黄土隧道围岩压力时空特征统计分析

白子斌

（中铁二十二局集团第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

围岩压力作用模式及其时空效应特征作为隧道支护－围岩作用关系中的核心内容，与隧道支护结构设计参数的确定密切相关，长期以来都是隧道工程界研究的焦点问题之一［1－5］。中外学者对隧道围岩压力分布规律或计算方法进行了系统分析，提出或修正了隧道围岩压力的计算方法［6－8］。

黄土是一种第四纪松散堆积物，在我国具有分布范围广泛、连续、地层发育完整、厚度大等特征。由于黄土强度低和物理力学特性复杂，黄土隧道施工中遇到了初期支护变形量大、地表沉降量大、衬砌开裂严重、隧道塌方等突出问题。在黄土隧道设计和施工方案确定过程中，揭示围岩压力的作用机制、力学性质及其时空效应特征是优化设计参数，确定合理施工方案的根本前提。然而鉴于黄土隧道工程特点和地质条件的复杂多变性，黄土隧道围岩压力时空效应特征一直没有得到很好地揭示［9－11］。

本文依托我国多座黄土隧道工程，通过对50个黄土隧道断面围岩压力监测数据的统计分析，探讨围岩压力时空效应特征，并进行影响因素分析，以期为分析黄土隧道设计和施工方案确定提供参考。

2 监测样本与影响因素分析

2.1 监测样本基本情况

本文统计样本共包含17座隧道（5座铁路隧道、10座公路隧道、2座城市地铁隧道）的50个监测断面（19个铁路、24个公路、7个城市地铁隧道），如表1所示。相关说明如下：

表1 黄土隧道围岩压力监测断面统计样本

（1）鉴于本文数据多是来自已经公开发表的学术论文，有些信息未能找到，在表中以“—”代替。

（2）表中所统计围岩压力监测数据测点位置主要集中在隧道拱顶、拱肩、拱腰、拱墙和拱脚等处。最后一列“备注”给出了该监测断面的补充特征。

（3）表中所列围岩级别和埋深是指监测断面所处位置的围岩级别和埋深。本文样本各断面埋深分布在9～180 m之间。

（4）从围岩级别来看，所统计监测断面围岩级别集中在Ⅳ～Ⅵ级，其中Ⅳ、Ⅴ级较多，Ⅵ级相对较少，如图1所示。这主要是由于黄土地层大都属于Ⅳ～Ⅵ级的范畴内，相对而言黄土Ⅵ级围岩在施工中并不常见，且主要集中在山岭隧道洞口段和城市地铁隧道，因此其测试样本较少。

图1 隧道围岩级别分布统计

（5）从开挖方法来看，采用台阶法开挖的监测断面所占比重最大，达80%；其次为CRD工法，占12%；其他为盾构法，占8%，如图2所示。因此尽管黄土隧道属于土质隧道，在控制隧道地层变形方面，台阶法不及CRD法和盾构法，但由于其在施工效率和经济性方面的显著优势，依然成为黄土隧道的主流施工方法。

图2 黄土隧道断面施工工法分布统计

（6）对于隧道开挖跨度，本文统计的5座铁路隧道均为高速铁路单洞双线隧道，开挖跨度约15 m；10座公路隧道开挖跨度在10.25～17.59 m之间；两座地铁区间隧道开挖跨度相对较小，分别为6.2 m和10 m。

2.2 黄土隧道围岩压力总体分布特征

将黄土隧道围岩压力监测值根据其围岩级别分类，可分为Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级围岩3类，并在每类中将压力数据分为若干区间，得到围岩压力分布区间频数直方图，如图3所示。

图3 围岩压力区间分布

（1）Ⅳ级围岩统计样本个数134个，最大围岩压力481 kPa；Ⅴ级围岩统计样本个数307个，最大围岩压力1 256.25 kPa；Ⅵ级围岩统计样本个数43个，最大围岩压力285 kPa。

（2）若以各级围岩的围岩压力算术平均值作为其数学期望值，则Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩的围岩压力算术平均值为83 kPa、219.5 kPa和64 kPa。

（3）Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩100 kPa以下测点所占百分比分别为71%、41%和80%，且Ⅴ级围岩频率分布在150 kPa以上区间百分比远大于Ⅳ级围岩和Ⅵ级围岩。

与Ⅳ级围岩相比，Ⅴ级围岩压力均值明显增大，超过100 kPa的所占百分比为58%，且分布在150 kPa以上的百分比增大趋势更加显著。

（4）由于Ⅵ级围岩样本较少，且集中在断面较小的城市地铁隧道，围岩压力监测数据多在100 kPa以下。

除断面较小的地铁隧道外，根据其他43个监测断面围岩压力最大值分布区间（见图4）可以看出，86%的断面围岩压力最大值超过了150 kPa，其中65%的断面超过了200 kPa。如果近似取黄土地层重度γ＝20 kN／m3，则大部分黄土隧道围岩压力最大值超过了10 m土柱的重量，即可以认为大断面黄土隧道围岩扰动范围多在10 m以上。

图4 黄土隧道围岩压力最大值分布区间

2.3 影响因素分析

隧道围岩压力的影响因素包括围岩等级、埋深、跨度和施工方法等，其中围岩等级的影响上文已经进行了分析，本节重点讨论埋深和跨度的影响。

（1）埋深影响

为了消除各隧道跨度不同对围岩压力数值的影响，将各断面围岩压力平均值除以地层重度（取γ＝20 kN／m3），再除以隧道跨度作为纵坐标，得到埋深对黄土隧道围岩压力的影响规律，如图5所示。可以看出：围岩压力随埋深变化分布较为离散，但总的趋势是随埋深增加而增加。且Ⅴ级围岩压力随埋深增大趋势比Ⅳ级围岩要大，说明随着围岩级别增大，围岩条件也趋于恶化，围岩压力随埋深增大更加明显。我国隧道规范中在计算围岩压力时认为深埋条件下为定值，这与本文统计结果并不相符。

图5 围岩压力与埋深关系

（2）跨度的影响

随黄土隧道开挖跨度的变化，围岩压力监测结果较为离散，但总体趋势是随跨度的增加而增大（见图6）。一般隧道跨度大于10 m，由图6可以发现，在10～15 m跨度间围岩压力大致呈线性增长，在15 m左右围岩压力数据较为离散，这是因为跨度15 m隧道较多，影响围岩压力因素复杂，所得数据差别较大；但当跨度大于15 m时，可以较明显地发现围岩压力增长迅速。

图6 Ⅴ级围岩各断面围岩压力随开挖跨度变化曲线

3 围岩压力时空分布规律

为简化分析，且不失一般性，本节选取4个典型监测断面分析围岩压力的时间变化特征。选取典型断面分别为函谷关DK270＋525断面（高速铁路隧道浅埋Ⅴ级围岩）、贺家庄DK242＋960断面（高速铁路隧道深埋Ⅳ级围岩）、唐家塬隧道YK302＋041（超大跨隧道Ⅴ级围岩）和西安地铁3号线YDK29＋726.251断面（CRD法暗挖地铁隧道）。根据4个典型监测断面的围岩压力时程曲线（见图7）可以看出：

图7 黄土隧道围岩压力随时间变化曲线

（1）黄土隧道围岩压力时程变化特征显著，大都可以概括为快速增大、缓慢增大和趋于稳定3个阶段。其中快速增大阶段结束后围岩压力监测值往往超过了最终结果的三分之二之多。不同断面围岩压力发展经历各个阶段的时间有所不同，但多数断面围岩压力监测值在隧道开挖完成后3个月内趋于稳定。

（2）目前我国大断面黄土隧道施工主要采用以台阶留核心土为主的分部开挖方法，受各步序施工多次扰动的影响，围岩压力会产生波动性甚至突变性的变化，这反映了施工中支护与围岩相互作用、应力状态不断调整的过程。

（3）在台阶法施工中，后续开挖支护作业步序对前期监测结果影响十分明显，以下台阶开挖为例，如果支护及时且迅速封闭成环，初期支护将承受开挖卸荷带来的压力，围岩压力会有一个显著增大的过程；若下台阶支护不及时，则上部初期支护将悬空较长时间，这样虽然降低了围岩、初支之间接触的紧密程度，但却加剧了上部地层的松动范围，引起上部围岩压力的进一步增大。因此，台阶法施工中应及时施作下台阶初期支护，缩短上台阶初期支护的悬空时间。

（4）与一般山岭隧道不同，黄土地层具有显著的蠕变特性，在黄土隧道围岩压力监测时程曲线中地层荷载的释放除瞬时效应外，还具有明显的流变特性，围岩压力稳定历时较长。因此在黄土隧道设计阶段应考虑作用于支护结构的长期流变荷载。

（5）从黄土隧道围岩压力沿洞周的空间分布可以看出，绝大部分围岩压力监测值为压力，而个别监测断面的某些部位围岩压力监测结果出现负值，这与理论分析结果是不相符的。从另一方面反映出要准确地监测到围岩压力值是比较困难的。

（6）黄土隧道围岩压力最大值可能出现在洞周的任一部位，但拱肩位置和拱腰位置出现频率最高，二者之和所占百分比达68%，拱顶和拱脚位置出现的频率均占16%。这与根据隧道设计规范建议的围岩荷载作用模式，采用竖向压力和水平压力叠加计算围岩压力的方法得到的围岩压力沿洞周分布规律基本一致。

4 结论

（1）尽管黄土隧道属于典型的土质隧道，可是台阶法依然成为大断面黄土隧道的主流施工方法，也将是今后多数黄土隧道施工的首选工法。

（2）我国黄土隧道多隶属于Ⅳ级和Ⅴ级围岩，其围岩压力算术平均值分别为83 kPa和219.5 kPa，且大断面黄土隧道围岩扰动范围多在10 m以上。

（3）黄土隧道开挖后，其围岩压力时程效应显著，主要经历快速增长－缓慢增长－趋于稳定三个阶段，受分部开挖过程影响显著，其中快速增大阶段结束后围岩压力监测值往往超过了最终结果的三分之二之多，且黄土隧道围岩压力随时间变化影响较长，多存在一定的长期流变荷载。在黄土隧道设计阶段应考虑作用于支护结构的长期流变荷载。

（4）黄土隧道围岩压力最大值可能出现在洞周的任一部位，但拱肩位置和拱腰位置出现频率最高，与隧道设计规范建议的围岩荷载作用模式是一致的。