全新統坡殘積層工程特性及隧道變形機理研究

宋振軍

(中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024)

1 引言

渝昆高鐵穿越云南、貴州、重慶等地區，地層主要為新生界第四系(Q)地層、中生界侏羅系(J)地層、三疊系(T)地層及古生界二疊系(P)、石炭系(C)、泥盆系(D)、寒武系(∈)地層與元古界震旦系(Z)地層等。

由于坡殘積地層在隧道施工過程中受到隧道開挖、機械振動以及地表開挖卸載等影響，地應力狀態發生改變，工程性質也隨之改變?；谝陨媳尘?，本文以渝昆高鐵李家村隧道為依托，開展坡殘積地層含水率與其力學指標相關函數關系研究，在此基礎上通過數值計算分析，對坡殘積地層隧道變形機理進行研究，并提出相應對策，為設計施工提供理論參考。

2 工程概況

渝昆高速鐵路，是“八縱八橫”高速鐵路主通道之一“京昆通道”的重要組成部分，途經重慶市、四川省、貴州省和云南省。

渝昆高鐵李家村隧道全長3 743.00 m，隧道洞身最大埋深約158 m，采用新奧法施工。圖1為渝昆高鐵李家村隧道出口段縱斷面和橫斷面。

本隧道進出口段所處地層為坡殘積層，采用三臺階臨時仰拱法開挖。隧道跨度15.20 m，高12.98 m，采用復合式襯砌結構，初期支護為全環 25b型鋼鋼架，間距0.6 m，并打設?42鎖腳錨管，C30噴射混凝土厚度為35 cm。二次襯砌為C35鋼筋混凝土，拱頂二襯厚度60 cm，仰拱二襯厚度70 cm。

李家村隧道地下水主要為第四系土層孔隙水和基巖裂隙水，施工期間會對坡殘積層產生擾動，從而形成地下水徑流通道，進而造成洞身圍巖變形。

李家村隧道D1K609＋717～D1K609＋767范圍初期支護出現環向貫通裂縫，圖2為現場初期支護開裂及變形情況。僅1 d時間，D1K609＋736處拱頂沉降變化量達203 mm，裂縫寬度達5 cm。D1K609＋717～D1K609＋767左側拱肩部位初支明顯向內擠壓變形并已侵限，最大侵限量達39.8 mm。根據《鐵路隧道監控量測技術規程》，當拱頂下沉速率達5 mm/d或位移累計達100 mm時，應暫停掘進，并及時分析原因，采取處理措施[1-2]。

3 坡殘積層工程特性研究

為探究坡殘積層工程特性，現場通過室內試驗測得坡殘積層土體黏聚力、內摩擦角及壓縮模量，總結不同含水率條件下土體的抗剪強度，進而指導設計施工。

3.1 直剪試驗

現場采用應變控制直剪儀對坡殘積層土樣進行直剪試驗，得到土樣不同含水率下的黏聚力及內摩擦角。參考相關文獻[3-6]，并考慮到冪函數具有較強的自適應性，因此本文利用Origin軟件內置的擬合程序并依據Levenberg-Marquardt迭代優化算法[7]對黏聚力、內摩擦角與含水率進行冪函數曲線擬合。黏聚力、內摩擦角與含水率關系方程為:

式中:C為土體黏聚力，kPa；φ為土體內摩擦角，(°)；ω為含水率，%；A、B、D、E為待定系數。

不同含水率下土體黏聚力、內摩擦角試驗結果及其與含水率擬合曲線如圖3所示[7]。

試驗得出A＝2.525 23，B＝ -2.112 06，D＝3.935 06，E＝-1.473 83。通過非線性回歸分析，得到抗剪強度指標黏聚力、內摩擦角與含水率的關系為:

式(3)擬合系數R2＝0.981 87，式(4)擬合系數R2＝0.985 62，均接近1，說明具有較好的擬合優度。

3.2 壓縮固結試驗

現場采用標準固結法對坡殘積地層土樣進行壓縮固結試驗，通過測定試樣在側限與軸向排水條件下的變形、孔隙比和壓力關系，計算土體的壓縮模量。

壓縮模量與含水率關系方程為:

式中:ES為壓縮模量，MPa；F、G為待定系數。

不同含水率下土體壓縮模量試驗結果及其與含水率擬合曲線如圖4所示。

試驗得出F＝0.314 5，G＝-2.123 38。通過非線性回歸分析，得到黏聚力、內摩擦角與含水率關系為:

擬合系數R2＝0.989 33，接近1，具有較好的擬合優度。

4 坡殘積層隧道變形機理及特征

為進一步掌握坡殘積地層隧道變形機理，開展不同坡殘積層含水率條件下隧道開挖結構變形和圍巖穩定性研究。

由于襯砌破壞段隧道埋深較淺，事發時當地正值雨季，雨水對全風化泥巖反復沖刷、浸泡，進一步惡化了隧道圍巖，導致圍巖承載力下降，隧道洞身結構經歷不均勻沉降，結構內力增加，最終致使結構破壞。

隧道結構受到圍巖荷載發生變形，隧道開挖引起的附加荷載使得作用范圍內圍巖發生相應變形，導致隧道結構與圍巖產生共同變形。

基于前文含水率對坡殘積層力學性質的影響研究，結合渝昆高鐵李家村隧道工程背景，進一步探討不同含水率情況下，坡殘積層隧道變形機理。取含水率區間為20% ～60%，根據式(3)、式(4)及式(6)計算得到各含水率條件下的坡殘積層強度指標。計算工況及參數如表1、表2所示。泊松比根據文獻[8]取值范圍為0.35～0.42。由于該隧道埋深較淺，泊松效應不明顯，本文統一取0.35，對計算結果影響較小[9]。

表1 各計算工況下圍巖參數

表2 支護參數

結合李家村隧道工程地質條件，通過FLAC3D有限差分軟件建立計算模型[10-12]。根據地勘物探結果，坡殘積層主要由黏土組成，因此數值模擬過程中，圍巖通過實體單元模擬，超前長管棚采用結構單元，初期支護、臨時仰拱及二次襯砌采用實體單元。斷面D1K609＋736模型如圖5所示。

計算得到結構最大主應力分布情況如圖6所示。結構最大主應力主要分布在兩側拱腳位置。

由于依托工程建設過程中主要出現地表沉降和支護結構變形問題，因此本文對地表沉降以及支護結構變形進行分析。不同含水率下地表豎向位移如圖7所示。

根據圖7，在本次數值模擬支護條件下，可將含水率40%視為圍巖失穩的臨界含水率，即當含水率小于40%時，隧道開挖主要對隧道軸線上方坡殘積層造成影響，導致地表沉降。其中，當含水率小于30%時，地表沉降處于0～0.05 m區間，屬于相對較小水平；含水率在30%至40%之間時，地表沉降增幅變大，整體在0.05～0.15 m區間，變形相對較大；而當含水率大于40%時，土體強度大幅下降，圍巖穩定性變差，由于剪應力的存在，圍巖所受附加荷載向附近擴散，致使距離隧道結構較遠位置土體出現沉降，發生滑坡、坍塌等風險變大。

隧道軸線上方地表、隧道拱頂及仰拱位置處豎向位移如圖8所示。

結構上任一點的總位移由自身變形量和土體變形量共同決定。根據圖8中地表、拱頂以及仰拱豎向位移大小，在本次數值模擬支護條件下，可將曲線分為三個階段:圍巖穩定階段(含水率＜30%)、過渡階段(含水率30% ～40%)、圍巖失穩階段(含水率＞40%)。

結合數值模擬結果，坡殘積層隧道變形主要在兩方面力學機制共同作用下發生。

一方面，對于成巖程度低、穩定性差、強度低的坡殘積層，隧道開挖后拱部巖土體強度難以維持松動體自重，從而向下沉降，導致巖土體裂隙發生及發展，進一步降低巖土體強度，易發生突變失穩。

另一方面，在圍巖松動荷載作用下，最大主應力主要集中在仰拱與拱腳位置，最小主應力主要集中在拱腰與仰拱位置，隧道拱腳及仰拱部位應力集中明顯，導致基底失穩變形，加劇了拱部圍巖松弛變形和拱腳圍巖剪切破壞。

基于上述分析，在坡殘積層中進行隧道工程開挖，提出以下建議:

(1)地質勘查階段應對土體含水率進行嚴格監測，為后續設計施工提供參考依據。

(2)對含水率較高區域，施工前可進行適當降水處理，并對土體進行主動改良，增強土體承載力。

(3)施工采用分部開挖，遵循“短進尺、管超前、嚴注漿、強支護、早封閉、勤量測”的原則，以保證施工安全。

5 結論

本文基于渝昆高鐵李家村隧道坡殘積層工程特性及隧道變形機理研究，主要得到以下結論:

(1)隨著含水率逐漸增加，土體黏聚力、內摩擦角及壓縮模量呈凹函數非線性減小。通過回歸分析，得到含水率與坡殘積層強度指標函數關系，且公式具有較好的擬合優度，在一定范圍內可為設計施工提供參考。

(2)在本次模擬的支護條件下，根據不同含水率下圍巖和結構的變形量，可將圍巖狀態分為三個階段:圍巖穩定階段(含水率＜30%)、過渡階段(含水率30% ～40%)、圍巖失穩階段(含水率＞40%)。圍巖穩定階段和過渡階段隧道開挖主要對隧道軸線上方土體產生影響，而在圍巖失穩階段，距離隧道結構較遠位置土體亦受到隧道開挖影響。

(3)在本次模擬的支護條件下，含水率40%為坡殘積層圍巖失穩臨界含水率，當含水率超過臨界值時，圍巖承載力明顯降低，高含水率的坡殘積層土體表現出類似“濕陷性”特征，土體結構破壞，承載力減弱，穩定性變差，隧道開挖對土體產生強烈干擾，引起嚴重地表沉降和結構變形。