高速鐵路黃土隧道施工變形規(guī)律及預(yù)留變形量研究

馬禧祥，陳 彥

引言

鐵路隧道施工過程中的安全問題一直都是阻礙其發(fā)展的重要因素，相比于普通隧道而言，黃土隧道施工的不穩(wěn)定因素更多，其施工過程中存在的安全隱患也更大。為提高高速鐵路黃土隧道施工安全性控制，在施工前對地質(zhì)核查顯得尤為關(guān)鍵，經(jīng)分析地質(zhì)環(huán)境對隧道施工的影響規(guī)律后，制定合理的施工方案，可盡量避免黃土隧道施工過程中安全事故的發(fā)生。

在確定隧道條件、圍巖等級和施工方法的變形儲備時，目前一般采用工程類比法，研究中大多也停留在定性描述上，很少有定量分析。通?？紤]開挖深度、隧道寬度和支護(hù)方式來確定預(yù)留變形量，但在鐵路黃土隧道施工中分析表明并不完全適合。上面以銀西鐵路上閣村黃土隧道工程為例，通過現(xiàn)場實測和統(tǒng)計分析，分析其變形規(guī)律，研究其變形儲備，為工程建設(shè)提供一些啟示。

1 我國黃土分布情況及黃土特性

1.1 我國黃土分布情況

黃土在我國疆土上的分布范圍是比較廣博的，我國黃土分布面積約64萬km2，占國土面積6.3%。主要分布在陜甘寧、新疆、吉林、黑龍江，在該地區(qū)修建高速鐵路，黃土隧道的施工是在所難免的事情。當(dāng)前我國已經(jīng)完成的帶有黃土隧道的鐵路線有鄭西客運專線，寶蘭客運專線，蒙華鐵路等[1]。銀西鐵路控制性工程上閣村隧道大地構(gòu)造單位屬中朝準(zhǔn)地臺的陜甘寧坳，該區(qū)以深厚的黃土覆蓋，上伏第三系紅黏土，白堊系為基底巖層，產(chǎn)狀水平為主，褶皺和斷裂不發(fā)育。

1.2 黃土基本特性

黃土顆粒成分以粉粒（直徑為0.075～0.005mm）為主，約占50%～75%，幾乎沒有大于0.25mm的顆粒；成分均勻，一般無明顯層理，有堆積間斷的剝蝕面和埋藏的古土壤層；具柱狀節(jié)理，垂直節(jié)理發(fā)育，直立性強；表層多具濕陷性，易產(chǎn)生潛蝕，形成陷穴。軟塑黃土特有的物理力學(xué)性質(zhì)，使得在軟塑黃土地層中修建隧道時會存在滲漏水、變形、掉塊、坍塌等施工風(fēng)險。

2 高速鐵路黃土隧道施工的難點

2.1 黃土的濕陷性

大部分黃土在浸水后，會受到上部土層本身重量的影響或者其他外界壓力的附加，其本身結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致存在的土壤發(fā)生極為明顯的變形。在黃土隧道施工中，淺埋隧道地面擾動較大，加之地表降水的滲透易形成地表開裂，隨著孔隙水的上滲土體自重加大，而黃土大孔隙、粘結(jié)性差的特點會加重濕陷上沉，對隧道土體結(jié)果造成破壞，形成破裂漏斗，初期支護(hù)受外力擠壓變形，造成隧道坍塌或冒頂。

2.2 隧道洞口黃土偏壓

黃土地區(qū)地形通常高低不平，甚至?xí)幸恍O為陡峭的地段，隧道在施工過程中容易在其洞口形成黃土層的偏壓，在偏壓和隧道開挖的雙重作用上，隨著圍巖應(yīng)力的釋放，將導(dǎo)致隧道洞口段土體發(fā)生變形，進(jìn)而出現(xiàn)一定的水平位移。黃土隧道圍巖強度較低，一旦遇水軟化將會產(chǎn)生隧道深埋側(cè)山體產(chǎn)生上滑的偏壓推力，對淺埋鍘圍巖產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，導(dǎo)致地表開裂現(xiàn)象，在偏壓力作用上，極易引起邊坡失穩(wěn)、溜塌。

2.3 部分黃土地段含水量高

在黃土隧道施工中，某些段落土體含水量過高，使圍巖遇水后強度大幅度降低，黃土長期侵浸在大量的水分中，其性能結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯改變，圍巖逐漸失去自穩(wěn)能力，導(dǎo)致其土質(zhì)中含有的水量越來越高，最終造成黃土由本身的脆性變?yōu)榱烁尤菀鬃冃蔚乃苄訹1]。會造成隧道支護(hù)承受的荷載越來越大，最終因為承載壓力突破其極限值而發(fā)生變形，甚至是坍塌。

2.4 黃土地層中存在沙土層

黃土隧道施工過程中是比較容易遇到黃土地層中存在沙土層的狀況，沙土層本身的土質(zhì)與黃土地層的土質(zhì)是存在較大差別的。尤其在其含水量上，沙土層本身就含水分較少，并且對于水分的存留能力也比較差。這樣的土質(zhì)特性會導(dǎo)致黃土層與沙土層之間的粘結(jié)不夠牢固，一旦進(jìn)行隧道開挖，沙土層無法與底部黃土層凝結(jié)在一起，隧道會更容易出現(xiàn)坍塌，而如果在此過程中又遇到外界水流的沖擊，其土層就容易被水流帶走進(jìn)而出現(xiàn)黃土溜滑的狀況。

2.5 局部沖溝、陷穴發(fā)育

黃土地區(qū)地表由于沖蝕千溝萬壑，沖溝多為狹窄的V形橫斷面，溝緣明顯，縱剖面傾斜陡急。同時由于黃土顆粒大、疏松多孔、易崩解、濕陷性強等特點，地表水由地面徑流沿著黃土中的裂隙和孔隙上滲進(jìn)行潛蝕，破壞了黃土的原有結(jié)構(gòu)或使土粒流失、產(chǎn)生洞穴，最后引起地面崩塌所形成大量陷穴，對隧道施工危害極大。

3 黃土隧道施工變形規(guī)律

在隧道施工過程中，根據(jù)圍巖等級布設(shè)了監(jiān)控量測點，并開展了大量監(jiān)控量測工作，收集匯總了相關(guān)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，按隧道埋深、含水量變化、仰拱封閉情況分別對數(shù)據(jù)變化繪制了曲線圖，并進(jìn)行了分析，揭示了一定的變形規(guī)律。

3.1 隧道變形與隧道埋深的關(guān)系

3.1.1 拱頂上沉及速率與埋深統(tǒng)計圖見圖1。（1）經(jīng)統(tǒng)計，拱頂上沉最大值51cm出現(xiàn)在隧道埋深20m處；（2）拱頂上沉超過20cm的數(shù)值全面分布在隧道埋深60m以內(nèi)，其中有64%分布在隧道埋深30m以內(nèi)，同時隧道埋深30m以內(nèi)初支噴層開裂占全部開裂的63%。

3.1.2 凈空變形特征值與埋深分布圖見圖2。（1）水平收斂最大值為18cm在隧道埋深40m處；（2）凈空變形不論拱頂上沉，還是水平收斂隨埋深分布呈現(xiàn)出淺埋變形大、深埋變形小的形態(tài)。

圖2 凈空變形特征值與埋深分布圖

3.1.3 凈空變形特征值與埋深分布圖見圖3。（1）凈空變形特征值（上沉與收斂之比）平均值在埋深小于30m時達(dá)到5以上，埋深在30m～60m之間時達(dá)到3以上，60m～140m為1.3，即淺埋時上沉顯著大于收斂，深埋時二者趨于接近；（2）凈空變形特征值隨埋深分布呈現(xiàn)出淺埋數(shù)值大、深埋數(shù)值小的規(guī)律。

圖3 凈空變形特征值與埋深分布圖

3.2 隧道變形與黃土含水量的關(guān)系

隧道拱頂上沉與含水量分布圖見圖4。（1）土體含水量最大值31%時拱頂上沉量46cm；（2）經(jīng)統(tǒng)計中高含水量的拱頂上沉值約為一般含水量的1.5倍，高含水量的拱頂上沉值為一般含水量2倍以上；（3）表明含水量高低是影響拱頂上沉的重要因素。

3.3 隧道變形與仰拱封閉的關(guān)系

圖4 拱頂上沉與含水量分布圖

3.3.1 拱頂上沉與仰拱封閉距離的關(guān)系曲線見圖5。（1）變化曲線顯示隨著仰拱封閉距離變大，拱頂上沉數(shù)值也不斷變大，仰拱封閉距離30m處拱頂上沉數(shù)值是12m處的1.12倍～1.22倍。（2）含水量變大，同一斷面拱頂上沉數(shù)值也變大，含水量20%以上時拱頂上沉值是含水量20%以上時的1.22倍～1.44倍。

圖5 拱頂上沉與仰拱封閉關(guān)系曲線

3.3.2 水平位移與仰拱封閉距離的關(guān)系曲線見圖6。（1）變化曲線顯示隨著仰拱封閉距離變大，拱腰水平位移數(shù)值也不斷變大，仰拱封閉距離30m處拱頂上沉數(shù)值是12m處的1.75倍～2.0倍。（2）含水量變大，同一斷面水平位移數(shù)值也變大，含水量20%以上時水平位移值是含水量20%以上時的1.75倍～2.0倍。

圖6 水平位移與仰拱封閉關(guān)系曲線

3.3.3 隧道變形與仰拱封閉距離關(guān)系見圖7。（1）拱頂上沉在仰拱封閉距離超過30m后仍呈現(xiàn)規(guī)律性增大，35m處是30m處的1.11倍，45m處達(dá)到30m處的1.65倍；（2）水平收斂在仰拱封閉距離超過30m后也呈現(xiàn)規(guī)律性增大，35m處是30m處的1.06倍，45m處達(dá)到30m處的1.36倍。

圖7 變形與仰拱封閉距離關(guān)系圖

4 黃土隧道施工預(yù)留變形量分析

4.1 分析結(jié)果

黃土隧道施工過程中的圍巖變形是不可避免的，隧道開挖過程中拱頂上沉和周邊收斂變形較大，仰拱封閉后變形速度減小，變形趨于穩(wěn)定[2]。隧道預(yù)留變形量的數(shù)值應(yīng)該根據(jù)黃土隧道受含水量以及埋深影響發(fā)生變形的規(guī)律來確定，要盡量確保預(yù)留的變形量能夠滿足施工過程中隧道變形的需求，幫助隧道施工過程中的支護(hù)設(shè)置更加安全可靠。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計分析結(jié)果，拱部預(yù)留變形量根據(jù)含水量情況應(yīng)適當(dāng)加大，邊墻部位可適當(dāng)減小。

4.2 預(yù)留變形量取值建議

由于隧道支護(hù)與黃土地層相互作用的復(fù)雜性，以及與隧道初期支護(hù)變形影響因素的不確定性，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)仍有一定的離散性[3]。綜合數(shù)據(jù)分析，結(jié)合隧道現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及施工控制結(jié)果，對高速鐵路黃土隧道預(yù)留變形量根據(jù)隧道不同部位和土體含水量變化，得出以上預(yù)留變形量建議值。

（1）隧道邊墻預(yù)留變形量建議取10cm。（2）隧道拱部預(yù)留變形量:土體含水量＜17%時建議取20cm；17%≤土體含水量＜25%時建議取30cm；土體含水量≥25%時建議取40cm。

5 結(jié)束語

高速鐵路黃土隧道施工過程中的變形是存在一定的規(guī)律，需要在施工之前對該規(guī)律的變化及其影響因素進(jìn)行分析，并據(jù)此來確定施工預(yù)留變形量，并對預(yù)留變形量進(jìn)行驗證試驗，確保黃土隧道施工的安全與質(zhì)量。