的空间效应，围岩的变形可以分为掌子面后变形、掌子面前变形以及掌子面超前变形等。

在隧道进行施工的过程中，隧道原来的平衡状态会被发生破坏，从而引起隧道掌子面附近的围岩发生变形破坏。根据研究勘测所得，可以将围岩的变形破坏分为3个阶段。首先是隧道掌子面的超前变形，其次是隧道掌子面的后期变形，最后则是掌子面隧道的稳定变形期。

一般的施工条件显示到掌子面的超前变形占据围岩变形的1/4左右，隧道围岩的状态越差，掌子面超前变形的程度就越强，但是其所占总变形量的比率会变小。尽管在现有的条件下，在施工过程中并不能完全反映隧道围岩的变形机制，但是通过统计与分析可以监测出隧道围岩的变形速率以及其对施工过程的稳定状况的关系，做进一步分析后期的保障措施[2]。

4 仪器的布置与安装

4.1 测量仪器的布置原则

在进行仪器的布置时，严格按照预留核心土三台阶七步开挖法进行。为了能够提高围岩测定解和的大小和方向的准确性，该进行隧道的施工过程中每进行一步就要在隧道中间位置安装测试仪器，并且将其仪器产生的数据进行实时的收集整理。从而提高围岩勘察的效果，以此为基础，从而确定测量仪器的布置方案。

4.2 应变计的布置

应变计主要是以测量仪器宫内外的变形量为基础工作原理，因此在安装应变计时，需要测量拱顶内外侧两边的变形量。

5 监测数据分析

5.1 数据的采集

施工现场的数据采集主要是通过这显示的测量仪获得，通过该仪器测量施工过程中围岩的频率值，通过得到的数据可以计算钢拱架的应变量。

针对钢拱架的应变如下：

ε=K（F?-F0）+B                   （1）

式中：ε—结构物的应变量（10-6）。K—仪器标定的系数（10-6/F）。F?—测得的频模值（F）。F0—仪器的初始读数（F）。B—应变计的计算修正值（10-6）。

5.2 钢拱架的应力分析

针对于上文所提出的应变计的监测数据，可以获得隧道初期支护中钢拱架的应变量，根据下面所示的计算方式，可以计算出钢拱架的应力具体值。

σ=Eε               （2）

式中：E—钢拱架的弹性模量，取210 GPa。

ε—钢拱架应变。

经过实际勘察表明所得，钢拱架在安装初期时其应力变化较大，而当隧道的台阶发生一定变化时，钢拱架地应力也会随着隧道的台阶变化而出现数值的上下起伏。随着施工过程的不断进行，应力值也会逐渐趋近于一个稳定值。具体表现如下。1）针对于本工程在进行隧道上台阶的开挖时，已经在上台阶安装了应变计，隧道截面处的拱顶在内外两侧的应力状态处于平衡。在应变器及安装后的第一天施工时，监测人员发现其数值发生了突增，随后趋于缓慢的趋势。而随着施工的不断进行，该应力值持续在增加。随着隧道开挖工程的不断进行，在开挖过程进行到中台阶时，该应力值又出现了明显的增加，一周时间后该应变值下降。而在开挖过程进行到下台阶时，该应变值又出现了突然的增加。最后当開挖工程进行完毕时，拱架内外两侧的压力已经稳定在了标准数之内。在隧道开挖施工的过程中，左侧上台阶的截面处，其外侧的压力一直处于受拉状态，其拱架内部的压力一直处于受压状态。在施工过程进行的中台阶开挖时，拱架隧道外侧的压力都明显地出现了增加，其内侧的压力转变为了受压状态。随着隧道的施工该处的应力变化趋于平缓，内侧与外侧的压力值都分别稳定在了标准之内[3]。

隧道开挖施工的过程中，右侧上台阶的截面处，隧道外侧一直处于受拉状态。在隧道开挖施工进行中，内外侧两边的压力都在不断增加。而随着开挖过程的不断进行，施工进行到中台阶时，隧道两侧的压力有了明显的降低。随着施工的不断进行，另外，两侧压力又持续增加，最终该处隧道内外两侧的压力最终也稳定在了标准之内。 2）在进行隧道右侧中台阶的开挖施工时，研究发现在开挖施工进行后，隧道拱架内侧一直处于受压状态，而隧道的拱架外侧一直处于受拉状态。开挖进行前期两边的应力都在不断的增加，随着隧道开发过程的不断进行应力又缓慢减小，最终在进行下台阶的开挖时，隧道两侧的应力又在逐渐增加，隧道两侧的应力也稳定在了标准之中。在进行隧道右侧重台阶的开挖施工时，研究发现知道拱架内侧一直处于受压状态，而外侧一直处于受拉状态。随着开挖过程的不断进行，隧道拱架应力也在逐渐的增大，之后又趋于缓慢的回落趋势。随着开挖深度的不断深入，应力又出现了明显的增加。最终隧道内外两侧的压力的都稳定在了标准值内。3）在进行隧道左侧下台阶的开挖过程中，研究表明发现拱架内外两侧一直处于受压状态，随着开挖过程的不断进行，其应力也在逐渐减小，施工过程其应力值出现了一定的波动，最终也稳定在标准以内。

随着隧道右侧下台阶开挖过程的进行，通过研究发现拱架外侧处于受压状态，内侧由开始的受压状态逐渐转变为了受拉状态。隧道两侧的压力值也在缓慢的增加，最终稳定在了标准之内。

6 结语

通过对该工程隧道围岩变形特性的研究与勘察，可以得出以下结论：首先采取七步开挖法施工，可以很好地解决围岩变形问题。其次，在隧道开挖过程的进行中，要严格控制施工中间环节。最后研究发现在围岩处采取拱架支护做支撑，一定程度上可以提高施工效率，节约资金投入成本。

参考文献

[1]李骏. 黄土隧道围岩湿陷与衬砌结构相互作用机制及其评价方法研究[D].西安：西安理工大学，2019.

[2]李曦鹏. 超大断面新黄土隧道结构稳定性与基底湿陷性处理方法研究[D].兰州：兰州交通大学，2015.

[3]郑选荣. 西安地铁浅埋暗挖黄土隧道围岩变形特性及控制技术研究[D].西安：西安科技大学，2015.