滲流作用下黃土含水率變化特征及對隧道工程的影響

張曉宇，畢煥軍，曹 峰，夏萬云

（1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），陜西 西安 710043）

水分是影響黃土性質(zhì)和工程安全的關(guān)鍵因素之一。張宏剛[1]分析評價水分對西安黃土區(qū)深基坑支護(hù)工程穩(wěn)定性的可靠度影響，并將西安地區(qū)土釘墻失效的報警含水率定為20.62%。郭安邦等[2]研究了青海地區(qū)原狀黃土在不同含水率下的力學(xué)特性，認(rèn)為黏聚力隨著含水率的增加降幅比較大。邢鮮麗等[3]利用三軸固結(jié)不排水試驗測出了不同含水率下黃土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，含水量對黃土有效殘余抗剪強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在黏聚力上。謝超[4]針對引水灌溉引起的涇河南岸黃土臺塬滑坡災(zāi)害頻發(fā)，通過現(xiàn)場原位滲水試驗獲得了試驗土剖面水平向和豎向的含水率變化。趙景波等[5]利用雙環(huán)入滲法研究了洛川黃土剖面層土壤水分入滲特點，認(rèn)為黃土層孔隙度高，含水空間較大，利于形成含水層，紅褐色古土壤層孔隙度低，含水空間較小，利于形成隔水層。習(xí)羽等[6]利用甘肅隴東黃土塬開挖的100 m深人工水井，通過測試物理力學(xué)指標(biāo)，研究結(jié)果表明含水率與飽和度、液性指數(shù)正相關(guān)，同時黃土含水率在黃土中低，在古土壤中高。

針對隧道工程，李壽福[7]系統(tǒng)分析了黃土地區(qū)隧道滲漏水的危害，主要表現(xiàn)為滲漏水會軟化圍巖，水害引發(fā)基地下沉裂損、翻漿冒泥等病害。王新東[8]總結(jié)了黃土含水率對隧道變形的影響，提出了一般含水率（ω＜17%）、中高含水率（17%≤ω＜25%）、高含水率（ω≥25%），尤其是當(dāng)黃土含水率ω≥28%時，土體近飽和—飽和狀態(tài)，多呈流塑狀，承載力很低，掌子面土體無法自穩(wěn)。陳福江[9]以鄭西高鐵張茂隧道為例，模擬隧道圍巖在天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)等不同施工工況下對隧道形態(tài)的影響。趙永虎等[10]以銀西高鐵董志塬區(qū)上閣村隧道，采用現(xiàn)場監(jiān)測方法，對黃土隧道圍巖體積含水率變化規(guī)律和鋼拱架受力特征進(jìn)行分析研究。張曉宇[11]分析了銀西高鐵驛馬一號隧道地表降水過程中黃土含水率的變化特征，認(rèn)為地表降水改善了黃土的物理性質(zhì)，提高了黃土圍巖的穩(wěn)定性。

國內(nèi)學(xué)者有關(guān)含水率對土體強(qiáng)度及工程的影響做了大量研究，并建立了多種以黃土含水率為指標(biāo)的土體強(qiáng)度及工程措施判別標(biāo)準(zhǔn)[1,8,12]，但對于黃土含水率的變化原因及時空變化特征缺乏系統(tǒng)研究。本文以驛馬一號隧道洞身附近軟塑黃土為例，通過分析不同空間、不同時間、不同方法黃土含水率測試結(jié)果，得到滲流變化情況下軟塑黃土含水率時空變化規(guī)律，對高含水率黃土隧道的勘察設(shè)計施工提出了一些思考。

1 軟塑黃土分布特征

銀西高鐵驛馬一號隧道區(qū)地層主要為第四系上更新統(tǒng)（Qp3）、中更新統(tǒng)（Qp2）風(fēng)積黏質(zhì)黃土。第四系上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土分布于梁塬表層，厚度10～20 m，硬塑為主。中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土分布梁塬中部，厚度大于150 m，硬塑為主，地下水位附近及含水層位置以軟塑為主。

根據(jù)勘探成果，驛馬一號隧道在塬區(qū)地下水水位埋深約40～75 m，根據(jù)勘探資料，DK255+290—DK256+220、DK256+300—DK257+580通過黃土軟塑層，勘探孔深度范圍內(nèi)含水層厚約20～40 m。高精度瞬變電磁法結(jié)論表明軟塑狀黏質(zhì)黃土：視電阻率變化較小，其數(shù)值基本分布在180～260 Ω·m范圍內(nèi)；物探揭示隧道DK255+800—DK257+570穿越地層為Qp2軟塑黃土。圖1表明的是驛馬一號DK255+880—DK257+550段隧道洞身軟塑黃土分布范圍，室內(nèi)試驗以及高精度瞬變電磁法揭示的黃土軟塑層分布、范圍、厚度、趨勢基本一致。

圖1 驛馬一號隧道洞身軟塑段分布示意圖Fig.1 Distribution map of soft and plastic loess section of the Yima No.1 tunnel

2 地表降水措施

驛馬一號隧道由于長大段落位于地下水位以下，施工出現(xiàn)的滲涌水、隧底軟化、黃土含水率高、掌子面滑塌失穩(wěn)、影響圍巖穩(wěn)定等問題，為此開展了地表降水輔助施工措施。降水井布置于隧道輪廓線兩側(cè)4 m處，井間距25 m，井深位于軟塑層以下15～25 m，一般井深95～105 m，井管內(nèi)徑為325 mm，過濾器位置及長度根據(jù)成井揭示黃土含水層確定。潛水泵配置流量10～20 m3/h，揚程大于100 m。施工表明地表輔助降水疏干了隧道洞身地下水，降低了黃土含水率和液性指數(shù)，改善了黃土物理性質(zhì)，提高了黃土圍巖穩(wěn)定性，隧道于2019年7月順利貫通。圖2是DK256+880—DK256+500降水井平面布置示意圖。

圖2 驛馬一號隧道DK255+880—DK256+500間距25 m降水井平面布置示意圖Fig.2 Extraction wells layout map for the Yima No.1 tunnel DK255+880—DK256+500 spacing for 25 m

3 不同滲流狀態(tài)下軟塑黃土含水率特征

3.1 自然滲流軟塑黃土含水率

董志塬地下水徑流，一般從水位比較高的塬心向塬邊流動，徑流速度比較慢，塬心水力坡度比較平緩為8.5‰。而塬邊地帶水力坡度可達(dá)33‰。驛馬一號隧道周邊地下水滲流亦是從塬中心向塬邊流動。

2015年7月根據(jù)驛馬一號隧道YM1DZ-17鉆孔（里程DK256+415）含水率隨深度變化（圖3）可以看出，地下水位以上（40 m以上）的含水率基本小于23%；40～80 m水位線及以下含水率為23%～27%，其中位于洞頂埋深58，62 m含水率分別為25.2%、26.6%，隧道洞身66 m處含水率為26.1%，含水率平均值為25.9%。說明含水率明顯受到地下水的影響。根據(jù)液性指數(shù)判定其塑性狀態(tài)結(jié)果：0～40 m硬塑為主；40～80 m軟塑為主，地下水以下及黃土含水層附近的黃土物理性質(zhì)明顯變差。

圖3 YM1DZ-17黃土含水率?深度圖Fig.3 Change in moisture content with depth in the YM1DZ-17 loess

3.2 洞內(nèi)排水施工軟塑黃土含水率

2017年9月驛馬隧道一號斜井洞身從X0+208通過軟塑層，局部地段出現(xiàn)了滲水及股狀出水，地下水位下降到掌子面及拱腰附近，洞身成為地下水排泄通道。以驛馬一號隧道1號斜井施工至斜X0+413.7典型斷面為例，洞內(nèi)處于排水狀態(tài)，黃土含水率在拱頂、上拱腰、下拱腰測試的結(jié)果分別為29.9%、31.8%、32.2%，平均值為31.3%，較上階段上升20.8%（表1）。含水率和液性指數(shù)均呈明顯的上升趨勢，黃土呈飽和、軟塑狀態(tài)，局部達(dá)到了流塑，造成掌子面失穩(wěn)坍塌，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度與安全。

表1 洞內(nèi)排水黃土含水率監(jiān)測結(jié)果Table 1 Monitoring results of moisture contentof the drained loess in the hole/%

3.3 降水施工軟塑黃土含水率

2019年3月在采取地表降水輔助施工后，地下水位位于拱底以下，對掌子面拱頂、上拱腰、下拱腰不同位置的含水率進(jìn)行監(jiān)測，獲取了施工降水期間含水率在掌子面的分布狀態(tài)。從表2中可以看出，地表降水后，掌子面黃土的含水率一般為23.8%～28.1%，掌子面不同位置含水率存在含水率拱頂最小，上拱腰次之，下拱腰較大的差異。以DK256+288掌子面取樣監(jiān)測結(jié)果為例，拱頂、上拱腰、下拱腰黃土含水率測試結(jié)果分別為25.3%、24.6%、26.1%，平均值為25.4%，較排水施工下降18.8%。

表2 降水期間掌子面黃土含水率監(jiān)測結(jié)果Table 2 Monitoring results of loess moisture content in the tunnel face during extraction of water/%

3.4 水位恢復(fù)軟塑黃土含水率

2019年1月底在驛馬隧道銀川端方向DK256+280斷面埋設(shè)了6組淺埋水分傳感器（圖4），圖5為驛馬一號隧道西安端的測試斷面圍巖含水率變化趨勢。拱頂圍巖水分在經(jīng)歷28 d后達(dá)到基本穩(wěn)定，上拱腰及仰拱圍巖水分在經(jīng)歷3～9 d后達(dá)到基本穩(wěn)定。在圍巖開挖初期，進(jìn)行了連續(xù)地表深井降排水、洞內(nèi)排水等措施，圍巖含水率明顯降低；水位恢復(fù)，影響到上拱腰及下拱腰，其含水率接近飽和狀態(tài)。2019年5月在停止降水后，水位恢復(fù)，形成新的排泄通道，地下水位位于下拱腰附近，DK256+280黃土斷面監(jiān)測約40 d后含水率分布基本穩(wěn)定，其中拱頂黃土含水率為24.1%，上拱腰含水率為27%，下拱腰為37.2%，平均值為29.4%，較上階段上升15.7%。

圖4 驛馬一號隧道DK256+280含水率監(jiān)測橫斷面Fig.4 Moisture content in the DK256+280 cross-section of the Yima No.1 tunnel

圖5 驛馬一號隧道DK256+280斷面圍巖含水率測試結(jié)果Fig.5 Test results of moisture content in the surrounding rock of DK256+280 section of the Yima No.1 tunnel

4 軟塑黃土含水率變化規(guī)律

雖然對比分析的軟塑黃土含水率測試結(jié)果不在同一隧道里程、不在同一埋深，測試方法也不同，但通過大量實測數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為選取的位置工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件一致，測試結(jié)果具有很強(qiáng)的代表性。通過分析發(fā)現(xiàn)（表3），隧道洞身黃土含水率時間變化與所處的工況及地下水滲流狀態(tài)有很大的關(guān)系。

表3 驛馬一號隧道不同時空黃土含水率Table 3 Test results of loess moisture content in different time and space of the Yima No.1 tunnel

2015年7月，在自然滲流狀態(tài)下，DK256+415位于地下水位以下，處于Qp2中更新統(tǒng)黃土含水層中，隧道洞身附近的黃土含水率測試結(jié)果相近，不同位置差值較小，平均值達(dá)到了25.9%，明顯高于上更新統(tǒng)以及中更新統(tǒng)非含水層黃土。

2017年9月，施工開挖后，隧道改變了黃土的滲流狀態(tài)，隧道成為地下水排泄通道，滲流狀態(tài)改變，施工進(jìn)度緩慢，進(jìn)一步加速軟化了原本就是軟塑的黃土，地下水與施工開挖擾動共同作用使得掌子面黃土難以維持原始狀態(tài)。與天然狀態(tài)相比，黃土含水率明顯增加，不同空間差異性略變大（圖6），整體上施工開挖隧道洞身黃土含水率較天然狀態(tài)上升了20.8%。

圖6 驛馬一號隧道不同時空黃土含水率Fig.6 Box chart and column chart for the test results of loess moisture content in different time and space of the Yima No.1 tunnel

2019年3月，采取地表降水后，由于長期的預(yù)降水以及施工期間的降水，隧道不再是地下水的主要排泄通道。DK256+288段施工降水分析結(jié)果，與未降水階段相比，掌子面的黃土含水率明顯降低，不同空間測試的差異性進(jìn)一步擴(kuò)大，下拱腰高出上拱腰4%，拱頂與上拱腰的黃土含水率明顯低于下拱腰，且下降較大，可以達(dá)到24%，下拱腰下降了約13.3%。與自然狀態(tài)相比，兩個階段的黃土含水率平均值較為接近，拱頂與下拱腰普遍低于自然狀態(tài)，下拱腰普遍高于天然狀態(tài)。下拱腰含水率大的原因為：（1）地表降水雖然使地下水位降至隧底以下，但由于隧底距離地下水位較近，毛細(xì)上升作用造成水分補給；（2）洞內(nèi)未梳干的水在下臺階匯集，從而引起下臺階含水率偏高。

2019年5月，DK256+280二襯施工完成，停止降水，黃土含水率普遍增加，約40 d達(dá)到穩(wěn)定。與降水階段對比，拱頂?shù)狞S土含水率總體沒有變化，上拱腰與下拱腰位置黃土含水率明顯上升，平均上升了15.7%，下拱腰最大上升了33%，不同空間測試差異性進(jìn)一步擴(kuò)大，下拱腰高出拱頂13.1%。水位恢復(fù)后拱頂與上拱腰位置含水率低于排水狀態(tài)的拱頂和上拱腰的含水率，下拱腰位置測試結(jié)果高于下臺階；與自然狀態(tài)相比，拱頂與上拱腰位置含水率與自然狀態(tài)相近，而下拱腰位置測試結(jié)果高于自然狀態(tài)。這是由于停止降水后，地下水水位恢復(fù)，隧道成為地下水的排泄通道，地下水位線形成的自然降落漏斗位于上拱腰上部或附近，下拱腰附近黃土受到了地下水滲流影響，而拱頂位置不再受地下水排泄的影響，造成黃土含水率的差異性。下拱腰黃土含水率普遍大于30%，說明隧道施工完成后，基地的含水率普遍較高，需要采取地基處理措施。

5 驛馬一號隧道勘察設(shè)計施工思考

劉貴平等[13]分析認(rèn)為黃土層潛水廣泛分布在梁峁區(qū)和塬區(qū)，梁峁區(qū)地形極為破碎，難以形成穩(wěn)定連續(xù)的含水層。塬區(qū)黃土層潛水主要分布在延安以南和隴東地區(qū)，能夠形成相對穩(wěn)定連續(xù)的含水層，水量相對豐富。

針對黃土地區(qū)的隧道工程，劉彤[14]通過調(diào)查已建和在建黃土及軟巖公路隧道的地形、地貌、地質(zhì)、植被條件，以及隧道結(jié)構(gòu)、施工方法、地下水出漏情況，分析甘肅黃土及軟巖公路隧道滲漏水的原因。楊曉華等[15]指出，對隧道涌水條件認(rèn)識不全面，遺漏隧道出水條件是隧道漏水的主要原因，尤其是未重視隧道位于地下水以下。張志勇等[16]將甘肅黃土公路隧道涌水類型進(jìn)行劃分，將隧道涌水類型劃分為：滴滲、淋淌、股水、突水。

根據(jù)銀西高鐵驛馬一號隧道監(jiān)測資料及研究成果，地下水位及地下水滲流改變可以使隧道洞身附近黃土含水率變化幅度達(dá)到15%～33%，同時掌子面不同位置黃土含水率變化幅度也約為5%。銀西高鐵成果表明，降水后黃土含水率即使在26%～30%亦可以正常按照臺階法施工，因此控制黃土隧道地下水的滲流，盡量做到洞內(nèi)無滲水施工，應(yīng)該是富水黃土隧道施工最主要的思路。可以根據(jù)地下水不同富水段落長度、出水量，有針對性地采取噴射混凝土、洞內(nèi)集水井、帷幕注漿以及地表降水等措施。應(yīng)重點對待埋深30～100 m、圍巖含水率大于25%、掌子面涌水量大于200 m3/d的黃土隧道。

6 結(jié)論及建議

（1）通過鉆孔取樣、掌子面取樣監(jiān)測，揭示了自然狀態(tài)、施工排水、施工降水、水位恢復(fù)等不同條件下隧道影響范圍內(nèi)黃土含水率演化規(guī)律，結(jié)果表明，地下水滲流作用是控制隧道洞身含水率變化的主要因素。

（2）自然滲流狀態(tài)下隧道洞身黃土含水率平均為25.9%；施工排水階段受滲涌水影響，黃土含水率平均上升到31.3%；采取地表降水后，黃土含水率下降為25.4%；水位恢復(fù)后，黃土含水率平均上升到29.4%。不同工況條件下，隧道洞身拱頂、上拱腰、下拱腰含水率變化值為1.4%～13.1%，其中在水位恢復(fù)階段不同位置含水率變化值最大。

（3）與自然狀態(tài)相比，施工排水、地表降水以及水位恢復(fù)出現(xiàn)了黃土含水率升高、下降以及再升高的變化趨勢。地下水滲流變化將使得隧道洞身黃土含水率變幅達(dá)15%～33%。

（4）銀西高鐵黃土隧道勘察設(shè)計施工表明埋深在30～100 m、圍巖含水率大于25%、掌子面涌水量大于200 m3/d的黃土隧道會受到地下水滲流的影響，同時通過控制地下水滲流作用可以達(dá)到隧道穿越黃土含水層安全施工的目標(biāo)。