红黏土隧道围岩大变形机理分析与换拱技术研究

2022-09-22郭亮

科技创新导报 2022年16期

郭亮

（江西省交通建设工程质量监督管理局江西南昌 330000）

随着我国经济社会的迅速发展，高速铁路网络如雨后春笋般展开，而红黏土的存在使得软塑、膨胀和偏压等导致围岩侵限的典型土质围岩隧道难题接连出现。

目前，已有众多学者对红黏土围岩隧道侵限机理及处置方法进行了研究分析。吕高基于浅埋软土隧道围岩，建立红黏土的含水率和地质雷达波速的关系，进而建立了含水率与介电常数的关系。刘聪在三台阶法的基础上，采取增设管棚、大拱脚等改进措施，并通过数值模拟分析两种不同工法下软弱红黏土隧道开挖后的力学特性，验证了软弱红黏土隧道采用大拱脚三台阶法开挖的合理性。

从已有研究发现，对围岩红黏土含水率与变形规律已有丰富的研究成果，但对红黏土围岩隧道大变形机理及对侵限段处置换拱施工工艺研究较少。本文以萍莲高速莲花隧道为依托工程，通过现场实测隧道监控量测数据、现场实验和室内实验，分析围岩变形机理，并提出围岩侵限换拱施工处理方案。可为同类型红黏土围岩隧道变形处治提供实验数据和工程借鉴。

1 红黏土段围岩大变形概况

萍莲高速莲花隧道位于江西省萍乡市莲花县境内，为分离式隧道，Ⅴ级围岩，隧道全长3200m，最大埋深330m（右洞），该隧道属于公路特长隧道。隧区地貌属剥蚀低山，穿越华夏板块华南造山系之东南造山带之武功山—会稽山前缘褶皱冲带之武功山隆起。隧道稳定性较差，裂隙破碎成洞性差，为类土质围岩，在隧道施工过程中易产生掉块等不良现象。

隧区地表植被发育多为低矮的灌木、杂草、竹林及部分松树等。全年降水集中在4～6月的梅雨季节，15年来平均降水量1673mm。隧区地表水主要分布于进出口及中部低洼地段的山间小溪中，常年有水，主要为大气降水的补给，受季节性影响变化比较大。在ZK37+450/YK37+500 处有一人工鱼塘水库，容积约为6000m，汇水面积约1.4km，水深3～7m。

2 初期支护结构沉陷开裂机理分析

2.1 沉陷开裂变形过程

莲花隧道出口左洞施工至ZK38+135～ZK38+110红黏土围岩段时，遭遇强雨季降水，地下水已由拱顶和侧墙裂隙渗出。红黏土围岩开裂，原设计的初支钢拱架刚度不足以抵抗围岩压力，拱顶和侧墙均出现裂隙，钢拱架扭曲变形，并侵入限界已无施做二衬所需厚度，危及施工人员安全。

现场初期支护施工结束后，隧道拱顶和周边收敛累积量迅速增大，进而导致拱部侵限，但未发生垮塌。如图1隧道监控量测数据所示。

图1 围岩变形监测曲线

（1）ZK38+120断面作为监测数据中拱顶沉降最大的断面，最大单日沉降量达到204.40mm，总累计沉降量达到991.2mm。开挖后第15天沉降量达到总累计沉降值78.6%，说明隧道开挖后前期变形速率大。

（2）ZK38+125/115 断面周边收敛累积值分别达到54.00mm、53.10mm。

（3）各断面拱顶沉降变形累积值都远大于周边收敛累积值，说明拱顶沉降需重点关注并对其进行处理。

2.2 原因与机理分析

隧道围岩大变形一般由多种因素综合引发，结合工程地质报告及现场施工反馈，莲花隧道围岩大变形成因主要由塑性流变和雨季降水组合所致。

（1）塑性流变。新建莲花隧道埋深近330m，穿越武功山—会稽山隆起及一系列发育断裂组压减性斜冲断层，上述围岩大变形段地表有一天然水库，雨季自然蓄水增大自重，为产生高地应力提供了形成条件。同时，新建莲花隧道施工过程中所暴露的围岩条件较地质勘探资料中更差，地下水含量更多，隧道涌水量大，直接导致初期支护结构所受围岩，围岩塑性流变导致原设计钢拱架不足以支撑围岩，从而导致施工现场灾害频发。

（2）雨季降水。施工期出现日降雨量达到100mm的大暴雨天气，连日阴雨，地表水下渗，对围岩稳定性造成影响，加剧变形发展。隧道内多处裂隙涌水，变形量增大。为进一步准确掌握该段围岩情况，进行了地质补勘工作。资料表明，在隧道拱顶、右侧侧墙和隧道拱脚均有红黏土分布，遭遇局部渗水，含水量达到23.6%，承载力较低，施工开挖后，发生塑性蠕变变形，自稳性能差。

3 实验测试及分析

3.1 现场实验

莲花隧道拱顶围岩沉降较同类型隧道变形更大，考虑在红黏土围岩的物理性质中地基承载力是一个重要的力学指标，故考虑对隧道地基承载力进行现场轻型触探试验。该实验常用于潜部填土、砂土、粉土和粘性土。所用仪器为：质量为10kg 的落锤；探杆直径25mm，探杆最大落距50cm；探头直径40mm，探头锥角60°。根据贯入30cm 的次数，承载力=24+4.5N 来判定原位地基承载力。

测点选取为掌子面前10m范围内9个点位。根据现场轻型动力触探实验，最大值为177.0kPa，最小值为141.0kPa，平均地基承载力约为157kPa。相较其他土质围岩隧道，红黏土隧道地基承载力偏小。轻型动力触探原位实验记录如表1所示。

表1 轻型动力触探原位实验记录

在隧道基底承载力不足时，常用的解决对策如下。（1）设置仰拱。仰拱可使围岩支护结构封闭成环，与围岩变形相协调，避免整体沉降及不均匀沉降。（2）加强锁脚锚管。隧道围岩在垂直方向的沉降主要依靠两侧拱脚的控制，故加强锁脚锚管强度可控制拱顶沉降量。（3）扩大拱脚。其中包括采用加肋钢拱架和喷射混凝土拱脚补强，可以扩大支撑面积来降低基底压强。

3.2 室内直接剪切实验

取自隧道洞内的土样经过自然风干、除杂、碾碎、过0.5mm筛之后储存备用。将土制备成Φ6.18×2cm的土样，分别在100kPa、200kPa、300kPa和400kPa垂直压力下沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得其剪切破坏时的剪应力。以剪应力为纵坐标、垂直压力为横坐标，依据库仑公式，可以计算出不同土样的抗剪强度指标，即内聚力和内摩擦角。本试验按照规范选用应变控制式直剪仪对重塑土样进行快剪试验。

通过本次直剪实验，根据摩尔库仑公式，计算出该现场土样的平均黏聚力为53.63kPa，平均内摩擦角为21.57°。

3.3 建模分析

将该红黏土隧道假设为半径为、埋深为的圆形隧道，且初始地应力≠，在施工过程中，作用在支护结构上的初始应力不均匀，围岩纵向和水平向变形不均匀，这种综合变形可以看作为这几种基本模式的叠加，如图2所示。

图2 隧道变形机理分解

3.3.1 地层损失

最基础的隧道开挖变形是在初始受到各向均匀同性（==）压缩的无限深土层中开挖，无限长的半径为的圆形隧道，隧道侧壁受均匀压力≤）。在二维弹塑性范围内，在隧道侧壁处应力变化最大，因此，塑性区是隧道周围半径的同心环。在上述变形模式中，只有轴对称围岩收缩变形存在。

3.3.2 围岩变形

隧道围岩类椭圆变形发生在有限深度范围内的二维分析中，当初始应力不均匀或应力梯度随深度变化的情况下，发生围岩垂直方向的拱顶沉降和基底隆起，水平方向的侧墙收敛，类似于椭圆形。对于浅埋隧道而言（/=3），弹性应变和塑性应变的变形趋势相似。当垂直围岩压力远大于水平围岩压力时，类椭圆变形失效，随后隧道顶板失效。在此情况下，隧道的垂直变形总是大于横向变形。

因此，隧道的类椭圆变形随着围岩强度的降低而增加。水平方向变形在深层隧道中占主导地位，但在浅埋隧道情况下，垂直方向拱顶沉降是主要变形。

3.3.3 整体沉降

当开挖隧道所处地层的地基承载力不足、无法抵抗围岩变形所产生的应力时，隧道结构发生整体沉降。

综上所述，红黏土围岩隧道整体总变形由上述地层损失、围岩变形和整体沉降组合而成，与萍莲高速红黏土围岩隧道现场变形规律相符合。拱顶沉降大于周边收敛，施工过程中应重点处理围岩垂直方向变形。