考慮非飽和黃土基質(zhì)吸力影響的隧道病害分析

薛曉輝，宿鐘鳴，孫志杰，員康鋒

(山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原030006)

隨著我國中西部高速公路建設的不斷發(fā)展，非飽和黃土隧道越來越多.在非飽和黃土地區(qū)，由于隧道的開挖使得隧道周圍形成一個應力自由面，而且從水文學角度來講，隧道的開挖形成了一個地下水匯集長廊，此匯水過程使隧道周圍土體內(nèi)的含水量發(fā)生顯著增加，引起土體中基質(zhì)吸力的急劇減小，使其土體強度也隨之大大減?。?－2］. 由此而引發(fā)隧道施工及運營過程中的諸多問題.

目前，研究非飽和黃土的工程性質(zhì)必須考慮非飽和黃土基質(zhì)吸力隨土體內(nèi)含水量大小的變化情況，這在工程界已形成了共識.任青文等根據(jù)隧道施工期和運營期不同的受力情況，推導出深埋隧道塑性區(qū)不同的芬納公式，并對芬納公式進行了修正［3］.李寧軍等利用修正的芬納公式分析了非飽和黃土基質(zhì)吸力變化對隧道力學特性的影響［4］. 康佐等結(jié)合工程實例，利用芬納公式和有限元數(shù)值模擬分析了非飽和黃土基質(zhì)吸力的變化對隧道支護力和塑性區(qū)的影響［5］.這些研究工作都是利用芬納公式得出的結(jié)論直接應用于工程實際，而未從試驗角度分析基質(zhì)吸力的變化規(guī)律. 筆者結(jié)合大有山隧道工程實例，利用室內(nèi)試驗分析基質(zhì)吸力的變化規(guī)律，進而分析隧道病害的形成機理，并指出其相關(guān)防治措施，以期能為類似的非飽和黃土隧道的設計、施工提供理論指導，減少隧道施工及運營期的病害，提高其經(jīng)濟效益和社會效益.

1 工程概況

大有山隧道隧址區(qū)位于西寧盆地，為雙向四車道分離式隧道，其隧道右線里程為YK2 +660—YK5+190，左線里程為ZK2 +660—ZK5 +205. 隧道埋深為20 ～110 m，開挖跨度12. 6 m，設計速度為100 km/h.隧道建筑限界寬度為10. 75 m，高度為5.0 m.預測2028年日平均交通量為51 315 輛/日(小客車).

隧址區(qū)地貌單元屬黃土塬梁地貌，海拔高程為2 314.8 ～2 444.2 m，相對高差約130 m. 進口段為北川河西岸Ⅲ級階地地貌，地形呈階梯狀起伏，臺面平整;出口端為黃土塬梁深切溝谷斜坡地貌，坡面陡峻，坡度為45° ～50°.在左線ZK2 +960—ZK3 +180或右線K3 +080—K3 +240 洞身段為深切U 型溝谷，溝床有二、三十米厚的素土碾壓夯實墊層.

在地質(zhì)構(gòu)造方面，隧址區(qū)位于祁、呂、賀“山”字型構(gòu)造體系的西翼弧形褶皺帶部位，總體褶皺形態(tài)表現(xiàn)為復式向斜構(gòu)造.西寧市位于其背斜軸部末端.在燕山運動中，該區(qū)發(fā)生了斷裂凹陷，形成了許多山間盆地，沉積了較厚的第三系泥巖;喜馬拉雅運動使第三系地層發(fā)生了平緩的褶皺和斷裂，以后受長期的侵蝕和剝蝕，堆積了較厚的第四系黃土.勘探結(jié)果揭示，隧址區(qū)黃土地層屬于第四系上更新風積黃土，為半干旱地區(qū)的非飽和黃土，且?guī)в幸欢ǖ臐裣菪?

2 大有山隧道病害概況

2.1 塌 方

2008年8月12日，西寧過境公路西段大有山隧道進口左洞ZK2 +957—ZK2 +963 處(距掌子面約60 m)拱頂下沉40 mm 左右，ZK2 +950—ZK2 +957 處初期支護混凝土出現(xiàn)裂縫. 掌子面處發(fā)生突泥、涌水，隨后在ZK2 +960 處發(fā)生塌方，地表產(chǎn)生塌陷，塌陷范圍11 m×10 m，深度2.5 ～3.0 m.

2.2 裂 縫

大有山隧道仰拱裂縫約有10 ～15 條，其中進口段4 條，出口段8 條，每條裂縫長度約4 ～6 m，裂縫寬度約5 ～10 mm，裂縫位置為距拱腳1.0 ～1.5 m.裂縫發(fā)育的時間為初期支護封閉成環(huán)后，二次襯砌施工以前.觀測結(jié)果顯示，在二次襯砌施工完成后，裂縫逐漸停止了發(fā)育. 二次襯砌裂縫主要發(fā)生在仰拱回填斷面處、車人行橫洞與主洞交叉口位置，裂縫沿車人行橫洞洞口向主洞襯砌上方延伸，裂縫寬度2 ～3 mm，長度1 ～2 m.

大有山隧道在通車運營1 a 后，隧道洞內(nèi)路面、洞身出現(xiàn)環(huán)向裂縫，且在同年7月份的兩次集中強降雨后裂縫發(fā)展速度急劇增加.

3 病害機理分析

3.1 理論分析

非飽和黃土在物理性質(zhì)方面較一般黃土有較大差異，其黏聚力是由土中水膜的物理化學作用以及土礦物顆粒的黏結(jié)力和顆粒間分子吸力所構(gòu)成;摩擦力取決于土顆粒接觸面上的正應力大小和土顆粒與膠結(jié)物接觸面之間的摩擦程度;吸附強度由基質(zhì)吸力產(chǎn)生，受含水量的影響較大，當土的含水量達到飽和狀態(tài)時，土的基質(zhì)吸力和吸附強度隨之消失.因此非飽和土摩爾－庫侖強度條件下的抗剪強度為

式中:Cw為黏聚力;S 為基質(zhì)吸力;bSd為吸附強度;σtanφ 為摩擦力;b，d 為隨取土點而變化的擬合參數(shù).

由式(1)可以看出，非飽和黃土基質(zhì)吸力的變化對于土體的力學形態(tài)影響較大，從而直接影響了非飽和黃土隧道病害的發(fā)生及其發(fā)展.

3.1.1 非飽和黃土基質(zhì)吸力對隧道支護力的影響

修正的芬納公式假定隧道處于無限大、均質(zhì)各向同性的巖土體中，黏聚力和摩擦角為常數(shù)，從而根據(jù)隧道的彈塑性分析可將其視為軸對稱問題. 將式(1)代入修正的芬納公式可得

式中:Pi為隧道內(nèi)支護力;P0為隧道初始地應力;r0為開挖半徑;R0為土體塑性區(qū)半徑.

由式(3)可知，隧道內(nèi)支護力Pi由初始地應力P0、黏聚力Cw、吸附強度bSd決定，而三者對支護力的貢獻又與a 有關(guān).當a 增大時，初始地應力對隧道的施壓作用增大，黏聚力和吸附力對隧道的承載作用減小;當a 減小時，則相反. 假定土體塑性區(qū)半徑R0保持一定，開挖半徑r0為一定值，則a 值的大小取決于摩擦角φ.當土體含水量增加時，摩擦角減小，a值增大，基質(zhì)吸力對隧道的承載力貢獻減小.為定量分析基質(zhì)吸力與隧道內(nèi)支護力之間的關(guān)系，將a 取為3 個定值，利用擬合曲線得出規(guī)律如圖1所示.

圖1 Pi－S 關(guān)系曲線

由圖1可以看出，當基質(zhì)吸力S 增大時，隧道支護力Pi則隨之減小;相反，當基質(zhì)吸力減小時，隧道支護力則隨之增大.可以推斷，當非飽和黃土含水量增加時，基質(zhì)吸力急劇減小，隧道支護力則隨之增大，且當a 值較小時，支護力Pi增大的趨勢越顯著.

大有山隧道地表水的下滲引起非飽和黃土基質(zhì)吸力的損失，導致隧道所需支護力急劇增大;且通過對拱肩、拱墻、拱腳等部位的鉆孔勘探，發(fā)現(xiàn)原土體含水率由10% ～30%增加至25% ～45%，飽和度增加至50% ～60%，在拱腳位置甚至出現(xiàn)了泥化現(xiàn)象，土體抗壓強度較設計值有極大的折減. 因此，隧道結(jié)構(gòu)的原有支護力已不能滿足隧道整體穩(wěn)定性的要求，從而引發(fā)拱頂下沉、塌方等病害.

3.1.2 非飽和黃土基質(zhì)吸力對隧道塑性區(qū)的影響非飽和黃土基質(zhì)吸力的變化對土體強度的影響較大，從而間接影響隧道的塑性區(qū).為定量分析基質(zhì)吸力S 對隧道塑性區(qū)半徑R0的影響，先假設隧道內(nèi)支護力達到理論最大值，即

由式(5)可知，當基質(zhì)吸力不斷減小時，Δ(bSd)不斷增大，A 值不斷增大，塑性區(qū)半徑R0則隨之增大.當摩擦角φ 較小時，基質(zhì)吸力減小引起塑性區(qū)半徑增大的趨勢較顯著.

非飽和黃土隧道的支護力對于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有極大的作用. 大有山隧道進口左洞ZK2 +957—ZK2 +963 處由于非飽和黃土含水量增加，基質(zhì)吸力減小，隧道所需支護力明顯增大，原襯砌所提供的支護力不能滿足要求，從而引起該處襯砌產(chǎn)生40 mm的拱頂下沉.當基質(zhì)吸力減小時，隧道塑性區(qū)半徑隨之增大，隧道周圍土體發(fā)生較大塑性變形.大有山隧道所發(fā)生的病害主要原因在于地表降雨及地表灌溉水的滲入，地表水下滲后遇到防水層的阻隔，匯集到防水層后的拱腳位置，但由于大有山隧道防排水系統(tǒng)的不完善，下滲水不能及時排走，從而引起該處產(chǎn)生較大塑性變形，隧道周圍產(chǎn)生不均勻變形，引起隧道襯砌的環(huán)向裂縫.

3.2 試驗分析

為分析非飽和黃土基質(zhì)吸力的變化對土體強度、應力－應變規(guī)律等方面的影響，筆者從大有山隧道選取了原狀非飽和黃土，采用非飽和土三軸儀對其進行室內(nèi)等圍壓變吸力剪切試驗.

3.2.1 等圍壓變吸力剪切試驗

在工地現(xiàn)場取土樣，并將其削成邊長25 cm 的立方體，標明土樣的上下方向，用塑料紙包好，運回實驗室途中盡可能保持其原狀［6］. 將原狀土制成試樣后，利用風干法調(diào)整其含水率為8%，由常規(guī)三軸儀、常規(guī)土工試驗可測得試樣的基本物理參數(shù)為:天然含水率w =10.3%，塑性指數(shù)Ip=8.0，比重Gs=2.7，有效黏聚力c=12.0 kPa，摩擦角φ=32°.

試驗儀器為FSY10－2 型應力應變非飽和三軸儀.利用專用削土器削樣，共制備8 個原狀三軸試樣(直徑為3.9 cm，高度為8.0 cm)，試驗共進行8 組.將試樣安裝在三軸壓力室后，對試樣施加圍壓和氣壓，所施加的氣壓應能使量測的孔隙水壓力大于零，圍壓值應在氣壓值的基礎(chǔ)上加上試驗所要求的凈圍壓值.當孔隙水壓力傳感器的讀數(shù)保持穩(wěn)定時，讀取所施加的氣壓值ua、孔隙水壓力uw，則土樣的基質(zhì)吸力S=ua－uw.在固結(jié)剪切過程中，通過調(diào)整所加氣壓，可以改變作用在試樣上的基質(zhì)吸力.

3.2.2 試驗結(jié)果分析

試驗中，圍壓取定值150 kPa，基質(zhì)吸力取變值分別為50，100，150，200 kPa，所得等圍壓變吸力條件下的非飽和黃土的應力－應變規(guī)律及強度參數(shù)變化趨勢如圖2—4 所示.

圖2 等圍壓變吸力條件下土體應力－應變關(guān)系

圖3 土體黏聚力隨基質(zhì)吸力的變化趨勢

圖4 土體摩擦角隨基質(zhì)吸力變化趨勢

由圖2可以看出，當圍壓保持一定時，基質(zhì)吸力越大，土體產(chǎn)生相同應變所需的應力越大;在試驗加載的初始階段，應力增加趨勢較明顯，最后逐漸趨于平穩(wěn).

由圖3可以看出，當基質(zhì)吸力較小時，黏聚力隨吸力增大而明顯增大;當基質(zhì)吸力較大時，黏聚力增大的趨勢逐漸趨于平穩(wěn).

由圖4可以看出，當基質(zhì)吸力為0 ～100 kPa時，摩擦角隨基質(zhì)吸力的增加而明顯減小，其減小趨勢明顯;當基質(zhì)吸力為100 ～200 kPa 時，摩擦角隨基質(zhì)吸力的增加而減小，但其趨勢較小，并逐步趨于平緩.

由此可見，基質(zhì)吸力對于非飽和黃土強度的影響主要在于對有效應力c，φ 的影響. 通過對大有山隧道地表調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，隧道左線ZK2 +960 對應地表恰好位于凹陷地形處，且該地表附近分布有大量農(nóng)田.在塌方發(fā)生前一天，地表農(nóng)田進行了灌溉，且灌溉后的農(nóng)田有若干個陷穴.由此可以推斷，灌溉水經(jīng)過陷穴后下滲入隧道周圍土體，而引起非飽和黃土基質(zhì)吸力的損失，進而降低了隧道周圍土體的有效應力，影響了隧道整體穩(wěn)定性，導致隧道產(chǎn)生塌方、冒頂?shù)炔『?

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

為進一步分析基質(zhì)吸力變化對大有山隧道受力的影響，針對其左線ZK2 +960 斷面進行了現(xiàn)場監(jiān)測.監(jiān)測主要內(nèi)容有初支－土體間壓力、二襯－初支間壓力，測試元件為JMZX－50XXBT 智能弦式數(shù)碼壓力盒，屬于埋入式通用土壓力傳感器，其量程為0.3 ～8.0 MPa，靈敏度為0.001 MPa，適用各種條件下土體內(nèi)部應力的測量，并且可以長期監(jiān)測和自動化測量.

當監(jiān)測初支－土體間壓力時，土壓力盒的安裝埋設應將受力膜一側(cè)朝向土體;而當監(jiān)測二襯－初支間壓力時，應將受力膜一側(cè)朝向初支.監(jiān)測點布設在拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱墻、右拱墻，且呈對稱分布，具體監(jiān)測結(jié)果如圖5—6 所示.

圖5 初支－圍巖間壓力變化圖

圖6 二襯－初支間壓力變化圖

圖5中的監(jiān)測數(shù)據(jù)是塌方前后兩個月內(nèi)測得的，即2008年7月1日—2008年9月15日.從圖中可以看出，在2008年8月6日前，各測點受力較小，為200 ～550 kPa.8月9日左右，壓力值急劇增大，為8月6日前壓力值的6 ～8 倍. 其原因為當時該地表附近農(nóng)田進行了灌溉，灌溉水通過陷穴下滲到隧道的匯水區(qū)域.隧道在8月12日發(fā)生塌方，部分監(jiān)測點受到損壞，經(jīng)過10 余天的塌方治理后，重新布設監(jiān)測點，其壓力值逐步下降，最終降為最大值的50.4% ～67.8%，并逐漸趨于穩(wěn)定.

圖6中的監(jiān)測數(shù)據(jù)為通車運營1 a 左右測得，即2010年6月15日—2010年8月18日，在6月15日—7月10日期間，隧道二襯與初支間壓力值普遍較小.在7月10日左右，拱頂、左拱肩、右拱肩部位的壓力值急劇增大，為7月9日前壓力值的5 ～6 倍，而左、右側(cè)拱墻處壓力值基本保持不變.其原因為7月10日前兩天該地區(qū)出現(xiàn)強降雨，地表水下滲，二襯與初支間的防排水系統(tǒng)不暢，引起非飽和黃土基質(zhì)吸力的損失，從而導致該處裂縫的急劇發(fā)展.經(jīng)處理，及時將下滲水排走后，拱頂、左拱肩、右拱肩部位的壓力值逐漸恢復到原值，裂縫的發(fā)展得到控制.

4 大有山隧道病害防治措施

大有山隧道病害的主要原因在于地表降雨及地表灌溉水的滲入，由于大有山隧道的防、排水效果欠佳，導致非飽和黃土體中含水量增加，其基質(zhì)吸力減小、土體強度降低，且該處黃土具有一定的濕陷性，從而引起隧道的拱頂下沉、環(huán)形開裂等病害.故非飽和黃土隧道設計中應考慮其基質(zhì)吸力損失引起的不利影響，從而獲取準確的非飽和黃土物理力學指標作為設計參數(shù)，提高其防、排水設計等級.

大有山隧道病害治理工作的重點在于對滲漏水的治理，所采取的治理措施如下:①查找并切斷水源，對于其地表農(nóng)田應該退耕還林，避免灌溉水的入滲，同時使得降雨、降雪等地表水下滲量減少，該方法為主動防水及大面積防水［7］;②對于存在空洞、陷穴的地層，應采用水泥漿液或化學漿液進行地表注漿;③對于洞頂?shù)乇砹芽p，可沿裂縫走向開挖深1.0 m、寬0.5 m 的溝槽，然后用素土夯實回填密實至地表，并修筑土壟高出地面，從而切斷地表水下滲通道，形成隔水層，保護非飽和黃土免受滲水影響，減小了基質(zhì)吸力的損失［8］;④對于已發(fā)生的襯砌裂縫，若裂縫寬度小于5 mm，則采用環(huán)氧樹脂嵌補即可;若裂縫寬度大于5 mm，應在二襯上鑿出20 cm×25 cm 的凹槽，嵌入全封閉工字鋼鋼架，鋼架間距為1 榀/m，最后用膨脹水泥進行填補，使其與原有二襯成為整體，從而增加支護結(jié)構(gòu)的剛度和強度，提高隧道整體的穩(wěn)定性.

5 結(jié) 語

在分析非飽和黃土工程特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合大有山隧道工程實例，利用數(shù)學模型、室內(nèi)試驗等手段分析基質(zhì)吸力的變化與隧道病害存在的內(nèi)在聯(lián)系，得出以下結(jié)論.

1)當非飽和黃土基質(zhì)吸力隨著含水量的增加而減小時，隧道內(nèi)部所需支護力則隨之增大.

2)當非飽和黃土基質(zhì)吸力隨著含水量的增加而減小時，塑性區(qū)半徑R0則隨之增大;當摩擦角φ較小時，基質(zhì)吸力減小引起的塑性區(qū)半徑增大的趨勢較顯著.

3)由于受地表水下滲影響，大有山隧道周圍土體基質(zhì)吸力減小，塑性區(qū)半徑增大，所需支護力增大，導致其發(fā)生拱頂下沉、塌方、襯砌開裂等病害.

4)通過采取退耕還林、地表注漿、素土夯實回填、襯砌裂縫處理等一系列措施對大有山隧道病害進行處治，效果良好.

［1］盧肇鈞.非飽和土抗剪強度的探索研究［J］.中國鐵道科學，1999，20(2):10－16.

［2］沈細中，管新建，蘭雁. 非飽和黏土有效應力強度指標計算［J］.巖土力學，2007，28(增):207－210.

［3］任青文，張宏朝.關(guān)于芬納公式的修正［J］.河海大學學報，2001，29(6):109－111.

［4］李寧軍，夏永旭.基質(zhì)吸力對非飽和黃土隧道力學特性影響研究［J］.西安公路交通大學學報，2000，20(2):49－51.

［5］康佐，李寧軍，來弘鵬. 非飽和黃土隧道力學特性研究［J］.公路交通科技:應用技術(shù)版，2007(5):8－11.

［6］李聰，鄧衛(wèi)東，張盛. 考慮非飽和土基質(zhì)吸力影響的路基回彈模量研究［J］.公路交通技術(shù)，2008(4):5－12.

［7］王建秀，朱合華，唐益群，等.雙連拱公路隧道裂縫成因及防治措施［J］. 巖石力學與工程學報，2005，24(2):195－202.

［8］李強.淺埋、富水黃土隧道塌方成因及預防對策［J］.山西交通科技，2008(6):53－55.