黃土塬區淺埋暗挖隧道慢坡段施工期圍巖變形特征分析

苗學云 范世鴻 米維軍 趙永虎

（1.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000；2.中鐵一局集團有限公司，西安 710043）

近年來，隨著西部大開發的不斷深入及“一帶一路”倡議的實施，國家公路、鐵路等基礎設施在西部地區建設力度進一步加大，穿越黃土地層的隧道也越來越多，在甘肅、陜西、河南、寧夏、山西、青海等黃土地區已有大量隧道建成并投入使用。這些隧道工程在建設過程中出現了一系列如深淺埋界線界定不一、圍巖壓力取值與規范差異較大、支護體系設計不合理、常規施工方法不適用等技術難題，導致在施工過程中出現掉塊、滲漏、裂縫甚至塌方等病害，嚴重影響了隧道建設、運營安全和服役壽命［1-3］。

銀西高速鐵路在慶陽段董志塬2次穿越黃土塬區，塬邊出現了眾多的淺埋慢坡段［4-5］。淺埋慢坡段由于其特殊的地形地貌特征，隧道地表存在大量不良地質體，如滑坡體、大型陷穴、沖溝等，這給隧道建設施工帶來難度［6-7］。淺埋慢坡段由于地表距隧道開挖面距離不均，存在明顯的偏壓現象［8］，且隧道洞身同時穿越第四系上更新統和中更新統黃土層，在空間上巖土工程特性存在著明顯的差異，隧道設計與施工過程中圍巖的穩定性成為重點關注的問題。

國內學者對黃土隧道圍巖穩定性展開了大量研究。李鵬飛等［9］基于現場實測數據分析了隧道圍巖壓力的分布規律。仇文革等［10］依托鄭州—萬州鐵路新莊嶺隧道，采用現場實測、數值模擬等手段對隧道穩定性和初期支護效果進行了研究；于清楊等［11］針對隧道偏壓進行數值模擬，求出了偏壓隧道對稱位置的應力比值，定量分析其特征；周俊磊［12］統計分析Ⅳ級和Ⅴ級圍巖隧道的監控量測數據，提出了圍巖穩定性評價指標；汪明武等［13］針對圍巖穩定性評價構建了可拓評價模型，為多重隨機模糊性指標提供了評價的可能。

以往文獻對具有典型黃土塬區特征且淺埋段較長隧道在施工期的變形特征研究較少。因此，選擇銀西高速鐵路典型淺埋慢坡段，建立立體監測網，研究隧道施工期間圍巖的變形特征。

1 隧道概況

銀西高速鐵路上閣村隧道位于甘肅省慶陽市寧縣境內，進口位于黃家溝左岸斜坡上，出口位于街上村黃土塬頂，隧道全長6 483 m，最大埋深102 m，最小埋深5.5 m，雙線單洞。隧道進口段（DK207+517—DK207+637）120 m及出口段（DK211+500—DK214+000）2500m，隧道埋深小于50 m，隧道縱坡以25‰坡率單面上坡，屬于典型的淺埋慢坡段。隧址區巖性主要為硬塑狀黏質黃土，圍巖穩定性較差，Ⅴ級圍巖。隧道進口端位于V形深切溝谷陡峻斜坡上，多發育滑坡、陷穴等不良地質體。

2 現場測試

2.1 試驗段情況

為研究黃土塬區淺埋隧道慢坡段在施工期的應力、圍巖含水率以及隧道內外沉降變化情況，課題組選取上閣村隧道銀川方向出口端DK213+875為試驗工點。監測端面（圖1）處隧道拱頂埋深約8.8 m，隧道地表為第四系上更新統黃土，厚9.2 m，下覆第四系中更新統黃土。地下水位線距地表約66.4 m，該隧道斷面處于地下水位以上。

圖1 局部縱斷面

2.2 測試元件布設

測試元件布設如圖2所示。在監測斷面拱頂、拱肩、墻腳以及仰拱中心布設了6組鋼拱架應力計，用于監測初期支護鋼拱架的應力變化，在相同位置埋設了6組TDR水分探頭，用于監測圍巖含水率變化。在隧道地表布設了1組沉降監測斷面。

圖2 測試元件布設

2.3 測試結果與分析

2.3.1 鋼拱架應力

鋼拱架應力時程變化曲線見圖3。其中：正值表示受拉，負值表示受壓。

圖3 圍巖鋼拱架應力時程變化曲線

由圖3可見：在施工期，鋼拱架受到圍巖壓應力的影響，鋼拱架應力先增長然后波動逐漸達到穩定狀態。由于開挖時地層中應力得到釋放，各部位應力均先向負值區增長然后逐漸趨于穩定。第18 d中臺階開始開挖，拱頂及左右拱肩兩側的應力進一步增大。受到地層偏壓影響，在上臺階和中臺階開挖階段，左拱肩應力變化值較大（變化量為54.22 MPa），拱頂次之（變化量33.75 MPa），右拱肩較小（變化量為16.7 MPa）。開挖至第42 d時隧道初期支護鋼拱架封閉成環，下臺階開始開挖，地層應力進一步釋放，監測斷面鋼拱架應力波動變化，開挖至第84 d應力進入穩定期。一方面是因為開挖面距監測斷面距離較遠，影響程度減小；另一方面開挖斷面處的地層應力基本達到平衡。監測至第233 d，左拱肩的應力值最大（-65.84 MPa），拱頂次之（-35.38 MPa），左右墻腳最小（-6.84 MPa），左拱肩應力是仰拱中心的9.4倍。

2.3.2 圍巖含水率

隧道圍巖含水率時程變化曲線見圖4。可見：①開挖改變了地層中水分遷移途徑，水體逐漸向臨空面聚集，從開始施工至第42 d，拱頂及拱肩含水率呈遞增趨勢，增長率為1.30%～8.42%。開挖下臺階時開挖面已擴大至全斷面，使得地層中的水分進一步向圍巖周邊滲流，表現為圍巖各部位含水率呈波動式增長。隨著開挖面逐漸遠離監測斷面，影響程度逐漸減小，開挖至第118 d圍巖含水率基本趨于穩定。②圍巖含水率達到穩定期后，由于受重力作用的影響，拱肩含水率較低（19.9%～20.0%），在仰拱和墻腳處更容易匯集水分，右墻腳和仰拱中心含水率較高，分別為21.3%和22.5%。拱頂含水率介于兩者之間，達到20.8%。這是由于拱頂距地表更近，更容易受到淺埋段地表水的浸入影響，且鋼拱架也有“滯水”作用。

圖4 圍巖含水率時程變化曲線

2.3.3 測試斷面累計變形

測試斷面累計變形時程曲線見圖5。可知：①拱頂沉降可分為3個階段，前2個階段的沉降速率遠大于第3個階段。其中第1階段（第1～18 d，上臺階開挖）累計沉降量約125 mm，沉降速率大部分在2～5 mm/d，最大達到12 mm/d。第2階段（第18～42 d，中臺階開挖）累計沉降達到225.7 mm，沉降速率大部分在2～4 mm/d，最大達到17.5 mm/d。第三階段（第42～56 d，下臺階開挖）累計沉降量達到243.9 mm，沉降速率大部分在2～3 mm/d，最大達到2.8 mm/d，第42 d沉降速率約1.7 mm/d，即從掌子面開挖約6周拱頂沉降基本達到穩定。②隧道凈空水平收斂基本呈線性增長趨勢，收斂速率在1.6～3.9 mm/d，最終水平收斂量約89 mm。6周后收斂速率為2.1 mm/d。③隧道拱頂沉降與三臺階施工對應得比較好，凈空水平收斂基本呈線性變化。對于淺埋暗挖隧道，拱頂累計沉降量是累計水平收斂量的2～3倍，因此，控制拱頂沉降是淺埋暗挖隧道的關鍵。

圖5 測試斷面累計變形時程曲線

2.3.4 地表沉降

該斷面所在地表沉降時程曲線見圖6。可以看出，隧道掌子面開挖后，地表累計沉降隨著施工呈規律性變化。從變化量來看，隧道中線處最終沉降量為205.98 mm，左右兩側距隧道中線6 m處地表最終沉降量分別為191.78，201.63 mm，左右兩側距隧道中線12 m處地表最終沉降量分別為170.88，145.70 mm，左右兩側距中線18 m處地表最終沉降量分別為7.23，8.25 mm。可見，距離隧道中線越近隧道地表沉降量越大，向兩邊地表沉降量逐步減小。淺埋段隧道地表沉降總體上呈現“先線性增大然后非線性增大之后趨于穩定”3階段變化，線性階段沉降速率明顯大于非線性階段。開挖22 d后地表沉降基本趨于穩定。地表沉降影響范圍為距隧道中線約18 m以內。

圖6 隧道地表沉降時程曲線

3 結論

從初期支護鋼拱架應力、圍巖含水率、洞內外變形等方面，研究了黃土塬區淺埋暗挖隧道慢坡段在施工期的變形特征，得出了以下結論：

1）在施工期淺埋慢坡段鋼拱架主要受壓應力影響，呈“增長-波動-穩定”3階段變化，大約在第84 d鋼拱架應力趨于穩定。

2）DK213+875斷面存在明顯偏壓現象，左拱肩壓應力是仰拱中心處的9.4倍。

3）由于隧道開挖施工影響了原有的滲流場，施工期圍巖含水率呈“增長-穩定”2階段變化，工后約第118 d含水率趨于穩定。

4）隧道拱頂沉降與三臺階施工有很好的相關性。中臺階開挖后隧道拱頂沉降最大，沉降速率也最大。淺埋暗挖隧道拱頂沉降量是凈空水平收斂量的2～3倍。

5）淺埋段黃土隧道地表沉降以隧道中線為中心，向兩邊基本呈對稱變化，隧道中線地表沉降量最大，向兩邊沉降量逐步減小。地表沉降影響范圍為距隧道中線約18 m以內。