濕陷性黃土隧道圍巖變形特性研究

牛彥平 胡少雷 徐永建

摘 ?要：濕陷性黃土的性質(zhì)較為特殊，在水分侵入后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的變形及破壞。該文通過分析我國(guó)某鐵路濕陷性黃土隧道，對(duì)該工程施工期間內(nèi)的鋼拱架結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，該文詳細(xì)的分析了該工程隧道圍巖變形的特征，將其信息參數(shù)進(jìn)行了精確的反饋，對(duì)其支護(hù)措施提出了詳細(xì)的建議。希望能夠?yàn)槲覈?guó)在此方面提供一些建議。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土;隧道圍巖;變形特性

中圖分類號(hào)：U455 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 濕陷性黃土

1.1 黃土的濕陷性分類

濕陷性黃土一般情況下分為2類，一類是自重型的濕陷性黃土，一類是非自重型的濕陷性黃土。顧名思義，自重型的濕陷性黃土就是由于自身的因素，在黃土被水分浸濕后，由于上半部分的自重壓力而產(chǎn)生的黃土濕陷。而非自重型的濕陷性黃土，在被水分浸濕后，盡管壓力沒有超過自重，也會(huì)發(fā)生濕陷現(xiàn)象。

1.2 濕陷性土壤的影響因素

內(nèi)部因素，例如黃土本身的組成結(jié)構(gòu)，礦物成分，顆粒，化學(xué)成分，水分含量，以及外界因素，風(fēng)力，水分，水流壓力等都是影響黃土濕陷性的主要因素。一般情況下，黃土的黏土的含量越多，黃土的濕陷性就越弱。同時(shí)黃土內(nèi)部顆粒的直徑對(duì)于黃土的濕陷性的具有一定的影響，當(dāng)黃土內(nèi)部顆粒的含量小于0.001 mm是其對(duì)黃土的濕陷性影響較大。此外，黃土內(nèi)部黏力的分布對(duì)于黃土的濕陷性也具有較大的影響，如果黏粒分布在黃土的骨架顆粒之間，就能起到很好的膠結(jié)作用。其次，黃土內(nèi)部的化學(xué)成分例如石膏、易溶性鹽、碳酸鈣等都對(duì)黃土的濕陷性產(chǎn)生了一定影響。針對(duì)黃土的賦存狀態(tài)來說，當(dāng)其化學(xué)組成以薄膜狀分布時(shí)，就能夠形成膠結(jié)物的組成，進(jìn)而影響黃土的濕陷性。在外界條件的壓力下，黃土內(nèi)部的孔隙越大，視線系數(shù)越大，水分含量越高，濕陷系數(shù)越低。因?yàn)槟z結(jié)物的顆粒含水量增加時(shí)，相對(duì)情況下的黃土壓縮性就得到了提高。

2 工程概述

該文以我國(guó)某鐵路的隧道工程為例，該工程位于我國(guó)某城市的村落之間。該隧道表現(xiàn)出露巨厚的第四系。該隧道周圍的土壤經(jīng)過日益累積的風(fēng)吹雨曬，其黃土組成多為沙質(zhì)為主，厚度大約在10 m～50 m。該工程隧道的起止里程為DK75+750-DK76+836，該隧道的全長(zhǎng)為1 186 m，呈現(xiàn)出雙線隧道，最大埋深高度深約61 m。該隧道的沙質(zhì)黃土主要是由自重型濕陷性黃土組成，黃土濕陷性為二級(jí)，濕陷深度高達(dá)14 m。因此，該工程也成為了我國(guó)典型的濕陷性黃土隧道，并且該隧道呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性。

基于該隧道的黃土是線性以及不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)土壤，為了最大程度地防止在隧道開挖后發(fā)生圍巖坍塌事故，相關(guān)施工人員也提出了一套完整的支護(hù)方案。該工程隧道采用復(fù)合式的趁機(jī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在隧道的初期支護(hù)中采取錨噴支護(hù)，在進(jìn)行混凝土的錨噴時(shí)，厚度控制在20 cm左右，標(biāo)準(zhǔn)情況下最小厚度不少于20 cm，該隧道的拱部不設(shè)置錨桿，隧道墻壁采用粘結(jié)性砂漿錨桿，之間的間距控制在20 cm左右。鋼架兩側(cè)同樣使用錨桿進(jìn)行固定支撐。

基于濕陷性黃土隧道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，相關(guān)人員對(duì)于該工程隧道的圍巖結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)的調(diào)查與分析。深入了解了濕陷性黃土隧道圍巖的變形規(guī)律，對(duì)于研究人員及相關(guān)部門，對(duì)該工程后期的施工具有至關(guān)重要的推動(dòng)作用，為我國(guó)相關(guān)企業(yè)有部門的建設(shè)也提供了參考。

3 濕陷性黃土隧道圍巖的變形特性

在隧道進(jìn)行開挖施工的過程中，導(dǎo)致圍巖發(fā)生變形的影響因素有很多，圍巖的變形破壞是一個(gè)暫緩漫長(zhǎng)演變的過程。例如地下水分的狀態(tài)，巖石的特性，施工方法，支護(hù)措施，施工時(shí)間等，都是引起隧道圍巖發(fā)生變形破壞的原因。由于施工過程與地質(zhì)因素在具體的實(shí)際施工中具有不確定性，因此在工程建設(shè)中很難對(duì)隧道圍巖進(jìn)行精確的把握與計(jì)算。然而從統(tǒng)計(jì)學(xué)出發(fā)，隧道圍巖在空間分布中仍然具有一定的規(guī)律[1]。

根據(jù)隧道圍巖的變形機(jī)制，圍巖的變形可以分為材料變形與結(jié)構(gòu)變形。其中結(jié)構(gòu)變形主要是以地質(zhì)特性和力學(xué)特征為基礎(chǔ)，導(dǎo)致圍堰結(jié)構(gòu)面張開或閉合，從而發(fā)生變形破壞現(xiàn)象。而材料變形可以分為黏性變形，塑性變形和彈性變形。此外，根據(jù)隧道圍巖的空間效應(yīng)，圍巖的變形可以分為掌子面后變形、掌子面前變形以及掌子面超前變形等。

在隧道進(jìn)行施工的過程中，隧道原來的平衡狀態(tài)會(huì)被發(fā)生破壞，從而引起隧道掌子面附近的圍巖發(fā)生變形破壞。根據(jù)研究勘測(cè)所得，可以將圍巖的變形破壞分為3個(gè)階段。首先是隧道掌子面的超前變形，其次是隧道掌子面的后期變形，最后則是掌子面隧道的穩(wěn)定變形期。

一般的施工條件顯示到掌子面的超前變形占據(jù)圍巖變形的1/4左右，隧道圍巖的狀態(tài)越差，掌子面超前變形的程度就越強(qiáng)，但是其所占總變形量的比率會(huì)變小。盡管在現(xiàn)有的條件下，在施工過程中并不能完全反映隧道圍巖的變形機(jī)制，但是通過統(tǒng)計(jì)與分析可以監(jiān)測(cè)出隧道圍巖的變形速率以及其對(duì)施工過程的穩(wěn)定狀況的關(guān)系，做進(jìn)一步分析后期的保障措施[2]。

4 儀器的布置與安裝

4.1 測(cè)量?jī)x器的布置原則

在進(jìn)行儀器的布置時(shí)，嚴(yán)格按照預(yù)留核心土三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行。為了能夠提高圍巖測(cè)定解和的大小和方向的準(zhǔn)確性，該進(jìn)行隧道的施工過程中每進(jìn)行一步就要在隧道中間位置安裝測(cè)試儀器，并且將其儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的收集整理。從而提高圍巖勘察的效果，以此為基礎(chǔ)，從而確定測(cè)量?jī)x器的布置方案。

4.2 應(yīng)變計(jì)的布置

應(yīng)變計(jì)主要是以測(cè)量?jī)x器宮內(nèi)外的變形量為基礎(chǔ)工作原理，因此在安裝應(yīng)變計(jì)時(shí)，需要測(cè)量拱頂內(nèi)外側(cè)兩邊的變形量。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.1 數(shù)據(jù)的采集

施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集主要是通過這顯示的測(cè)量?jī)x獲得，通過該儀器測(cè)量施工過程中圍巖的頻率值，通過得到的數(shù)據(jù)可以計(jì)算鋼拱架的應(yīng)變量。

針對(duì)鋼拱架的應(yīng)變?nèi)缦拢?/p>

ε=K（F?-F0）+B ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：ε—結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變量（10-6）。K—儀器標(biāo)定的系數(shù)（10-6/F）。F?—測(cè)得的頻模值（F）。F0—儀器的初始讀數(shù)（F）。B—應(yīng)變計(jì)的計(jì)算修正值（10-6）。

5.2 鋼拱架的應(yīng)力分析

針對(duì)于上文所提出的應(yīng)變計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以獲得隧道初期支護(hù)中鋼拱架的應(yīng)變量，根據(jù)下面所示的計(jì)算方式，可以計(jì)算出鋼拱架的應(yīng)力具體值。

σ=Eε ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：E—鋼拱架的彈性模量，取210 GPa。

ε—鋼拱架應(yīng)變。

經(jīng)過實(shí)際勘察表明所得，鋼拱架在安裝初期時(shí)其應(yīng)力變化較大，而當(dāng)隧道的臺(tái)階發(fā)生一定變化時(shí)，鋼拱架地應(yīng)力也會(huì)隨著隧道的臺(tái)階變化而出現(xiàn)數(shù)值的上下起伏。隨著施工過程的不斷進(jìn)行，應(yīng)力值也會(huì)逐漸趨近于一個(gè)穩(wěn)定值。具體表現(xiàn)如下。1）針對(duì)于本工程在進(jìn)行隧道上臺(tái)階的開挖時(shí)，已經(jīng)在上臺(tái)階安裝了應(yīng)變計(jì)，隧道截面處的拱頂在內(nèi)外兩側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)處于平衡。在應(yīng)變器及安裝后的第一天施工時(shí)，監(jiān)測(cè)人員發(fā)現(xiàn)其數(shù)值發(fā)生了突增，隨后趨于緩慢的趨勢(shì)。而隨著施工的不斷進(jìn)行，該應(yīng)力值持續(xù)在增加。隨著隧道開挖工程的不斷進(jìn)行，在開挖過程進(jìn)行到中臺(tái)階時(shí)，該應(yīng)力值又出現(xiàn)了明顯的增加，一周時(shí)間后該應(yīng)變值下降。而在開挖過程進(jìn)行到下臺(tái)階時(shí)，該應(yīng)變值又出現(xiàn)了突然的增加。最后當(dāng)開挖工程進(jìn)行完畢時(shí)，拱架內(nèi)外兩側(cè)的壓力已經(jīng)穩(wěn)定在了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)之內(nèi)。在隧道開挖施工的過程中，左側(cè)上臺(tái)階的截面處，其外側(cè)的壓力一直處于受拉狀態(tài)，其拱架內(nèi)部的壓力一直處于受壓狀態(tài)。在施工過程進(jìn)行的中臺(tái)階開挖時(shí)，拱架隧道外側(cè)的壓力都明顯地出現(xiàn)了增加，其內(nèi)側(cè)的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榱耸軌籂顟B(tài)。隨著隧道的施工該處的應(yīng)力變化趨于平緩，內(nèi)側(cè)與外側(cè)的壓力值都分別穩(wěn)定在了標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)[3]。

隧道開挖施工的過程中，右側(cè)上臺(tái)階的截面處，隧道外側(cè)一直處于受拉狀態(tài)。在隧道開挖施工進(jìn)行中，內(nèi)外側(cè)兩邊的壓力都在不斷增加。而隨著開挖過程的不斷進(jìn)行，施工進(jìn)行到中臺(tái)階時(shí)，隧道兩側(cè)的壓力有了明顯的降低。隨著施工的不斷進(jìn)行，另外，兩側(cè)壓力又持續(xù)增加，最終該處隧道內(nèi)外兩側(cè)的壓力最終也穩(wěn)定在了標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。 2）在進(jìn)行隧道右側(cè)中臺(tái)階的開挖施工時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)在開挖施工進(jìn)行后，隧道拱架內(nèi)側(cè)一直處于受壓狀態(tài)，而隧道的拱架外側(cè)一直處于受拉狀態(tài)。開挖進(jìn)行前期兩邊的應(yīng)力都在不斷的增加，隨著隧道開發(fā)過程的不斷進(jìn)行應(yīng)力又緩慢減小，最終在進(jìn)行下臺(tái)階的開挖時(shí)，隧道兩側(cè)的應(yīng)力又在逐漸增加，隧道兩側(cè)的應(yīng)力也穩(wěn)定在了標(biāo)準(zhǔn)之中。在進(jìn)行隧道右側(cè)重臺(tái)階的開挖施工時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)知道拱架內(nèi)側(cè)一直處于受壓狀態(tài)，而外側(cè)一直處于受拉狀態(tài)。隨著開挖過程的不斷進(jìn)行，隧道拱架應(yīng)力也在逐漸的增大，之后又趨于緩慢的回落趨勢(shì)。隨著開挖深度的不斷深入，應(yīng)力又出現(xiàn)了明顯的增加。最終隧道內(nèi)外兩側(cè)的壓力的都穩(wěn)定在了標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。3）在進(jìn)行隧道左側(cè)下臺(tái)階的開挖過程中，研究表明發(fā)現(xiàn)拱架內(nèi)外兩側(cè)一直處于受壓狀態(tài)，隨著開挖過程的不斷進(jìn)行，其應(yīng)力也在逐漸減小，施工過程其應(yīng)力值出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，最終也穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

隨著隧道右側(cè)下臺(tái)階開挖過程的進(jìn)行，通過研究發(fā)現(xiàn)拱架外側(cè)處于受壓狀態(tài)，內(nèi)側(cè)由開始的受壓狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱耸芾瓲顟B(tài)。隧道兩側(cè)的壓力值也在緩慢的增加，最終穩(wěn)定在了標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)該工程隧道圍巖變形特性的研究與勘察，可以得出以下結(jié)論：首先采取七步開挖法施工，可以很好地解決圍巖變形問題。其次，在隧道開挖過程的進(jìn)行中，要嚴(yán)格控制施工中間環(huán)節(jié)。最后研究發(fā)現(xiàn)在圍巖處采取拱架支護(hù)做支撐，一定程度上可以提高施工效率，節(jié)約資金投入成本。

參考文獻(xiàn)

[1]李駿. 黃土隧道圍巖濕陷與襯砌結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制及其評(píng)價(jià)方法研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2019.

[2]李曦鵬. 超大斷面新黃土隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與基底濕陷性處理方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2015.

[3]鄭選榮. 西安地鐵淺埋暗挖黃土隧道圍巖變形特性及控制技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2015.