含水率对全风化红砂岩地层隧道围岩变形影响研究

王志杰,徐君祥,李瑞尧,唐 力,徐海岩

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

蒙华铁路是我国目前一次建成的最长重载货运铁路，为国家战略交通运输系统的重要组成部分。阳城隧道作为蒙华铁路控制性工程之一，地质条件复杂，隧道沿线穿越大量红砂岩地层，其水稳性差，遇水易崩解软化。而隧道洞身段部分位于地下水位以下，若降水措施不到位，极易降低围岩强度，增大支护结构受力，引起支护结构开裂变形等。因此探究含水率对全风化红砂岩隧道围岩变形的影响具有重大意义。

目前对于红砂岩的研究主要集中在力学性质、化学组分以及作为路基材料等方面[1-4]。根据现有研究结果，红砂岩是一种成分复杂、结构多变、具有特殊力学性质的岩土材料，其物理、力学性质对外界环境变化较为敏感， 含水率是其中较为敏感的指标之一。但由于目前鲜有隧道穿越红砂岩地层，因此上述研究未与隧道相结合，缺乏对实际工程的指导价值。而相关学者对含水率在其他软弱围岩隧道施工中的影响已有相当程度的研究。左清军、王文忠、周俊等[5-11]研究了富水软岩隧道围岩稳定性因素、破坏模式以及含水率对围岩变形规律、变形机理的影响；张艳玲、郭小红、漆泰岳等[12-14]对不同含水率下围岩稳定性施工、降水、支护等工法进行了研究；王志杰等[15-18]针对西南地区典型不良岩土昔格达地层在不同含水率下的围岩稳定性、灾变特征、支护受力模式等进行了系统研究，并给出了一套昔格达地层围岩亚分级评价指标与围岩稳定性控制技术；王玉锁、王明年等[19-22]研究了含水率等因素对砂类土体的力学性能的影响规律，基于此建立了砂类土体隧道围岩评价指标体系。

综上所述，含水率对隧道围岩稳定性的影响研究内容不少，但对于全风化红砂岩地层，目前鲜有隧道穿越，相关研究尚待补充。以蒙华铁路阳城隧道全风化砂岩地层为研究对象，探究含水率对围岩变形的影响，并针对性提出降水措施。

1 工程概况

阳城隧道位于陕西省榆林市靖边县龙洲乡双城村附近，起讫里程DK242+044.57～Dk249+152.82 m，隧道全长7 108.25 m，最大埋深约为207 m。

隧址区内地形复杂，“V”字形冲沟发育，呈树枝状分布，沟壑纵横、支离破碎，为典型的黄土高原侵蚀性梁峁沟谷地貌类型。地质条件较差、地层变化较大、古冲沟发育、古基岩面起伏较大，包括全风化红砂岩地层、土石分界地层以及土砂互层地层。受下游麦家沟水库(现已成淤积坝)人工蓄水的影响，地下水位抬升。古冲沟内沉积含水砂、土层，根据掌子面揭示及超前地质钻探和超前深孔泄水结果分析，进口掌子面平均每天出水量240～260 m3，出口掌子面平均每天出水量240～300 m3，围岩含水率高。全风化红砂岩地层水稳性极差，在富水条件下原岩结构彻底破坏，岩体呈角砾松散结构，几乎丧失胶结能力。

2 富水全风化红砂岩工程特性

隧道开挖过程中，由于地下水发育，全风化红砂岩易遇水软化崩解为泥塑状，开挖后极易发生溜砂现象，开挖现场如图1所示。

图1 富水全风化红砂岩现场

为研究全风化红砂岩的工程特性，从未扰动掌子面不同部位取土，完成对原状土相关基本物理力学参数测定，包括天然含水率试验、颗粒密度试验、击实试验、固结试验、直剪试验等。测得天然含水率为19.17%。试验流程见图2。

击实试验最优含水率曲线见图3。

图3 最优含水率曲线

由图3得到全风化红砂岩最优含水率为12.76%。进一步对天然和最优含水率下的全风化红砂岩进行直剪与固结试验。直剪试验结果见图4。

图4 直剪试验

天然含水率下全风化红砂岩岩性较差，黏聚力、内摩擦角相对于最优含水率下都较小，在直剪试验过程中表现为颗粒松散，不易观察到明显的破坏剪切面，因此错缝较大，高达6.7 mm，而最优含水率直剪试验仅3.2 mm。两种含水率下对应的力学参数也反映出对应的特性。如表1所示，天然状态红砂岩密度小、孔隙比大，即颗粒之间存在较大间隙，岩性松软，抗剪强度差。

表1 全风化红砂岩基本力学参数

3 数值模拟

为探究含水率对隧道施工过程中围岩变形的影响，基于最优与天然含水率，设置不同梯度含水率，采用原状土重塑至对应含水率进行室内试验。将力学参数代入Flac 3D围岩模型中数值模拟，对比分析不同含水率下的围岩变形特征，得到含水率对其影响。

3.1 计算模型

采用Flac 3D建模，以阳城隧道正洞断面为基准,计算断面选取与现场监测断面一致，围岩级别为Ⅴ级，断面揭示地层为全风化红砂岩。隧道净跨度取11.6 m、净高取11.5 m，计算模型四周边界取3倍隧道跨度，即左右上下边界取35 m。但由于隧道埋深100 m左右，因此上覆土体部分荷载改由面力施加。隧道前后边界取50 m。采用三台阶七步开挖法进行隧道开挖，取上、中、下台阶长度分别为3，5，4 m。隧道开挖步骤见图5。

图5 隧道开挖步骤示意

3.2 工况设置

根据全风化红砂岩最优与天然含水率，设置合理的含水率梯度，采用同一批原状土进行重塑，保证重塑过程中除含水率不同外，其他因素(如颗粒级配、密实度等因素)保持一致。重塑至对应含水率后，对该含水率下的围岩力学参数进行测定，试验结果见表2，数值模拟围岩参数参照表2赋予。隧道初期支护喷射C25混凝土，二次衬砌采用C30混凝土。现场建议支护参数见表3。

表2 不同含水率围岩力学参数

表3 隧道支护结构参数

3.3 围岩变形特征分析

隧道开挖循环完成后，取13%含水率下施加初期支护后的竖向与水平位移云图对比分析，确定围岩变形特征点，以便设置对应记录点监测围岩变形，见图6。

图6 位移云图

水平收敛最大值出现在拱腰70°～110°，竖向沉降最大值出现在拱顶、仰拱底部。因此，当掌子面开挖至监测断面时，记录掌子面及前后方一定距离断面处的围岩位移情况。根据图6位移云图，确定数值模拟中各断面监测点分布，见图7。

图7 监测点位置

图8所示为隧道在最优与天然含水率下开挖的拱顶沉降曲线。

(1)随着含水率增大，围岩条件在含水率为13%左右达到最优，然后逐渐变差，拱顶沉降随之递增，尤其是含水率达到20%时，拱顶沉降呈爆发式增长，其最大值达到11.14 cm；在13%含水率下拱顶沉降最小，其最大值仅为4.84 cm。

(2)隧道施工过程中拱顶沉降经历了3个阶段，掌子面前方(1.0～1.5)D(D为洞径)为预变形段、掌子面后方(2.0～2.5)D为开挖收敛变形段，以及掌子面后方沉降段。

图8 拱顶沉降曲线

提取中上台阶交界处(2、3号测点)、中下台阶交界处(4、5号测点)水平位移。围岩在不同含水率下水平收敛曲线见图9。

图9 水平收敛曲线

由图9可知：

(1)水平收敛具有对称性，隧道左右侧收敛发生时机、收敛程度几乎对称。

(2)由于施工步原因，隧道左侧土体先于右侧开挖，导致右侧收敛相对左侧收敛较大。2、3号测点收敛相差程度尚且较小，随着开挖进行，收敛累积；4、5号测点收敛差值增大，在20%含水率下、围岩条件最差时，4、5号测点收敛数值有一定差异。

(3)随着含水率增大，达到13%时水平收敛最小，最大值为5号测点4.59 cm；含水率继续增大，围岩稳定性降低，水平收敛持续增大，20%含水率下水平收敛最大值为8.88 cm。

统计不同含水率下拱顶沉降及水平收敛最大值，见图10。

图10 不同含水率围岩变形最大值曲线

当含水率为12.84%时，即含水率在最优含水率12.76%附近时，围岩岩性最好，此时隧道变形量最小；当含水率由12.84%变化到20%，即逐渐接近天然含水率19.17%时，变形量增大，且变化速率越来越大。即红砂岩在含水、饱水乃至于富水的过程中，自身结构、层理不断破坏，在水的作用下难以维持稳定，且失稳破坏的趋势随着含水量的增大越发加快。

此外，当掌子面开挖至监测断面时，提取上、中、下台阶核心土中线处纵向位移，对掌子面挤出变形进行分析。取最接近最优与天然含水率的两个含水率工况对比分析，即含水率13%和20%。掌子面挤出变形见图11，图中绿线与蓝线分别为13%与20%含水率。

最优含水率下掌子面挤出位移较小，上、中、下台阶掌子面挤出位移最大值分别为6.73，3.90，3.92 cm；天然含水率上、中、下台阶掌子面挤出位移最大值分别为12.31，7.12，7.03 cm。尤其注意上台阶挤出位移在高含水率下数值较大，越是接近拱顶处，其挤出位移越大，即很可能在开挖过程上台阶拱顶处出现溜砂垮塌的现象，因此有必要采取超前水平旋喷桩加固并加强监控量测。

图11 掌子面挤出变形示意(单位：cm)

对比13%、20%两种含水率下围岩变形，见表4。相比20%含水率，13%含水率沉降收敛降低40%～50%，掌子面挤出降低55%。因此全风化红砂岩地层中含水率对围岩变形的影响幅度较大，在施工过程中应进行加密降水，控制开挖地层含水率。

表4 沉降收敛值对比

注：比值=最优含水率/天然含水率

4 加密降水

对比分析数值模拟结果，在含水率13%(即最优含水率附近)围岩变形最小；而含水率逐渐增大至20%(即天然含水率附近)围岩变形剧增，且变形速率越来越快。尽管接近天然含水率时拱顶沉降高达11.44 cm，仍稍小于该工况下规范允许值12.65 cm，但为偏于安全考虑，有必要采取加密降水。

现场决定采用超前深孔真空降水、真空轻型井点和重力式真空深井降水相结合的降水方案。后方采用集水井集水，通过完善排水系统将水分级抽排至洞外。

4.1 洞内超前深孔真空降水

洞内超前深孔真空降水布置方案见表5。

4.2 轻型井点降水

双排线性布置，沿台阶两侧纵向布置，间距不小于0.5 m，防止距离太小串孔。井点降水布置见图12。施工过程中可根据现场实际情况动态调整，即在降水前或降水过程中发现问题及时处理，达到安全施工。

4.3 重力真空深井降水

重力真空深井降水施工工艺见图13。

表5 洞内超前深孔真空降水布置方案

图12 井点降水布置(单位：cm)

图13 重力真空深井降水施工工艺

重力式真空深井降水成孔直径35 cm、井径20 cm、井深10～15 m(按地层条件决定)，井管采用φ200 mm PVC管，滤水管为圆孔式滤水管，外围包裹100目密目网两层，滤料采用粗砂，封孔材料采用膨润土，封孔深度不小于1 m。降水井结构如图14所示。

图14 降水井结构(单位：m)

正洞在下台阶两侧边墙内50～100 cm处设置，纵向间距3 m，施工过程中视降水效果进行调整。将地下水通过真空抽排的作用降至仰拱底部5 m以下，形成漏斗状降水，从而降低洞内水位线，使得受水影响的施工难度减小，洞内各工作面能达到有效施工条件。

5 隧道变形现场监控量测

现场在采取降水措施后，于后续加密降水地段，选取DK245+320、DK245+325、DK245+330三个监测断面对降水后拱顶沉降、水平收敛等位移情况进行监测，降水后含水率测试结果见表6，测点布置方案见图15。

表6 监测断面超前降水后含水率

图15 测点布置方案及现场试验检测

拱顶沉降和水平收敛监测时程曲线分别见图16和图17。

图16 监测断面拱顶沉降时程曲线

图17 监测断面水平收敛时程曲线

由图16、图17可知，采取进一步加密降水后，监测断面DK245+325含水率(13.22%)最为接近数值模拟变形最小时的含水率(12.84%)，其监测沉降(5.34 cm)比模拟值(4.84 cm)偏差10.33%，监测墙脚水平收敛(4.91 cm)比模拟值(4.59 cm)偏差6.97%。对比数值模拟与监测值，拟合较好，数值模拟有较高可信度，证实加密降水对控制变形有显著作用。

6 结论

通过现场试验、室内试验和数值模拟，探究不同含水率对全风化红砂岩地层隧道围岩变形影响，取得结果如下。

(1)室内试验结果表明：全风化红砂岩的最优含水率为12.76%，此时，围岩的密度、空隙比、黏聚力及摩擦角均优于其他含水率。

(2)数值模拟结果表明，当围岩地层含水率接近全风化红砂岩最优含水率时，此时岩性较好，围岩变形量最小；相比天然含水率附近(20%含水率)沉降值降低43%，水平收敛降低51%。因此，控制现场红砂岩地层含水率对于隧道施工极有必要。此外，采用三台阶七步法施工，掌子面尤其拱顶处挤出位移较大，建议现场施工提高警惕。

(3)现场试验结果表明，加密降水后，全风化红砂岩地层围岩变形得到有效控制，沉降收敛值较小。所得结果与数值模拟值偏差最大为10%左右，拟合程度好，具有较高可靠度。