第三系粉質(zhì)黏土物理力學(xué)特性及隧道施工影響因素分析

王　輝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津　300251)

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第三系粉質(zhì)黏土物理力學(xué)特性及隧道施工影響因素分析

王輝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津300251)

摘要：針對(duì)山西中南部鐵路通道區(qū)域第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土的工程地質(zhì)特性,采用室內(nèi)室外試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法綜合分析粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)指標(biāo),經(jīng)過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,得出在一定條件下粉質(zhì)黏土隧道初支位移與時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系的規(guī)律,總結(jié)隧道施工的影響因素以及影響特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；第三系粉質(zhì)黏土；工程特性；施工影響因素

1概述

第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土在中西部黃土高原地區(qū)分布較廣，該粉質(zhì)黏土地層介于土與石之間，其物理力學(xué)性質(zhì)及水理性質(zhì)特殊，主要表現(xiàn)在巖性的多樣性、巖土強(qiáng)度差異大以及滲透性差異大等方面[1-2]，其物質(zhì)組成特別是膨脹性礦物是粉質(zhì)黏土工程特性形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)于隧道穿越第三系粉質(zhì)黏土地層時(shí)，粉質(zhì)黏土工程特性影響施工難度較大。

本文依托山西中南部鐵路通道工程大量粉質(zhì)黏土隧道施工工程，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)室外試驗(yàn)[3]等方法分析第三系粉質(zhì)黏土物理力學(xué)特性及地下水對(duì)隧道工程的影響，總結(jié)出第三系粉質(zhì)黏土地層隧道施工難點(diǎn)，為粉質(zhì)黏土地層隧道施工控制及隧道設(shè)計(jì)提供參考。

2粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)分析

2.1粉質(zhì)黏土初始孔隙比與壓縮模量關(guān)系

粉質(zhì)黏土的初始孔隙比與壓縮模量指標(biāo)關(guān)系見圖1，從圖中可以看出壓縮模量與初始孔隙比成反比，且隨著孔隙比的減小，壓縮模量呈直線增加。且初始孔隙比主要集中于0.500～0.700，而壓縮模量則位于2～10 MPa，變化范圍較大。

圖1　壓縮模量與初始孔隙比的關(guān)系

2.2粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度與干密度關(guān)系

從圖2、圖3中可以看出，粉質(zhì)黏土干密度值位于1.6～1.8 g/cm3時(shí)，黏聚力c則分布于20～90 kPa，內(nèi)摩擦角φ則分布于5°～75°，抗剪強(qiáng)度c與φ值變化范圍較大，這也充分說明了粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度差異性較大[5]。

圖2　黏聚力與干密度的散點(diǎn)

圖3　內(nèi)摩擦角與干密度的散點(diǎn)

2.3粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系

通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果(圖4、圖5)可以看出，粉質(zhì)黏土含水量的變化對(duì)其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角有較大的影響，隨著土體含水量的增加，黏聚力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角同樣也是呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但含水量的變化對(duì)黏聚力的影響顯然要大于內(nèi)摩擦角的影響，主要原因是粉質(zhì)黏土由于含水量越大，粒間聯(lián)結(jié)力越小，抗剪強(qiáng)度就越小。

圖4　黏聚力與含水量關(guān)系

圖5　內(nèi)摩擦角與含水量關(guān)系

3地下水影響下粉質(zhì)黏土隧道初支變形規(guī)律

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)隧道實(shí)際開挖涌水量情況，粉質(zhì)黏土隧道滲出水量大體上可以分為滲水(水量0.016～0.029 L/s·m)、滴水(水量0.029～0.042 L/s·m)、流水狀(水量在0.042～0.208 L/s·m)和股狀流水(水量>0.208 L/s·m)等4個(gè)等級(jí)[6]。

本文選取隧道內(nèi)初期支護(hù)措施采用高120 cm，拱墻φ22 mm鋼筋格柵，間距1.2 m，隧道內(nèi)滴水狀態(tài)下隧道圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)分析，依據(jù)相關(guān)性分析與回歸分析得出隧道初期支護(hù)變形位移與時(shí)間的關(guān)系曲線，可以很好地?cái)M合為對(duì)數(shù)函數(shù)，即，u=w1ln(t)±w2，式中：u表示位移值，t表示時(shí)間，w1和w2表示系數(shù)，圖6中R表示回歸方程的相關(guān)性，R越接近1，則方程的擬合程度越好，方程可信度越高。從圖6中可以看出：初期支護(hù)變形位移隨時(shí)間的變化基本符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，而且擬合關(guān)系式的相關(guān)性較好，其相關(guān)系數(shù)≥0.90以上。從大量關(guān)系曲線中可以看出在隧道開挖完成后初期位移值增長(zhǎng)較快，后期對(duì)數(shù)曲線趨于平緩，隨著時(shí)間的增加，位移值變化較小，趨于穩(wěn)定。

圖6　滴水狀態(tài)下位移與時(shí)間關(guān)系

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量隧道內(nèi)土體含水量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水量較低而呈硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)時(shí)，隧道內(nèi)的圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，初支變形小，圍巖相對(duì)穩(wěn)定；相反，隨著土體含水量的增高至達(dá)到塑限含水量時(shí)，土體呈硬塑～軟塑狀態(tài)時(shí)，圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，初支變形大，圍巖極不穩(wěn)定[7]。

4粉質(zhì)黏土隧道施工影響因素分析

4.1地下水因素

地下水對(duì)粉質(zhì)黏土圍巖影響主要通過以下2個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：一方面地下水的出現(xiàn)提高了粉質(zhì)黏土的含水量，增加了土體的孔隙水壓力，從而降低其有效應(yīng)力，最終削弱粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度和承載能力；另一方面粉質(zhì)黏土隧道開挖排水后，地下水在坡體內(nèi)流動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生附加的滲流力，會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生推擠作用。

4.2層狀鈣質(zhì)結(jié)核影響

粉質(zhì)黏土中多夾棕黃色、淺棕紅色層狀鈣質(zhì)結(jié)核，層厚不一，常見厚度為0.2～0.5 m，鈣質(zhì)膠結(jié)程度較高，呈現(xiàn)層狀；當(dāng)層狀鈣質(zhì)結(jié)核位于隧道拱部松動(dòng)圈范圍內(nèi)時(shí)[8](圖7)，隨著施工開挖的進(jìn)行，層狀鈣質(zhì)結(jié)核以下土體在一定時(shí)間范圍內(nèi)逐步松動(dòng)破碎，若不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)或者支護(hù)措施偏弱，不足以支撐圍巖壓力，均可形成塌方。

圖7　層狀鈣質(zhì)結(jié)核不利位置示意

4.3粉質(zhì)黏土節(jié)理裂隙影響

粉質(zhì)黏土中節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面角度大，大多節(jié)理面光亮如鏡，擦痕明顯，節(jié)理多以密閉為主，但節(jié)理面間黏結(jié)力差，施工開挖擾動(dòng)下形成大塊狀掉落，甚至局部塌方。

4.4粉質(zhì)黏土膨脹性影響

粉質(zhì)黏土化學(xué)成分主要為伊利石及蒙脫石，是較強(qiáng)的親水礦物[9]；它使粉質(zhì)黏土遇水易軟化、強(qiáng)度低，在水的作用下具有顯著的干燥收縮和吸水膨脹特性[10]。經(jīng)過大量現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，山西中南部地區(qū)粉質(zhì)黏土普遍具有膨脹性，一般膨脹性指標(biāo)蒙脫石含量M≥7%及陽離子交換量CEC(NH4+)≥170 mmol/kg，膨脹潛勢(shì)分級(jí)一般是弱膨脹性至中等膨脹性，在地下水作用下，圍巖易變形，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

4.5粉質(zhì)黏土中碎石類、砂類土層影響

受沉積環(huán)境影響，粉質(zhì)黏土中常存在碎石類及砂類土層，為含水層，有形成囊狀賦水，并存在突砂涌砂現(xiàn)象，在隧道穿越時(shí)，地下水作用下發(fā)生涌砂、突泥突水等風(fēng)險(xiǎn)較高。

綜上所述，粉質(zhì)黏土隧道施工中影響因素眾多[11]，各因素間又相互作用，導(dǎo)致粉質(zhì)黏土隧道施工的困難，而地下水的影響貫穿其中，主要原因是，一方面地下水可使粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度明顯降低，另一方面地下水又充當(dāng)了潤(rùn)滑劑的作用，使粉質(zhì)黏土隧道圍巖條件變差，因此，在粉質(zhì)黏土隧道勘察設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)充分考慮地下水的影響，以及上述影響因素的綜合作用，合理確定隧道圍巖分級(jí)及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)，既避免工程浪費(fèi)又利于建設(shè)工程安全。

5結(jié)論

第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土特殊的工程性質(zhì)決定其在隧道工程施工中所遇到的特殊問題，結(jié)合粉質(zhì)黏土隧道施工中現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)分析、涌水量記錄等現(xiàn)場(chǎng)資料，以及室內(nèi)土工試驗(yàn)資料的成果綜合分析，得出如下結(jié)論。

(1)第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土由于沉積環(huán)境不同，其物理力學(xué)指標(biāo)差異性較大，粉質(zhì)黏土含水量增加時(shí)，其黏聚力及內(nèi)摩擦角明顯降低。

(2)第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土隧道初期支護(hù)變形位移與時(shí)間的關(guān)系曲線在一定條件下可以很好地?cái)M合為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，對(duì)粉質(zhì)黏土隧道初支變形趨勢(shì)有了量化標(biāo)準(zhǔn)，可以利用相關(guān)性方程進(jìn)行變形量的預(yù)測(cè)，更有利于指導(dǎo)設(shè)計(jì)及施工。

(3)針對(duì)第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土工程特性，詳細(xì)分析了隧道施工的影響因素以及影響特點(diǎn)分析，為合理確定隧道圍巖分級(jí)及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)提供了依據(jù)。

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Analysis of Physical and Mechanical Properties of Tertiary Silty Clay and Factors Affecting Tunnel ConstructionWang Hui

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300251, China)

Abstract：In view of the engineering geological characteristics of the tertiary pliocene silty clay in the central and southern Shanxi railway corridor, indoor and outdoor tests and field monitoring are conducted to analyze the physical and mechanical properties of silty clay and understand the logarithmic functions governing initial support displacement of the silty clay tunnel against the time under certain conditions, and summarize the factors affecting tunnel construction.

Key words：Railway tunnel； Tertiary silty clay; Engineering properties; Factors affecting construction

中圖分類號(hào)：U452.2+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.024

文章編號(hào)：1004-2954(2015)02-0100-03

作者簡(jiǎn)介：王輝(1981—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：176315107@qq.com。

收稿日期：2014-07-25； 修回日期：2014-08-21