高速铁路黄土隧道施工变形规律及预留变形量研究

马禧祥，陈 彦

引言

铁路隧道施工过程中的安全问题一直都是阻碍其发展的重要因素，相比于普通隧道而言，黄土隧道施工的不稳定因素更多，其施工过程中存在的安全隐患也更大。为提高高速铁路黄土隧道施工安全性控制，在施工前对地质核查显得尤为关键，经分析地质环境对隧道施工的影响规律后，制定合理的施工方案，可尽量避免黄土隧道施工过程中安全事故的发生。

在确定隧道条件、围岩等级和施工方法的变形储备时，目前一般采用工程类比法，研究中大多也停留在定性描述上，很少有定量分析。通常考虑开挖深度、隧道宽度和支护方式来确定预留变形量，但在铁路黄土隧道施工中分析表明并不完全适合。上面以银西铁路上阁村黄土隧道工程为例，通过现场实测和统计分析，分析其变形规律，研究其变形储备，为工程建设提供一些启示。

1 我国黄土分布情况及黄土特性

1.1 我国黄土分布情况

黄土在我国疆土上的分布范围是比较广博的，我国黄土分布面积约64万km2，占国土面积6.3%。主要分布在陕甘宁、新疆、吉林、黑龙江，在该地区修建高速铁路，黄土隧道的施工是在所难免的事情。当前我国已经完成的带有黄土隧道的铁路线有郑西客运专线，宝兰客运专线，蒙华铁路等[1]。银西铁路控制性工程上阁村隧道大地构造单位属中朝准地台的陕甘宁坳，该区以深厚的黄土覆盖，上伏第三系红黏土，白垩系为基底岩层，产状水平为主，褶皱和断裂不发育。

1.2 黄土基本特性

黄土颗粒成分以粉粒（直径为0.075～0.005mm）为主，约占50%～75%，几乎没有大于0.25mm的颗粒；成分均匀，一般无明显层理，有堆积间断的剥蚀面和埋藏的古土壤层；具柱状节理，垂直节理发育，直立性强；表层多具湿陷性，易产生潜蚀，形成陷穴。软塑黄土特有的物理力学性质，使得在软塑黄土地层中修建隧道时会存在渗漏水、变形、掉块、坍塌等施工风险。

2 高速铁路黄土隧道施工的难点

2.1 黄土的湿陷性

大部分黄土在浸水后，会受到上部土层本身重量的影响或者其他外界压力的附加，其本身结构会发生变化，进而导致存在的土壤发生极为明显的变形。在黄土隧道施工中，浅埋隧道地面扰动较大，加之地表降水的渗透易形成地表开裂，随着孔隙水的上渗土体自重加大，而黄土大孔隙、粘结性差的特点会加重湿陷上沉，对隧道土体结果造成破坏，形成破裂漏斗，初期支护受外力挤压变形，造成隧道坍塌或冒顶。

2.2 隧道洞口黄土偏压

黄土地区地形通常高低不平，甚至会有一些极为陡峭的地段，隧道在施工过程中容易在其洞口形成黄土层的偏压，在偏压和隧道开挖的双重作用上，随着围岩应力的释放，将导致隧道洞口段土体发生变形，进而出现一定的水平位移。黄土隧道围岩强度较低，一旦遇水软化将会产生隧道深埋侧山体产生上滑的偏压推力，对浅埋铡围岩产生挤压效应，导致地表开裂现象，在偏压力作用上，极易引起边坡失稳、溜塌。

2.3 部分黄土地段含水量高

在黄土隧道施工中，某些段落土体含水量过高，使围岩遇水后强度大幅度降低，黄土长期侵浸在大量的水分中，其性能结构会发生明显改变，围岩逐渐失去自稳能力，导致其土质中含有的水量越来越高，最终造成黄土由本身的脆性变为了更加容易变形的塑性[1]。会造成隧道支护承受的荷载越来越大，最终因为承载压力突破其极限值而发生变形，甚至是坍塌。

2.4 黄土地层中存在沙土层

黄土隧道施工过程中是比较容易遇到黄土地层中存在沙土层的状况，沙土层本身的土质与黄土地层的土质是存在较大差别的。尤其在其含水量上，沙土层本身就含水分较少，并且对于水分的存留能力也比较差。这样的土质特性会导致黄土层与沙土层之间的粘结不够牢固，一旦进行隧道开挖，沙土层无法与底部黄土层凝结在一起，隧道会更容易出现坍塌，而如果在此过程中又遇到外界水流的冲击，其土层就容易被水流带走进而出现黄土溜滑的状况。

2.5 局部冲沟、陷穴发育

黄土地区地表由于冲蚀千沟万壑，冲沟多为狭窄的V形横断面，沟缘明显，纵剖面倾斜陡急。同时由于黄土颗粒大、疏松多孔、易崩解、湿陷性强等特点，地表水由地面径流沿着黄土中的裂隙和孔隙上渗进行潜蚀，破坏了黄土的原有结构或使土粒流失、产生洞穴，最后引起地面崩塌所形成大量陷穴，对隧道施工危害极大。

3 黄土隧道施工变形规律

在隧道施工过程中，根据围岩等级布设了监控量测点，并开展了大量监控量测工作，收集汇总了相关监控量测数据，按隧道埋深、含水量变化、仰拱封闭情况分别对数据变化绘制了曲线图，并进行了分析，揭示了一定的变形规律。

3.1 隧道变形与隧道埋深的关系

3.1.1 拱顶上沉及速率与埋深统计图见图1。（1）经统计，拱顶上沉最大值51cm出现在隧道埋深20m处；（2）拱顶上沉超过20cm的数值全面分布在隧道埋深60m以内，其中有64%分布在隧道埋深30m以内，同时隧道埋深30m以内初支喷层开裂占全部开裂的63%。

3.1.2 净空变形特征值与埋深分布图见图2。（1）水平收敛最大值为18cm在隧道埋深40m处；（2）净空变形不论拱顶上沉，还是水平收敛随埋深分布呈现出浅埋变形大、深埋变形小的形态。

图2 净空变形特征值与埋深分布图

3.1.3 净空变形特征值与埋深分布图见图3。（1）净空变形特征值（上沉与收敛之比）平均值在埋深小于30m时达到5以上，埋深在30m～60m之间时达到3以上，60m～140m为1.3，即浅埋时上沉显著大于收敛，深埋时二者趋于接近；（2）净空变形特征值随埋深分布呈现出浅埋数值大、深埋数值小的规律。

图3 净空变形特征值与埋深分布图

3.2 隧道变形与黄土含水量的关系

隧道拱顶上沉与含水量分布图见图4。（1）土体含水量最大值31%时拱顶上沉量46cm；（2）经统计中高含水量的拱顶上沉值约为一般含水量的1.5倍，高含水量的拱顶上沉值为一般含水量2倍以上；（3）表明含水量高低是影响拱顶上沉的重要因素。

3.3 隧道变形与仰拱封闭的关系

图4 拱顶上沉与含水量分布图

3.3.1 拱顶上沉与仰拱封闭距离的关系曲线见图5。（1）变化曲线显示随着仰拱封闭距离变大，拱顶上沉数值也不断变大，仰拱封闭距离30m处拱顶上沉数值是12m处的1.12倍～1.22倍。（2）含水量变大，同一断面拱顶上沉数值也变大，含水量20%以上时拱顶上沉值是含水量20%以上时的1.22倍～1.44倍。

图5 拱顶上沉与仰拱封闭关系曲线

3.3.2 水平位移与仰拱封闭距离的关系曲线见图6。（1）变化曲线显示随着仰拱封闭距离变大，拱腰水平位移数值也不断变大，仰拱封闭距离30m处拱顶上沉数值是12m处的1.75倍～2.0倍。（2）含水量变大，同一断面水平位移数值也变大，含水量20%以上时水平位移值是含水量20%以上时的1.75倍～2.0倍。

图6 水平位移与仰拱封闭关系曲线

3.3.3 隧道变形与仰拱封闭距离关系见图7。（1）拱顶上沉在仰拱封闭距离超过30m后仍呈现规律性增大，35m处是30m处的1.11倍，45m处达到30m处的1.65倍；（2）水平收敛在仰拱封闭距离超过30m后也呈现规律性增大，35m处是30m处的1.06倍，45m处达到30m处的1.36倍。

图7 变形与仰拱封闭距离关系图

4 黄土隧道施工预留变形量分析

4.1 分析结果

黄土隧道施工过程中的围岩变形是不可避免的，隧道开挖过程中拱顶上沉和周边收敛变形较大，仰拱封闭后变形速度减小，变形趋于稳定[2]。隧道预留变形量的数值应该根据黄土隧道受含水量以及埋深影响发生变形的规律来确定，要尽量确保预留的变形量能够满足施工过程中隧道变形的需求，帮助隧道施工过程中的支护设置更加安全可靠。根据调查统计分析结果，拱部预留变形量根据含水量情况应适当加大，边墙部位可适当减小。

4.2 预留变形量取值建议

由于隧道支护与黄土地层相互作用的复杂性，以及与隧道初期支护变形影响因素的不确定性，现场实测数据仍有一定的离散性[3]。综合数据分析，结合隧道现场实测数据及施工控制结果，对高速铁路黄土隧道预留变形量根据隧道不同部位和土体含水量变化，得出以上预留变形量建议值。

（1）隧道边墙预留变形量建议取10cm。（2）隧道拱部预留变形量:土体含水量＜17%时建议取20cm；17%≤土体含水量＜25%时建议取30cm；土体含水量≥25%时建议取40cm。

5 结束语

高速铁路黄土隧道施工过程中的变形是存在一定的规律，需要在施工之前对该规律的变化及其影响因素进行分析，并据此来确定施工预留变形量，并对预留变形量进行验证试验，确保黄土隧道施工的安全与质量。