含水率对粉质黏土隧道稳定性的影响机制_马凯蒙.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220411；修回日期：修回日期：20220812 基金项目：基金项目：高铁联合基金资助项目(U1934213)Supported by the High Speed Rail Joint Fund Funded Projects(Grant No.U1934213)作者简介：作者简介：马凯蒙(1991)，男，2014 年毕业于长沙理工大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事高地应力隧道稳定性方面的研究工作。E-mail：。通讯作者：张俊儒(1978)，男，博士，现任副教授、博士生导师。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0339 含水率对粉质黏土隧道稳定性的影响机制含水率对粉质黏土隧道稳定性的影响机制 马凯蒙1，张俊儒1，徐 剑1，陈雪锋2，任兆丹2，冯冀蒙1(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)摘要：摘要：粉质黏土地层含水率变化范围大、力学性能受含水率影响大，在该地层中修建隧道含水率对隧道稳定性影响极大。基于以上背景，依托杨(柳)宣(威)高速公路大营坡隧道，开展含水率变化对粉质黏土隧道稳定性的影响研究。首先分析大营坡隧道失稳段的变形特征及其变形机制，通过三轴压缩试验得到不同含水率粉质黏土的力学参数；其次基于试验数据应用数值计算方法，研究考虑隧道周边不同区域粉质黏土含水率变化对隧道稳定性的影响机制；最终提出粉质黏土隧道失稳判别基准。研究结果表明：(1)该地区粉质黏土具有较强的水敏性，力学性能随含水率升高显著下降，含水率达到 40%时，其抗剪强度与弹性模量仅为含水率 15%时的 10%20%，含水率的上升造成隧道的整体沉降，大营坡隧道最大沉降量 76.7 cm；(2)粉质黏土隧道稳定性随含水率变化可分为 4 个阶段：稳定阶段(15%25%)、预警阶段(25%27.5%)、报警阶段(27.5%wcr)及失稳阶段(wcr)；(3)拱脚区域围岩含水率升高导致地基承载力不足而无法提供足够的支护抗力，是造成初期支护整体下沉、错台及严重侵限的主要原因。关键词：关键词：隧道工程；公路隧道；失稳机制；三轴压缩试验；粉质黏土；含水率 中图分类号：中图分类号：U 45 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03076812 Influence mechanism of water content on tunnel stability in silty clay layer MA Kaimeng1，ZHANG Junru1，XU Jian1，CHEN Xuefeng2，REN Zhaodan2，FENG Jimeng1 (1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China；2.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei 430063，China)Abstract：The water content of silty clay stratum varies widely and greatly affects the mechanical properties.The water content of silty clay stratum has great influence on tunnel stability.Thus，based on Dayingpo tunnel of Yangliu-Xuanwei expressway，the influence of water content change on the stability of tunnels in silty clay stratum was studied.Firstly，the deformation characteristics and deformation mechanism of the unstable section of Dayingpo tunnel were analyzed.The mechanical parameters of silty clay with different water content were obtained by triaxial compression test.Secondly，based on the experimental data，the influence mechanism of silty clay water content change on tunnel stability was studied by numerical calculation method.Finally，the criterion for determining the instability of silty clay tunnel was proposed.The results show that：(1)the silty clay in this area has strong water sensitivity，and its mechanical properties deteriorate significantly with the increase of water content.When the water content reaches 40%，its shear strength and elastic modulus are only 10%20%of that when water content is 15%.The increase of water content causes the overall settlement of the tunnel，and the maximum settlement of dayingpo tunnel is 76.7 cm.(2)According to the water content，the stability of silty clay tunnel can be divided into four stages：stable stage(15%25%)，early warning stage(25%27.5%)，alarm stage(27.5%wcr)and unstable stage(wcr).(3)The increase of water content of surrounding earth in the arch foot area leads to insufficient 第 42 卷 第 3 期 马凯蒙等：含水率对粉质黏土隧道稳定性的影响机制 769 foundation bearing capacity and insufficient support resistance，which is the main reason for overall subsidence，misplacement and serious intrusion of initial support.Key words：tunnelling engineering；highway tunnel；instability mechanism；triaxial compression test；silty clay；moisture content 1 引引 言言 随着我国交通强国战略的全面贯彻落实，越来越多的高速公路网络修建于西南地区，对于改善当地交通状况、实现该地域高速公路的“互联互通”起到关键性作用。滇黔地区多山地，地质条件复杂，断层发育，该地域虽地应力量级不高，但围岩强度低、节理裂隙发育，尤其是隧道穿越土质地层时，由于岩体强度应力比低，施工过程中极易发生大变形及突变失稳等工程灾害，给该类隧道设计及施工安全带来极大的困扰。粉质黏土是一种介于粉土和黏土之间的一类土，具有强度低、结构松散、力学性能不稳定等特点。关于粉质黏土的工程特性，已有众多学者做出了研究：牛亚强等1通过三轴试验研究了含水率对粉质黏土工程特性的影响，得到含水率大于 16%时，出现应变软化特性；胡田飞等2-3得到粉质黏土的抗剪强度随含水率呈非线性变化规律，水的重分布可能导致强度的改变，同时水分由高压实度区向低压实度区域迁移；王大雁等4-5通过试验发现反复的扰动会改变粉质黏土的性状，使得其向新的动态稳定平衡状态发展；另一方面，不同地区的粉质黏土表现出不同的工程特性6-9。综上所述，粉质黏土的力学特性具有对含水率敏感，受外力作用影响大，抗剪强度低等特性，在该地层中修建隧道极具挑战10。土质隧道施工过程中的变形多以拱顶沉降为主11，伴随有顶部坍塌等工程问题12-13。展宏跃14依托山西某粉质黏土隧道，采用现场监测和数值模拟的方法，对其变形特征进行了分析，得到隧道开挖初期变形速度快，变形量大，上台阶沉降占总沉降的80%，当初期支护封闭成环后，隧道变形得到有效地控制。储文静等15采用现场监测的方法，对第三系粉质黏土隧道变形特征进行了研究，得到隧道边墙的变形为拱顶沉降的 1.52.0 倍，同时隧道的变形表现出明显的时空效应，最大变形断面在掌子面后面 1525 m。庄 丽和周顺华16采用离心试验方法，研究了土体强度和成拱能力等因素对浅埋中软塑和硬可塑粉质黏土隧道的变形特征，得到该类隧道围岩压力主要来源于形变压力，而非松动压力。肖小文等17采用 Burgers 模型对第三系粉质黏土隧道进行了模拟，认为粉质黏土的流变特性是造成隧道出现喷射混凝土压溃、钢架扭曲等问题的主要原因。邵珠山等18考虑降雨渗入，研究了不同含水率粉质黏土边坡的稳定性，发现安全系数与坡角对数、土体含水率具有线性关系。李术才等19-20认为含水率为 15%20%的粉质黏土具有一定的承载力，隧道在该地层中开挖变形可以稳定。同时大量研究显示土质隧道变形特征与机制与其工程特性密不可分，且不同含水率、不同密实度之间又存在较大的差异17-24。通过调研发现，目前学术界针对含水率对粉质黏土隧道稳定性的影响主要有以下两方面的认识：(1)当含水率较低时，粉质黏土具有较强的承载力，修建隧道无较大风险；(2)当含水率较高时，粉质黏土地层承载力严重不足，并呈现出应变软化、流变等特性，此时极易形成大变形及突变失稳的灾害。目前含水率变化对粉质黏土隧道稳定性的影响并没有系统研究，且粉质黏土含水率变化对隧道的影响机制尚不清楚，影响稳定的含水率量级并不确定。云南东北部地区降雨量较大，地表水补给充分，该区域内的粉质黏土在浸水作用下呈现为可塑状态，含水率变化范围大，且透水性强、抗剪强度低，力学性能不稳定，隧道开挖的卸荷效应将增大隧道周围粉质黏土的孔隙率，从而对含水率变化更加敏感，导致隧道施工中出现上台阶整体下沉、支护结构错台或严重侵限等问题。基于以上背景，为揭示并进一步完善含水率对粉质黏土隧道稳定性的影响机制，以杨(柳)宣(威)高速公路大营坡隧道为依托开展研究。2 依托工程概述依托工程概述 2.1 工程概况 工程概况 杨(柳)宣(威)高速公路属于滇、黔两省同步建设的威宁宣威高速公路的云南段，其中大营坡隧道为分离式长隧道，设计时速为 100 km/h，右线全长2 156 m，左线全长 2 163 m。隧道最大埋深 220 m，地形起伏较大，冲沟水系不发育，切割较深。洞身范围内 K65+402K65+580 段 178 m 左右线均位于粉质黏土层，结构松散、