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：濕陷性黃土的性質較為特殊，在水分侵入后其內部結構會發生明顯的變形及破壞。該文通過分析我國某鐵路濕陷性黃土隧道，對該工程施工期間內的鋼拱架結構變形進行了實時的監測，該文詳細的分析了該工程隧道圍巖變形的特征，將其信息參數進行了精確的反饋，對其支護措施提出了詳細的建議。希望能夠為我國在此方面提供一些建議。

關鍵詞：濕陷性黃土;隧道圍巖;變形特性

中圖分類號：U455 ? 文獻標志碼：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，也會發生濕陷現象。

1.2 濕陷性土壤的影響因素

內部因素，例如黃土本身的組成結構，礦物成分，顆粒，化學成分，水分含量，以及外界因素，風力，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。同時黃土內部顆粒的直徑對于黃土的濕陷性的具有一定的影響，當黃土內部顆粒的含量小于0.001 mm是其對黃土的濕陷性影響較大。此外，黃土內部黏力的分布對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作用。其次，黃土內部的化學成分例如石膏、易溶性鹽、碳酸鈣等都對黃土的濕陷性產生了一定影響。針對黃土的賦存狀態來說，當其化學組成以薄膜狀分布時，就能夠形成膠結物的組成，進而影響黃土的濕陷性。在外界條件的壓力下，黃土內部的孔隙越大，視線系數越大，水分含量越高，濕陷系數越低。因為膠結物的顆粒含水量增加時，相對情況下的黃土壓縮性就得到了提高。

2 工程概述

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

基于該隧道的黃土是線性以及不穩定的結構土壤，為了最大程度地防止在隧道開挖后發生圍巖坍塌事故，相關施工人員也提出了一套完整的支護方案。該工程隧道采用復合式的趁機鋼筋混凝土結構，在隧道的初期支護中采取錨噴支護，在進行混凝土的錨噴時，厚度控制在20 cm左右，標準情況下最小厚度不少于20 cm，該隧道的拱部不設置錨桿，隧道墻壁采用粘結性砂漿錨桿，之間的間距控制在20 cm左右。鋼架兩側同樣使用錨桿進行固定支撐。

基于濕陷性黃土隧道的結構復雜性，相關人員對于該工程隧道的圍巖結構變形情況進行了實時的調查與分析。深入了解了濕陷性黃土隧道圍巖的變形規律，對于研究人員及相關部門，對該工程后期的施工具有至關重要的推動作用，為我國相關企業有部門的建設也提供了參考。

3 濕陷性黃土隧道圍巖的變形特性

在隧道進行開挖施工的過程中，導致圍巖發生變形的影響因素有很多，圍巖的變形破壞是一個暫緩漫長演變的過程。例如地下水分的狀態，巖石的特性，施工方法，支護措施，施工時間等，都是引起隧道圍巖發生變形破壞的原因。由于施工過程與地質因素在具體的實際施工中具有不確定性，因此在工程建設中很難對隧道圍巖進行精確的把握與計算。然而從統計學出發，隧道圍巖在空間分布中仍然具有一定的規律[1]。

根據隧道圍巖的變形機制，圍巖的變形可以分為材料變形與結構變形。其中結構變形主要是以地質特性和力學特征為基礎，導致圍堰結構面張開或閉合，從而發生變形破壞現象。而材料變形可以分為黏性變形，塑性變形和彈性變形。此外，根據隧道圍巖的空間效應，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。

在隧道進行施工的過程中，隧道原來的平衡狀態會被發生破壞，從而引起隧道掌子面附近的圍巖發生變形破壞。根據研究勘測所得，可以將圍巖的變形破壞分為3個階段。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定變形期。

一般的施工條件顯示到掌子面的超前變形占據圍巖變形的1/4左右，隧道圍巖的狀態越差，掌子面超前變形的程度就越強，但是其所占總變形量的比率會變小。盡管在現有的條件下，在施工過程中并不能完全反映隧道圍巖的變形機制，但是通過統計與分析可以監測出隧道圍巖的變形速率以及其對施工過程的穩定狀況的關系，做進一步分析后期的保障措施[2]。

4 儀器的布置與安裝

4.1 測量儀器的布置原則

在進行儀器的布置時，嚴格按照預留核心土三臺階七步開挖法進行。為了能夠提高圍巖測定解和的大小和方向的準確性，該進行隧道的施工過程中每進行一步就要在隧道中間位置安裝測試儀器，并且將其儀器產生的數據進行實時的收集整理。從而提高圍巖勘察的效果，以此為基礎，從而確定測量儀器的布置方案。

4.2 應變計的布置

應變計主要是以測量儀器宮內外的變形量為基礎工作原理，因此在安裝應變計時，需要測量拱頂內外側兩邊的變形量。

5 監測數據分析

5.1 數據的采集

施工現場的數據采集主要是通過這顯示的測量儀獲得，通過該儀器測量施工過程中圍巖的頻率值，通過得到的數據可以計算鋼拱架的應變量。

針對鋼拱架的應變如下：

ε=K（F?-F0）+B ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：ε—結構物的應變量（10-6）。K—儀器標定的系數（10-6/F）。F?—測得的頻模值（F）。F0—儀器的初始讀數（F）。B—應變計的計算修正值（10-6）。

5.2 鋼拱架的應力分析

針對于上文所提出的應變計的監測數據，可以獲得隧道初期支護中鋼拱架的應變量，根據下面所示的計算方式，可以計算出鋼拱架的應力具體值。

σ=Eε ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：E—鋼拱架的彈性模量，取210 GPa。

ε—鋼拱架應變。

經過實際勘察表明所得，鋼拱架在安裝初期時其應力變化較大，而當隧道的臺階發生一定變化時，鋼拱架地應力也會隨著隧道的臺階變化而出現數值的上下起伏。隨著施工過程的不斷進行，應力值也會逐漸趨近于一個穩定值。具體表現如下。1）針對于本工程在進行隧道上臺階的開挖時，已經在上臺階安裝了應變計，隧道截面處的拱頂在內外兩側的應力狀態處于平衡。在應變器及安裝后的第一天施工時，監測人員發現其數值發生了突增，隨后趨于緩慢的趨勢。而隨著施工的不斷進行，該應力值持續在增加。隨著隧道開挖工程的不斷進行，在開挖過程進行到中臺階時，該應力值又出現了明顯的增加，一周時間后該應變值下降。而在開挖過程進行到下臺階時，該應變值又出現了突然的增加。最后當開挖工程進行完畢時，拱架內外兩側的壓力已經穩定在了標準數之內。在隧道開挖施工的過程中，左側上臺階的截面處，其外側的壓力一直處于受拉狀態，其拱架內部的壓力一直處于受壓狀態。在施工過程進行的中臺階開挖時，拱架隧道外側的壓力都明顯地出現了增加，其內側的壓力轉變為了受壓狀態。隨著隧道的施工該處的應力變化趨于平緩，內側與外側的壓力值都分別穩定在了標準之內[3]。

隧道開挖施工的過程中，右側上臺階的截面處，隧道外側一直處于受拉狀態。在隧道開挖施工進行中，內外側兩邊的壓力都在不斷增加。而隨著開挖過程的不斷進行，施工進行到中臺階時，隧道兩側的壓力有了明顯的降低。隨著施工的不斷進行，另外，兩側壓力又持續增加，最終該處隧道內外兩側的壓力最終也穩定在了標準之內。 2）在進行隧道右側中臺階的開挖施工時，研究發現在開挖施工進行后，隧道拱架內側一直處于受壓狀態，而隧道的拱架外側一直處于受拉狀態。開挖進行前期兩邊的應力都在不斷的增加，隨著隧道開發過程的不斷進行應力又緩慢減小，最終在進行下臺階的開挖時，隧道兩側的應力又在逐漸增加，隧道兩側的應力也穩定在了標準之中。在進行隧道右側重臺階的開挖施工時，研究發現知道拱架內側一直處于受壓狀態，而外側一直處于受拉狀態。隨著開挖過程的不斷進行，隧道拱架應力也在逐漸的增大，之后又趨于緩慢的回落趨勢。隨著開挖深度的不斷深入，應力又出現了明顯的增加。最終隧道內外兩側的壓力的都穩定在了標準值內。3）在進行隧道左側下臺階的開挖過程中，研究表明發現拱架內外兩側一直處于受壓狀態，隨著開挖過程的不斷進行，其應力也在逐漸減小，施工過程其應力值出現了一定的波動，最終也穩定在標準以內。

隨著隧道右側下臺階開挖過程的進行，通過研究發現拱架外側處于受壓狀態，內側由開始的受壓狀態逐漸轉變為了受拉狀態。隧道兩側的壓力值也在緩慢的增加，最終穩定在了標準之內。

6 結語

通過對該工程隧道圍巖變形特性的研究與勘察，可以得出以下結論：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行中，要嚴格控制施工中間環節。最后研究發現在圍巖處采取拱架支護做支撐，一定程度上可以提高施工效率，節約資金投入成本。

參考文獻

[1]李駿. 黃土隧道圍巖濕陷與襯砌結構相互作用機制及其評價方法研究[D].西安：西安理工大學，2019.

[2]李曦鵬. 超大斷面新黃土隧道結構穩定性與基底濕陷性處理方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學，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研究[D].西安：西安科技大學，2015.