黃土隧道圍巖壓力時空特征統(tǒng)計(jì)分析

白子斌

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

圍巖壓力作用模式及其時空效應(yīng)特征作為隧道支護(hù)－圍巖作用關(guān)系中的核心內(nèi)容，與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定密切相關(guān)，長期以來都是隧道工程界研究的焦點(diǎn)問題之一［1－5］。中外學(xué)者對隧道圍巖壓力分布規(guī)律或計(jì)算方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出或修正了隧道圍巖壓力的計(jì)算方法［6－8］。

黃土是一種第四紀(jì)松散堆積物，在我國具有分布范圍廣泛、連續(xù)、地層發(fā)育完整、厚度大等特征。由于黃土強(qiáng)度低和物理力學(xué)特性復(fù)雜，黃土隧道施工中遇到了初期支護(hù)變形量大、地表沉降量大、襯砌開裂嚴(yán)重、隧道塌方等突出問題。在黃土隧道設(shè)計(jì)和施工方案確定過程中，揭示圍巖壓力的作用機(jī)制、力學(xué)性質(zhì)及其時空效應(yīng)特征是優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，確定合理施工方案的根本前提。然而鑒于黃土隧道工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性，黃土隧道圍巖壓力時空效應(yīng)特征一直沒有得到很好地揭示［9－11］。

本文依托我國多座黃土隧道工程，通過對50個黃土隧道斷面圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，探討圍巖壓力時空效應(yīng)特征，并進(jìn)行影響因素分析，以期為分析黃土隧道設(shè)計(jì)和施工方案確定提供參考。

2 監(jiān)測樣本與影響因素分析

2.1 監(jiān)測樣本基本情況

本文統(tǒng)計(jì)樣本共包含17座隧道（5座鐵路隧道、10座公路隧道、2座城市地鐵隧道）的50個監(jiān)測斷面（19個鐵路、24個公路、7個城市地鐵隧道），如表1所示。相關(guān)說明如下：

表1 黃土隧道圍巖壓力監(jiān)測斷面統(tǒng)計(jì)樣本

（1）鑒于本文數(shù)據(jù)多是來自已經(jīng)公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，有些信息未能找到，在表中以“—”代替。

（2）表中所統(tǒng)計(jì)圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)測點(diǎn)位置主要集中在隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱墻和拱腳等處。最后一列“備注”給出了該監(jiān)測斷面的補(bǔ)充特征。

（3）表中所列圍巖級別和埋深是指監(jiān)測斷面所處位置的圍巖級別和埋深。本文樣本各斷面埋深分布在9～180 m之間。

（4）從圍巖級別來看，所統(tǒng)計(jì)監(jiān)測斷面圍巖級別集中在Ⅳ～Ⅵ級，其中Ⅳ、Ⅴ級較多，Ⅵ級相對較少，如圖1所示。這主要是由于黃土地層大都屬于Ⅳ～Ⅵ級的范疇內(nèi)，相對而言黃土Ⅵ級圍巖在施工中并不常見，且主要集中在山嶺隧道洞口段和城市地鐵隧道，因此其測試樣本較少。

圖1 隧道圍巖級別分布統(tǒng)計(jì)

（5）從開挖方法來看，采用臺階法開挖的監(jiān)測斷面所占比重最大，達(dá)80%；其次為CRD工法，占12%；其他為盾構(gòu)法，占8%，如圖2所示。因此盡管黃土隧道屬于土質(zhì)隧道，在控制隧道地層變形方面，臺階法不及CRD法和盾構(gòu)法，但由于其在施工效率和經(jīng)濟(jì)性方面的顯著優(yōu)勢，依然成為黃土隧道的主流施工方法。

圖2 黃土隧道斷面施工工法分布統(tǒng)計(jì)

（6）對于隧道開挖跨度，本文統(tǒng)計(jì)的5座鐵路隧道均為高速鐵路單洞雙線隧道，開挖跨度約15 m；10座公路隧道開挖跨度在10.25～17.59 m之間；兩座地鐵區(qū)間隧道開挖跨度相對較小，分別為6.2 m和10 m。

2.2 黃土隧道圍巖壓力總體分布特征

將黃土隧道圍巖壓力監(jiān)測值根據(jù)其圍巖級別分類，可分為Ⅳ級、Ⅴ級和Ⅵ級圍巖3類，并在每類中將壓力數(shù)據(jù)分為若干區(qū)間，得到圍巖壓力分布區(qū)間頻數(shù)直方圖，如圖3所示。

圖3 圍巖壓力區(qū)間分布

（1）Ⅳ級圍巖統(tǒng)計(jì)樣本個數(shù)134個，最大圍巖壓力481 kPa；Ⅴ級圍巖統(tǒng)計(jì)樣本個數(shù)307個，最大圍巖壓力1 256.25 kPa；Ⅵ級圍巖統(tǒng)計(jì)樣本個數(shù)43個，最大圍巖壓力285 kPa。

（2）若以各級圍巖的圍巖壓力算術(shù)平均值作為其數(shù)學(xué)期望值，則Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ級圍巖的圍巖壓力算術(shù)平均值為83 kPa、219.5 kPa和64 kPa。

（3）Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ級圍巖100 kPa以下測點(diǎn)所占百分比分別為71%、41%和80%，且Ⅴ級圍巖頻率分布在150 kPa以上區(qū)間百分比遠(yuǎn)大于Ⅳ級圍巖和Ⅵ級圍巖。

與Ⅳ級圍巖相比，Ⅴ級圍巖壓力均值明顯增大，超過100 kPa的所占百分比為58%，且分布在150 kPa以上的百分比增大趨勢更加顯著。

（4）由于Ⅵ級圍巖樣本較少，且集中在斷面較小的城市地鐵隧道，圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)多在100 kPa以下。

除斷面較小的地鐵隧道外，根據(jù)其他43個監(jiān)測斷面圍巖壓力最大值分布區(qū)間（見圖4）可以看出，86%的斷面圍巖壓力最大值超過了150 kPa，其中65%的斷面超過了200 kPa。如果近似取黃土地層重度γ＝20 kN／m3，則大部分黃土隧道圍巖壓力最大值超過了10 m土柱的重量，即可以認(rèn)為大斷面黃土隧道圍巖擾動范圍多在10 m以上。

圖4 黃土隧道圍巖壓力最大值分布區(qū)間

2.3 影響因素分析

隧道圍巖壓力的影響因素包括圍巖等級、埋深、跨度和施工方法等，其中圍巖等級的影響上文已經(jīng)進(jìn)行了分析，本節(jié)重點(diǎn)討論埋深和跨度的影響。

（1）埋深影響

為了消除各隧道跨度不同對圍巖壓力數(shù)值的影響，將各斷面圍巖壓力平均值除以地層重度（取γ＝20 kN／m3），再除以隧道跨度作為縱坐標(biāo)，得到埋深對黃土隧道圍巖壓力的影響規(guī)律，如圖5所示?？梢钥闯觯簢鷰r壓力隨埋深變化分布較為離散，但總的趨勢是隨埋深增加而增加。且Ⅴ級圍巖壓力隨埋深增大趨勢比Ⅳ級圍巖要大，說明隨著圍巖級別增大，圍巖條件也趨于惡化，圍巖壓力隨埋深增大更加明顯。我國隧道規(guī)范中在計(jì)算圍巖壓力時認(rèn)為深埋條件下為定值，這與本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果并不相符。

圖5 圍巖壓力與埋深關(guān)系

（2）跨度的影響

隨黃土隧道開挖跨度的變化，圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果較為離散，但總體趨勢是隨跨度的增加而增大（見圖6）。一般隧道跨度大于10 m，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在10～15 m跨度間圍巖壓力大致呈線性增長，在15 m左右圍巖壓力數(shù)據(jù)較為離散，這是因?yàn)榭缍?5 m隧道較多，影響圍巖壓力因素復(fù)雜，所得數(shù)據(jù)差別較大；但當(dāng)跨度大于15 m時，可以較明顯地發(fā)現(xiàn)圍巖壓力增長迅速。

圖6 Ⅴ級圍巖各斷面圍巖壓力隨開挖跨度變化曲線

3 圍巖壓力時空分布規(guī)律

為簡化分析，且不失一般性，本節(jié)選取4個典型監(jiān)測斷面分析圍巖壓力的時間變化特征。選取典型斷面分別為函谷關(guān)DK270＋525斷面（高速鐵路隧道淺埋Ⅴ級圍巖）、賀家莊DK242＋960斷面（高速鐵路隧道深埋Ⅳ級圍巖）、唐家塬隧道YK302＋041（超大跨隧道Ⅴ級圍巖）和西安地鐵3號線YDK29＋726.251斷面（CRD法暗挖地鐵隧道）。根據(jù)4個典型監(jiān)測斷面的圍巖壓力時程曲線（見圖7）可以看出：

圖7 黃土隧道圍巖壓力隨時間變化曲線

（1）黃土隧道圍巖壓力時程變化特征顯著，大都可以概括為快速增大、緩慢增大和趨于穩(wěn)定3個階段。其中快速增大階段結(jié)束后圍巖壓力監(jiān)測值往往超過了最終結(jié)果的三分之二之多。不同斷面圍巖壓力發(fā)展經(jīng)歷各個階段的時間有所不同，但多數(shù)斷面圍巖壓力監(jiān)測值在隧道開挖完成后3個月內(nèi)趨于穩(wěn)定。

（2）目前我國大斷面黃土隧道施工主要采用以臺階留核心土為主的分部開挖方法，受各步序施工多次擾動的影響，圍巖壓力會產(chǎn)生波動性甚至突變性的變化，這反映了施工中支護(hù)與圍巖相互作用、應(yīng)力狀態(tài)不斷調(diào)整的過程。

（3）在臺階法施工中，后續(xù)開挖支護(hù)作業(yè)步序?qū)η捌诒O(jiān)測結(jié)果影響十分明顯，以下臺階開挖為例，如果支護(hù)及時且迅速封閉成環(huán)，初期支護(hù)將承受開挖卸荷帶來的壓力，圍巖壓力會有一個顯著增大的過程；若下臺階支護(hù)不及時，則上部初期支護(hù)將懸空較長時間，這樣雖然降低了圍巖、初支之間接觸的緊密程度，但卻加劇了上部地層的松動范圍，引起上部圍巖壓力的進(jìn)一步增大。因此，臺階法施工中應(yīng)及時施作下臺階初期支護(hù)，縮短上臺階初期支護(hù)的懸空時間。

（4）與一般山嶺隧道不同，黃土地層具有顯著的蠕變特性，在黃土隧道圍巖壓力監(jiān)測時程曲線中地層荷載的釋放除瞬時效應(yīng)外，還具有明顯的流變特性，圍巖壓力穩(wěn)定歷時較長。因此在黃土隧道設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期流變荷載。

（5）從黃土隧道圍巖壓力沿洞周的空間分布可以看出，絕大部分圍巖壓力監(jiān)測值為壓力，而個別監(jiān)測斷面的某些部位圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值，這與理論分析結(jié)果是不相符的。從另一方面反映出要準(zhǔn)確地監(jiān)測到圍巖壓力值是比較困難的。

（6）黃土隧道圍巖壓力最大值可能出現(xiàn)在洞周的任一部位，但拱肩位置和拱腰位置出現(xiàn)頻率最高，二者之和所占百分比達(dá)68%，拱頂和拱腳位置出現(xiàn)的頻率均占16%。這與根據(jù)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范建議的圍巖荷載作用模式，采用豎向壓力和水平壓力疊加計(jì)算圍巖壓力的方法得到的圍巖壓力沿洞周分布規(guī)律基本一致。

4 結(jié)論

（1）盡管黃土隧道屬于典型的土質(zhì)隧道，可是臺階法依然成為大斷面黃土隧道的主流施工方法，也將是今后多數(shù)黃土隧道施工的首選工法。

（2）我國黃土隧道多隸屬于Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，其圍巖壓力算術(shù)平均值分別為83 kPa和219.5 kPa，且大斷面黃土隧道圍巖擾動范圍多在10 m以上。

（3）黃土隧道開挖后，其圍巖壓力時程效應(yīng)顯著，主要經(jīng)歷快速增長－緩慢增長－趨于穩(wěn)定三個階段，受分部開挖過程影響顯著，其中快速增大階段結(jié)束后圍巖壓力監(jiān)測值往往超過了最終結(jié)果的三分之二之多，且黃土隧道圍巖壓力隨時間變化影響較長，多存在一定的長期流變荷載。在黃土隧道設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期流變荷載。

（4）黃土隧道圍巖壓力最大值可能出現(xiàn)在洞周的任一部位，但拱肩位置和拱腰位置出現(xiàn)頻率最高，與隧道設(shè)計(jì)規(guī)范建議的圍巖荷載作用模式是一致的。