饱水黄土隧道变形规律研究

2003年10月

Rock and Soil Mechanics Oct. 2003

收稿日期：2003-04-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：50078002)。

作者简介：乔春生，男，1958年生，1988年于日本东京大学获工学博士学位，现任教授，博士生导师，主要从事岩土工程方面的教学与科研工作。

文章编号：1000－7598－(2003)增2―0225―06

饱水黄土隧道变形规律研究

乔春生1

， 管振祥2 ， 滕文彦3

(1. 北方交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044； 2. 中铁十四局三处， 山东 兖州 372000； 3. 石家庄铁路工程职业技术学校， 河北 石家庄 050041)

摘 要： 新松树湾隧道位于饱和的砂粘土中，土体的稳定性极差，施工难度较大。为此，在隧道施工期间，通过土工试验、隧道收敛和围岩内部位移的现场监测、隧道变形的三维有限元仿真计算等手段，对该隧道的变形规律进行了系统研究，获得了大量试验数据。研究成果对隧道的施工组织和支护参数的确定起到了重要作用，为此类隧道的施工积累了经验。 关 键 词： 饱和黄土隧道； 隧道变形； 现场监测； 三维有限元计算 中图分类号： TU 444 文献标识码： A

A study on deformation of tunnel excavated in saturated loess

QIAO Chun-sheng 1 , GUAN Zhen-xiang 2 , TENG Wen-yan 3

(1. School of Civil and Architecture Engineering, Northern Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. China Railway Shisi Bureau Group, No.3 Engineering Co. Ltd, Yanzhou 372000, China; 3. Shijiazhuang Institute of Railway Engineering, Shijiazhuang 050041, China)

Abstract: The new songshuwan tunnel is excavated in saturated sandy clay which is weak and soft soil having low stability. In order to ensure safety of excavation, convergences of the tunnel and deformation of surrounding soil are examined by soil test and site monitoring as well as three-dimensional finite element analysis. Many significant conclusions are obtained from this study and some valuable advice for construction and support design of the new songshuwan tunnel is given. Experimental results can be used as a reference for future similar tunnel.

Key words: saturated loess; deformation of tunnel; site monitoring; three-dimensional finite element method

1 引 言

我国已经在土体中建成了多条隧道，包括铁路隧道、公路隧道、引水隧道等，施工中均遇到过很多问题，施工的难易程度主要取决于土体的性质和地下水的分布。与岩体相比，土体强度低，变形大，自承能力小，工程性质差，受水的影响十分强烈，一旦被水浸泡，达到饱和状态，其强度会明显降低，工程性质发生很大变化。因此，在富含水土体中修建隧道的施工难度远远大于修建同类型的岩石隧道。如神延线七楞山隧道为一条在新黄土、老黄土和粘土中开挖的浅埋铁路隧道，施工方案为正台阶先拱后墙法开挖，地下水主要为粘土层裂隙水，进洞100 m 时即发生喷射混凝土突然开裂，格栅严重

弯曲变形现象[1]。该线上的羊马河隧道施工过程中发现开挖后围岩不能自稳，变形很大，曾发生过多次塌方事故[2]。可见，土质隧道采用新奥法施工时，会遇到初期支护收敛变形大，围岩难于稳定的问题，在设置二次衬砌后，还会出现衬砌开裂现象[3]。宝兰二线上的新松树湾隧道位于粘质黄土和砂粘土中，前者具有二级自重湿陷性，后者表现为强崩解性和弱膨胀性，饱和率达到了93.4 %～100 %，与其它土质隧道相比，不仅含水量大，而且，土体具有强崩解性，遇水强度迅速降低，土体的稳定性极差。由于围岩的变形较大，确定二次衬砌与开挖掌子面之间的合理距离，关系到初期支护和二次衬砌的稳定。鉴于此，为保证隧道的施工安全和工程质量，制定了一套能够适合该隧道地质条件的开挖控

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226 制措施，指导隧道施工，同时，为此类隧道的施工积累经验。在隧道施工过程中，通过土工试验、隧道变形的现场监控量测、三维有限元仿真计算等信息化手段，对该隧道的变形规律进行了系统研究，获得了一些有益的成果，有效地指导了隧道施工，为保证隧道施工安全和工程质量起到了重要作用。

2 隧道地质条件及工程概况

新松树湾隧道为既有松树湾隧道复线的单线铁路隧道，位于甘肃省陇西县境内大营梁，全长 1 726 m ，最大埋深为110 m ，隧道采用复合衬砌支护。大营梁为黄土梁峁区，该隧道范围地层为上更新统风积粘质黄土和下、中更新统冲、洪积杂色砂粘土。粘质黄土为淡黄色、棕黄色，厚0～20 m ，土质较均匀，具孔隙及虫孔，半干硬至硬塑，属II 类围岩，并具有II 级自重湿陷性。杂色砂粘土主要表现为强崩解性，大部分为II 类围岩，局部呈软塑～流塑状，为I 类围岩。大营梁地带年平均降水量 513.3 mm ，隧道三面汇水，地下水较发育，系大气降水补给。地下水主要有上层滞水和裂隙水，前者一般埋深 15～30 m 之间。多见有泉水和渗水出露，水量相对较大，隧道内日渗水量18.83 m 3/d 。经调查，既有松树湾隧道(1960年建成)各地段有不同程度的渗漏水现象，病害十分严重，曾进行过多次维修。因此，新松树湾隧道采用曲墙有仰拱衬砌，除进口端I 类围岩模筑衬砌外，其余均采用复合衬砌。初期支护为1榀/m 钢格栅+钢筋网，采用新奥法分三台阶开挖。

砂粘土的物理力学参数如表1所示，其含水量超过了20 %，基本上处于饱和状态，从不均匀系数和曲率系数的大小可以判断出土中砂的含量较大，渗透系数达到了3.98×10-5 cm/s ，土的透水性较好，地表降水容易渗入土中，进入隧道。从原状土的应力－应变关系曲线可以发现(见图1)，当应力小于土

表1 砂粘土的物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of sandy clay

物理力学参数 指标值 物理力学参数 指标值

湿密度/ g cm -3

2.06

压缩系数 / MPa -1

0.05 重度

/ kN m -3 20.2 体积压缩系数 / MPa -1

0.03 含水量/ % 20.1 膨胀量 / % 0.57 孔隙比 0.54 单轴抗压强度 / MPa 0.545 孔隙率/ % 35 弹性模量 / MPa 34.86 饱和度/ % 98 粘聚力 / MPa 0.11 不均匀系数 52 内摩擦角 / (°) 25 曲率系数 3 有效粘聚力 / MPa 0.14 渗透系数/ cm s -1

3.98×10-5

有效内摩擦角 / (°)

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的抗压强度时，土的变形很小，基本上满足弹性变形规律，然而，当应力超过了土的抗压强度以后，则出现明显的塑性流动，除围压等于零以外，基本上接近理想塑性状态，即使产生很大的塑性变形，土的承载能力也不会明显降低。砂粘土的膨胀性较弱，属于弱膨胀性土，施工中可以不考虑土的膨胀变形所引起的膨胀压力。

图1 砂粘土的应力－应变关系曲线 Fig. 1 Stress-strain curves of sandy clay

3 收敛与围岩变形的现场监测

3.1 监测方案

为了掌握隧道施工过程中围岩的变形状态，在隧道施工期间，分别对隧道内空收敛和围岩内部位移进行了现场监测。内空收敛监测采用煤炭科学研究总院研制的JSS30A 型数字显示式收敛仪。实际测量时，每条测线每次都重复测量三遍，然后取平均值，以消除偶然误差。考虑到隧道净空较高，在每个量测断面内分别布置了5个收敛测点(见图2)，每个断面共有6条收敛测线。

图2 隧道收敛测线示意图

Fig. 2 Schematic of measurement lines of convergence

图3是围岩内部位移测点布置图，每个监测断

面上分别设置了7个测点，采用煤炭科学研究总院研制的DW-3A型钻孔多点位移计，测量洞内壁内1 m，2 m，4 m处岩体与洞壁之间的相对位移。多点位移计的测点锚头为膨胀木锚头。

图3 多点位移计布置图

Fig. 3 Arrangement of multi-extensometers

隧道内共布置了8个监测断面，其中1#～5#断面的间隔均为15 m左右，6#～8#断面的间隔则较大，每个监测断面均进行了收敛量测，只在7#和8#断面上布置了围岩内部位移的测点。

3.2 隧道的收敛变形

个别断面和个别测线因施工影响和测点受损以及其它因素没有获得可供参考和利用的监测数据。根据收敛监测结果的分析，发现隧道收敛具有以下特点：

(1) 各个监测断面内每条测线的收敛量差别较大，两条水平测线(2-3测线和4-5测线)的收敛量明显大于其它测线。这说明隧道开挖后左右两个侧墙之间的相对变形大于其它方向的变形，这可能是由于隧道仰拱施工较晚，两侧墙墙角受到的约束较小，因而，使侧墙比较容易朝洞内产生位移。同时，也说明隧道穿越地区可能存在构造应力。

(2) 隧道的收敛主要出现在开挖后的短期内，前几天的收敛量占各测线收敛量的比重较大。因此，控制隧道变形的关键是开挖后应尽快进行初期支护，并适当增加初期支护的刚度。

(3) 开挖后的前两三天之内，隧道变形发展较快，之后，变形速度虽然逐渐减小，但收敛很慢，没有趋于稳定。由于施工和其他因素影响，对隧道收敛没能进行长期观测，最长观测时间仅为18 d，在观测期内，隧道收敛没有达到稳定。这一方面说明隧道围岩变形具有一定的流变特性，另一方面，也可能与地下水的渗透和排水情况有关。隧道开挖后，尽管立即进行了初期支护，封闭了围岩，但由于喷射混凝土的密实性有限，围岩内裂隙也比较发育，所以随着时间的推移，地下水会逐渐渗透进入隧道内部，从而，使围岩内部应力和变形状态发生相应变化。开挖后隧道附近围岩应力的重新调整，也可能使隧道周围出现一定范围的破坏区(或松动区)，破坏区内围岩的渗透系数增大，也会导致围岩变形的增大。由此可见，隧道变形趋于稳定可能需要较长的时间。

(4) 各个监测断面的收敛量差别很大，其中3号断面的最大收敛量接近175 mm(图4)，2号断面也达到了90 mm左右，而其它断面的最大收敛量为50 mm左右。这可能与各个断面测点的埋设时间、初期支护所花费的时间、开挖花费的时间以及开挖顺序、初期支护的刚度等有关，其中初期支护的刚度对隧道收敛的影响较大，比如，1#～5#断面采用钢格栅与喷射混凝土支护，最大收敛为175 mm，6#～8#断面改用拱型支架和喷射混凝土支护后，尽管喷射混凝土的厚度与1#～5#断面相同，但收敛量却明显减小，最大仅为131 mm。

图4 隧道收敛随时间的变化曲线

Fig. 4 Changes of convergences of the tunnel

with elapsed time

(5) 因经验不足和现场施工条件的等原因，测点的布设时间以及初始读数时间都受到了一定影响。开始测试时，围岩和隧道已经产生了很大

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228 位移，因此，可以认为，监测结果远小于隧道的实际收敛值。尽管如此，实测收敛量也达到了175 mm 左右。可见，新松树湾隧道围岩变形较大，在进行初期支护时，应该根据围岩的这些变形规律和大小来确定支护参数和方式，不应笼统地根据围岩类别和经验进行确定。

(6) 隧道收敛与开挖掌子面离开距离的关系类似于图5。随着掌子面的超前推进，因掌子面对监测断面围岩变形的约束作用逐渐减弱，当掌子面离开一定距离后(35～40 m)，隧道收敛速度趋缓，表明围岩变形将趋于稳定。

图5 围岩内部位移与掌子面离开距离的关系

Fig. 5 Changes of displacement surrounding rocks with

advancing of cutface

3.3 围岩内部变形

隧道开挖引起的围岩内部位移呈现出不均匀分布特点，拱顶和侧墙位移大于拱脚位移，图5是7#断面拱顶和两个拱脚处围岩内部位移与掌子面离开距离的关系，拱顶最大位移约30 mm ，拱脚处的最大位移仅为16 mm 。图5中所示位移值分别为洞壁与洞壁内4 m ，2 m ，1 m 处的相对位移，由图5可

以看出，洞壁的位移最大，而离洞壁越远，岩体的

位移越小，受开挖的影响越弱。开挖初期，位移增长较快，随着掌子面朝前推进，位移增长速度减缓，当掌子面离开约40 m 后，围岩内部位移基本上趋于稳定，这与隧道收敛的监测结果基本一致。由此可见，二次衬砌至少应该等开挖掌子面推进40 m 以后，才可以进行施工。这样，就可以保证不会因围岩的进一步变形使衬砌受到较大的变形压力，提高工程质量。相反，二次衬砌与开挖掌子面之间的距离也不应该太远，对于饱水土质隧道，围岩的变形较大，如果迟迟不进行二次支护，初期支护结构就可能因变形过大而失稳，施工中曾发生过初期支护左拱脚突然鼓出现象，严重影响了隧道的稳定。因此，二次支护与开挖掌子面之间保持一个合理距离非常重要。

围岩内部位移随时间的变化曲线与图5相似，开始监测10 d 以后，围岩内部位移基本上趋于稳定，所以，围岩的流变并不严重，没有必要担心隧道的长期变形会影响二次衬砌的受力。

4 隧道变形的三维有限元计算

为了更加全面地研究隧道的变形规律，采用三

维有限元方法对隧道的施工过程进行了模拟计算，图6和图7分别是为计算中采用的模型和开挖与初

图6 有限元计算模型

Fig. 6 FEM mesh division pattern

图7 计算中采用的开挖与初期支护顺序

Fig. 7 Sequences of excavation and support used

in simulation

增刊　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　乔春生等：饱水黄土隧道变形规律研究

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期支护顺序，每步开挖进尺为2 m 。模型左侧为既有松树湾隧道。计算中只考虑了土体的自重应力，并假设土体为弹塑性体。

图8是隧道两个不同开挖阶段围岩和隧道位移分布图。从中可以看出，开挖后隧道上方围岩的位移远大于隧道两侧，开挖引起的围岩位移主要集中在洞顶上方；开挖掌子面前方围岩的位移很小，围岩位移主要出现在掌子面后方，离掌子面越远，围岩的位移越大，影响高度也越大；既有松树湾隧道对新松树湾隧道的变形没有明显的影响，新隧道的开挖所引起的围岩位移也不会波及到旧隧道，所以，可以不考虑施工对旧隧道的不利影响。除此之外，开挖后隧道的变形很大，洞壁最大位移达到了300 mm ，这主要是因隧道埋深大、土质软、含水量大所致。这也同时说明现场监测的土体内部位移只是围岩位移的一部分，开始监测之前，围岩已经产生了相当大的位移，所以，可以肯定，新松树湾隧道的实际变形远大于实测值。

(a)

(b)

图8 开挖过程中围岩和隧道的位移分布

Fig. 8 Displacement distribution of the surrounding rock

and the tunnel during excavation

开挖过程中隧道的变形状态及其变化规律见图9，图中实线为变形后隧道轮廓线，可以看出，拱顶和底板的位移明显大于其它部位，两侧墙的位移大于拱脚处的位移。图10为隧道收敛与掌子面距离的

关系，其变化规律与实测结果基本上一致，水平测线的收敛大于倾斜测线的收敛。由于计算中假设整个断面全部成型后，立即封闭底板，施做仰拱，使两个侧墙墙角的位移受到一定，所以2-3线的收敛大于4-5线的收敛。如果仰拱施做时间推后，那么，两个侧墙的位移会更大。由此可见，隧道开挖后及时封闭底板，一方面可以防止地下水进入底板土体内，避免围岩被水浸泡后强度降低，另一方面，还可以减小侧墙的位移和变形，改善初期支护结构的受力状态，提高隧道的稳定性。

(a) (b)

(c) (d)

图9 开挖过程中隧道的变形状态

Fig. 9 Deformation of the tunnel during excavation

图10 计算得出的隧道收敛与掌子面距离的关系

Fig. 10 Convergence- distance of cutface curves calculated

5 结论

通过现场监测和三维有限元计算，对新松树湾隧道的变形规律进行了系统研究，归纳起来得出以下几点结论。

(1) 新松树湾隧道围岩软弱，稳定性差，变性大。采用小断面开挖并及时进行初期支护后，仍会产生较大的变形，当采用钢格栅和喷射混凝土支护时，最大收敛为175 mm左右。

(2) 增加初期支护的刚度可以有效减小隧道收敛量，提高隧道的稳定性。新松树湾隧道初期支护改用拱型支架加喷射混凝土支护后效果明显转好。

(3) 开挖后及时封闭隧道底板，有利于减小隧道收敛量，防止侧墙墙脚失稳和底板围岩被水浸泡后强度降低。

(4) 围岩变形趋于稳定需要一定时间，当掌子面离开40 m以上后，围岩变形才基本上趋于稳定。因此，二次衬砌不宜紧跟开挖掌子面，应等围岩变

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(5) 新松树湾隧道的开挖不会影响既有松树湾隧道的稳定，既有松树湾隧道的存在也不会影响新松树湾隧道的开挖。

(6) 围岩没有十分明显的流变变形，可以不考虑围岩流变变形对二次衬砌的影响。

上述成果在新松树湾隧道建设中起到了重要的指导作用，也为今后修建类似隧道积累了经验。

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