郭 樂，蔡云廷，王家鼎

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251;2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710069)

隨著國家鐵路網(wǎng)和高速公路網(wǎng)的不斷完善，國家中西部開發(fā)的不斷深入，黃土高原地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐年增加，大批的隧道工程正在建設(shè)或陸續(xù)開工建設(shè)，其中涉及土質(zhì)圍巖的隧道工程大幅增加。過往，土質(zhì)圍巖主要分布在洞口、淺埋段，在整個隧道長度中所占比例較少，對工程工期和投資風(fēng)險影響有限。目前越來越多的長大隧道工程大段落穿越土質(zhì)地層，如山西中南部鐵路通道工程臨縣隧道(10.632 km)和石樓隧道(12.807 km)約50%洞身穿越三趾馬紅土地層，且最大埋深達(dá)220 m，表現(xiàn)出土質(zhì)圍巖連續(xù)長度大、埋深較深的特征。

三趾馬紅土廣泛分布于黃土高原地區(qū)，其中呂梁山西麓地區(qū)三趾馬紅土地層由于其沉積厚度大、連續(xù)性好、典型剖面多，歷來為三趾馬紅土研究的熱點(diǎn)地區(qū)［1］。山西中南部鐵路通道工程呂梁段走行于呂梁山西麓黃土梁峁區(qū)，大量隧道工程穿越三趾馬紅土地層，受裂隙孔隙水影響，三趾馬紅土的物理力學(xué)特性發(fā)生變異，圍巖強(qiáng)度、穩(wěn)定性降低，引起初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)，嚴(yán)重影響隧道施工安全和進(jìn)度。

目前關(guān)于三趾馬紅土的研究主要集中在沉積學(xué)、微形態(tài)學(xué)，土壤學(xué)、巖石磁學(xué)和地球化學(xué)等方面的研究［2］，關(guān)于其工程地質(zhì)特征及巖土力學(xué)性質(zhì)方面的研究較少，有關(guān)三趾馬紅土圍巖分級的研究更是寥寥無幾。針對三趾馬紅土隧道的工程地質(zhì)新問題，大力開展室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測以及施工試驗(yàn)段研究，對三趾馬紅土物理力學(xué)特性及圍巖分級定量化進(jìn)行研究。

1 土質(zhì)圍巖分級研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)外眾多的隧道圍巖分級方法和體系中，對于巖質(zhì)圍巖分級的研究相對比較成熟，但對特殊地質(zhì)條件下圍巖分級考慮還不完善和充分［3，4］，例如膨脹巖、土質(zhì)圍巖等。僅有我國鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范對土質(zhì)圍巖進(jìn)行了較詳盡的分級，并從工程地質(zhì)條件、土體結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)進(jìn)行定性描述和評價。由于分級指標(biāo)是描述性的、定性的，未考慮土質(zhì)的物理力學(xué)指標(biāo)，在使用上有主觀性，分級的準(zhǔn)確性較差［5-7］。在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，對土質(zhì)圍巖級別劃分的定量研究也相對薄弱，僅見少量文獻(xiàn)對一般黏性土及砂類土質(zhì)圍巖級別的定量研究［8，9］。

土體相比于巖體，具有碎散性、大孔隙、低強(qiáng)度、自穩(wěn)性差、對地下水作用敏感等特征，且土體中也存在大量的不同規(guī)模、不同成因、不同性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面，影響著土體圍巖的強(qiáng)度、穩(wěn)定性。地下水影響主要是根據(jù)地下水狀態(tài)采用降級處理方法，但地下水的特征描述和降級標(biāo)準(zhǔn)更適用于巖質(zhì)圍巖分級。綜上，目前的地下工程土質(zhì)圍巖分級仍處于經(jīng)驗(yàn)分級階段，尚需進(jìn)一步完善和定量化。

2 三趾馬紅土的物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 三趾馬紅土粒度及微結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)三趾馬紅土粒度分布曲線表明(Mastersizer2000型激光粒度儀，濕法測量)，土體以黏粒和粉粒(＜50 μm)為主，約占總含量的95%以上，且以粉粒(5～50 μm)占優(yōu)勢，黏粒(＜5 μm)含量在37% ～43%，比例也很高，決定了其物理、水理性質(zhì)的特殊性。顯微結(jié)構(gòu)(FEI Quanta400 FEG環(huán)境掃描電子顯微鏡)分析表明，三趾馬紅土孔隙不發(fā)育，骨架顆粒往往被凝塊狀或絮凝狀膠結(jié)物嵌埋而輪廓不清，骨架聯(lián)結(jié)強(qiáng)度較高，土體結(jié)構(gòu)較致密。見圖1、圖2。

圖1 粒度分布曲線

圖2 1 600倍鏡下微觀結(jié)構(gòu)

2.2 三趾馬紅土物理力學(xué)指標(biāo)

天然狀態(tài)下三趾馬紅土由于埋深較深形成年代較久而具有一定的超固結(jié)性和壓密性，但仍可在室內(nèi)用環(huán)刀制備土工試驗(yàn)的原狀樣品。通過土工常規(guī)試驗(yàn)得到其基本物理力學(xué)指標(biāo)，如表1所示?？梢娙厚R紅土按塑性指數(shù)分類屬于粉質(zhì)黏土，在天然狀態(tài)下具有天然重度大、孔隙比小、壓縮性低的顯著特征。

表1 三趾馬紅土物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 三趾馬紅土強(qiáng)度特性

為了研究三趾馬紅土的強(qiáng)度特性及其在水作用下的變化特征，現(xiàn)場采取原狀樣品進(jìn)行不同含水量下的三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)。試驗(yàn)所選用的含水量為天然含水量、塑限含水量、塑限含水量+2%含水量以及飽和含水量。

圖3和圖4表明，三趾馬紅土強(qiáng)度很高，不同含水量下內(nèi)摩擦角 φ 為 10.9°～26.9°，黏聚力 c為 186.7～360 kPa。三趾馬紅土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均隨著含水量的增大而減小，當(dāng)含水量超過塑限時，強(qiáng)度指標(biāo)c、φ出現(xiàn)突變，減小幅值增大，當(dāng)含水量達(dá)到塑限+2%(約20.5% ～21.3%)以后，減小幅值出現(xiàn)回落。強(qiáng)度指標(biāo)c、φ的突變和下降表明水是影響三趾馬紅土強(qiáng)度的一個重要因素，且［ωp，ωp+2%］的含水量區(qū)間是三趾馬紅土力學(xué)性質(zhì)突變的區(qū)間，也是圍巖質(zhì)量開始惡化的區(qū)間。

圖3 黏聚力與含水率關(guān)系曲線

另外，雖然在水的作用下黏聚力逐漸降低，但是仍處在較高區(qū)間，而隧道開挖過程中仍然頻發(fā)掉塊、小坍塌，表明其強(qiáng)度和穩(wěn)定性不僅與地下水有關(guān)，而且受三趾馬紅土的裂隙結(jié)構(gòu)以及砂土夾層等因素影響。

圖4 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線

3 三趾馬紅土圍巖分級影響因素

3.1 地下水作用

地下水是影響土質(zhì)圍巖穩(wěn)定性的重要因素。水的作用主要表現(xiàn)為溶蝕土體和結(jié)構(gòu)面中易溶膠結(jié)物，潛蝕充填物中的細(xì)小顆粒，使土體軟化，強(qiáng)度降低，同時增加動、靜水壓力等作用。這些作用對圍巖穩(wěn)定性的影響可采用修正法、降級法、限制法等進(jìn)行反映。隧道開挖后因滲流路徑的增加、水力坡度的改變將影響圍巖的含水狀態(tài)，并直接導(dǎo)致圍巖力學(xué)性質(zhì)弱化，穩(wěn)定性大大降低。根據(jù)三趾馬紅土掌子面含水情況分為4種狀態(tài)，如表2所示。不同含水狀態(tài)下土體強(qiáng)度差異較大，具有不同的圍巖穩(wěn)定性，需采取不同的支護(hù)加固措施。

表2 三趾馬紅土含水狀態(tài)

對于無水稍濕狀態(tài)的三趾馬紅土屬于典型的“硬土”，具大塊狀壓密結(jié)構(gòu)，按照Ⅳ級圍巖初支及二襯參數(shù)進(jìn)行施工，初支結(jié)構(gòu)拱頂下沉變形、側(cè)壁收斂變形量及變形速率監(jiān)控量測結(jié)果均表明圍巖穩(wěn)定，工程安全可靠，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果良好。

對于潮濕狀態(tài)的三趾馬紅土，現(xiàn)場開展Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖試驗(yàn)段研究，分別采用格柵鋼架與噴錨支護(hù)和型鋼鋼架與噴錨支護(hù)的初期支護(hù)措施進(jìn)行對比分析。監(jiān)控量測顯示，當(dāng)采?、艏墖鷰r初支措施，拱頂下沉及側(cè)壁收斂變形不收斂，初支變形量較大甚至侵占二襯界線，圍巖往往處于不穩(wěn)定變形發(fā)展中，塌方風(fēng)險很高;而采?、跫壋踔Т胧┖?，拱頂下沉、側(cè)壁收斂變形均較快趨于收斂，能夠保證圍巖的穩(wěn)定性。對于潮濕狀態(tài)的三趾馬紅土往往存在滯后性滲滴水作用，土體含水量有進(jìn)一步增大的發(fā)展過程，實(shí)踐表明，只有按照Ⅴ級圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)加固，才能保證施工安全和進(jìn)度。

飽和狀態(tài)和過飽和狀態(tài)下三趾馬紅土主要為地下水位以下段落，當(dāng)掌子面位于土石分界或揭露砂土夾層時，水量一般較大，地下水狀態(tài)分級為Ⅰ～Ⅱ級，局部達(dá)到Ⅲ級。針對水量較小的Ⅰ級富水段開展Ⅳ級圍巖試驗(yàn)段施工，結(jié)果三趾馬紅土圍巖初支出現(xiàn)大變形，格柵鋼架甚至被壓扭曲，拱頂出現(xiàn)不同程度的坍塌，嚴(yán)重威脅施工安全和工程質(zhì)量?，F(xiàn)場及時調(diào)整圍巖級別，按照Ⅴ級圍巖支護(hù)措施進(jìn)行施工，有效遏止了圍巖變形，工程效果明顯。

3.2 裂隙作用

巖體結(jié)構(gòu)控制論已為學(xué)界和工程界普遍認(rèn)同。對于裂隙發(fā)育的土體，結(jié)構(gòu)控制論同樣適用。雖然土塊本身力學(xué)性質(zhì)在土體受力變形中也起著決定性的作用，但在隧道工程中圍巖土體處于重分布應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面的影響不能忽視。據(jù)前人研究成果及現(xiàn)場開挖揭示，三趾馬紅土圍巖的裂隙主要為延伸較差的節(jié)理、層面、次生裂隙，長度為幾厘米至數(shù)十厘米，以及規(guī)模更小的微層面、微裂隙等，其連續(xù)性一般較差。根據(jù)隧道開挖掌子面統(tǒng)計(jì)，其裂隙發(fā)育特征見表3。

裂隙對圍巖穩(wěn)定性的影響往往耦合地下水的作用，其機(jī)理為隧道開挖后圍巖應(yīng)力重分布，圍巖土體發(fā)生彈塑性變形，原生節(jié)理裂隙隨之呈微張～張開狀，隨著洞周土體逐步松動土體滲透性增強(qiáng)，地下水滲流作用增強(qiáng)。在這一過程中水的滲流增強(qiáng)導(dǎo)致了土體強(qiáng)度大大降低，圍巖土體變形加大。隨著時間的進(jìn)展，松動圈土體及局部應(yīng)力集中部位出現(xiàn)掉塊、小坍塌甚至較大規(guī)模坍塌，圍巖應(yīng)力逐步釋放，致使初期支護(hù)圍巖壓力增大且受力不均勻，最終表現(xiàn)為初期支護(hù)的格柵鋼架變形，噴射混凝土開裂、滲水、掉塊。

表3 三趾馬紅土裂隙發(fā)育特征

另一方面，室內(nèi)三軸和直剪試驗(yàn)結(jié)果均表明，三趾馬紅土強(qiáng)度參數(shù)很大，其平均黏聚力達(dá)300 kPa，表現(xiàn)出很高的黏聚力。但由于試樣尺寸的限制，試驗(yàn)結(jié)果所反映的土體強(qiáng)度絕大部分是土塊的強(qiáng)度，不能體現(xiàn)裂隙發(fā)育的土體整體的強(qiáng)度。大型室內(nèi)直剪試驗(yàn)和現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)表明，三趾馬紅土土體強(qiáng)度相比土塊的強(qiáng)度大大降低，土體黏聚力下降達(dá)56% ～78%。由此可以清楚地看到土體中普遍發(fā)育的各種微小結(jié)構(gòu)面對土體強(qiáng)度影響巨大，在工程中應(yīng)予以足夠的重視。

裂隙的存在不僅破壞了土體的連續(xù)性、大大降低土體的強(qiáng)度，而且容易造成應(yīng)力集中，其不利組合直接控制了掌子面土體掉塊、坍塌情況。裂隙在降低圍巖整體的力學(xué)性質(zhì)的同時增大了土體的滲透系數(shù)，有利于地下水的滲流。現(xiàn)場施工中，裂隙發(fā)育～很發(fā)育的段落在隧道開挖過程中頻繁劇烈的掉塊、坍塌，加上地下水的耦合作用，三趾馬紅土圍巖穩(wěn)定性加速惡化，設(shè)計(jì)施工按照Ⅴ級圍巖進(jìn)行初期支護(hù)，有效提高了圍巖的穩(wěn)定性。

3.3 砂土夾層作用

三趾馬紅土地層并不是均質(zhì)的，隧道開挖揭示在該套地層中發(fā)育大段落的細(xì)砂、細(xì)圓礫土薄層、透鏡體，并且多具水平層理、粒序?qū)永?，反映了沖積成因環(huán)境。隧道開挖揭露砂土層發(fā)育特征見表4。當(dāng)掌子面發(fā)育兩種不同巖性的地層時，圍巖穩(wěn)定性受控于其組合及其最薄弱環(huán)節(jié)，對于粉質(zhì)黏土與砂土地層組合砂土層的分布和含水情況控制圍巖分級。砂土層黏聚力低易坍塌，當(dāng)位于拱部、拱腰邊墻時，且其厚度超過0.5 m就會對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響;另一方面砂土層相對富水，掌子面揭露砂土層時往往加速了滲滴水過程且加大了滲水量值，影響圍巖穩(wěn)定性。

現(xiàn)場施工揭露砂土層主要包括兩種狀態(tài)，一種為砂質(zhì)較純且單層厚度較大，最大達(dá)1.5 m，含水量高易坍塌;另一種為與粉質(zhì)黏土呈互層狀態(tài)產(chǎn)出，單層厚度0.1～0.5 m，砂土黏粒含量較高，呈潮濕狀態(tài)，具有一定的自穩(wěn)能力。對于第一種狀態(tài)的砂土層，其分布位置對圍巖穩(wěn)定性影響最大。當(dāng)其位于拱部時，設(shè)計(jì)施工按照Ⅴ級加強(qiáng)支護(hù)，效果良好;當(dāng)其位于中臺階邊墻及下臺階時，按照Ⅴ級圍巖支護(hù)，效果良好。第二種狀態(tài)的砂層對圍巖穩(wěn)定性的影響較之前者較小，僅當(dāng)其位于拱部時圍巖級別需調(diào)整為Ⅴ級，位于中下臺階時在潮濕狀態(tài)下圍巖級別下降尚不足一級。

表4 三趾馬紅土中砂土層發(fā)育特征

3.4 多因素疊加作用

三趾馬紅土隧道施工實(shí)踐表明，其圍巖穩(wěn)定性并非單因素控制，而是由多因素疊加作用控制。三趾馬紅土形成年代較久，沉積于新近系以前基巖地層之上，處于新構(gòu)造運(yùn)動環(huán)境中，一般具超固結(jié)性，土體原生裂隙較發(fā)育。在隧道開挖后重分布應(yīng)力作用下，圍巖應(yīng)力釋放回彈，節(jié)理裂隙張開，地下水滲流加速，各種因素耦合作用，加速和加大了圍巖強(qiáng)度降低的程度，圍巖穩(wěn)定性惡化，圍巖級別降低;加之土體發(fā)育砂土薄層、透鏡體，增強(qiáng)了土體的不均勻性和富水性，使得圍巖質(zhì)量進(jìn)一步降低。

多因素疊加作用總體致使圍巖質(zhì)量降低1～2個級別，必須針對性采取加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)措施。鑒于多因素疊加的復(fù)雜性，隧道圍巖級別的劃分和評定必須考慮開挖后隧道圍巖所處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境，與設(shè)計(jì)施工一體化實(shí)現(xiàn)動態(tài)化、信息化要求。

4 三趾馬紅土隧道圍巖分級探討

4.1 均質(zhì)三趾馬紅土圍巖分級

隧道圍巖分級向定量化參數(shù)發(fā)展是科學(xué)發(fā)展和工程實(shí)踐的必然要求，特別是土質(zhì)圍巖分級目前仍處于經(jīng)驗(yàn)分級的階段，急需向定量化方向邁出一步。對三趾馬紅土隧道圍巖分級據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》屬于“具壓密或成巖作用的黏性土，呈大塊狀壓密結(jié)構(gòu)”，圍巖級別為Ⅳ級;考慮地下水狀態(tài)修正，對于Ⅰ級出水狀態(tài)、甚至硬塑狀三趾馬紅土圍巖級別按照Ⅳ級圍巖設(shè)計(jì)施工，圍巖穩(wěn)定性差支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形;只有調(diào)整圍巖級別為Ⅴ級方可保證工程安全。但是既有規(guī)范并沒有充分考慮土體的力學(xué)指標(biāo)和性質(zhì)。

現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)以及工程施工實(shí)踐均表明地下水是影響三趾馬紅土圍巖質(zhì)量的最重要因素，三趾馬紅土圍巖分級應(yīng)考慮土體的含水狀態(tài)。研究選取常規(guī)試驗(yàn)最易獲得的土的含水率及液性指數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)作為定量指標(biāo)，并通過統(tǒng)計(jì)分析確定相應(yīng)界限值，如表5所示。該方法在呂梁山西麓三趾馬紅土隧道工程實(shí)踐中是可行的，更有待于新的工程實(shí)踐檢驗(yàn)與完善。

表5 三趾馬紅土隧道圍巖分級

4.2 考慮多因素三趾馬紅土隧道圍巖分級

三趾馬紅土地層往往不是均一巖性沉積，隧道工程往往遇到砂土、細(xì)圓礫土等薄層或透鏡體以及原生裂隙發(fā)育及其組合情況，這些因素均會對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)以及工程實(shí)踐，在呂梁山西麓三趾馬紅土隧道工程實(shí)踐中采用考慮多因素三趾馬紅土隧道圍巖分級方法，如表6所示。該方法有待于新的工程實(shí)踐檢驗(yàn)與完善。

表6 考慮多因素三趾馬紅土隧道圍巖分級

需要明確的是，對于地下水Ⅰ級富水狀態(tài)下，土石分界、拱部厚度＜0.5 m、中下臺階砂層及裂隙發(fā)育的單因素對隧道圍巖級別影響尚不能降低一個級別，但是支護(hù)結(jié)構(gòu)措施需加強(qiáng)，定為Ⅴ1級以引起設(shè)計(jì)施工注意;對于地下水Ⅲ級狀態(tài)下，無論砂層的位置，由于水量大且存在涌水流砂風(fēng)險，圍巖級別需研究確定。當(dāng)掌子面出現(xiàn)各種因素組合作用時，應(yīng)取最不利分級并加強(qiáng)針對性支護(hù)結(jié)構(gòu)措施。

5 結(jié)語

結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)及工程實(shí)踐，對三趾馬紅土隧道圍巖分級定量化方法進(jìn)行了初步研究，特別是對各因素相互耦合作用做了相關(guān)探討，尚需進(jìn)一步深入。需要指出的是，三趾馬紅土圍巖穩(wěn)定性呈現(xiàn)出一個隨時間發(fā)展的動態(tài)過程，需結(jié)合工程尺度、施工工藝加強(qiáng)信息化、動態(tài)化圍巖分級，進(jìn)而評價隧道工程穩(wěn)定性。

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