0 引言

隧道建设是我国目前发展基建的重要任务之一。据统计,截止2020年底，全国投入运营的铁路隧道总里程已达19630千米[1]。

目前，我国黄土分布面积约占国土面积的6.3％，其总面积约为64万平方千米，黄土特有的结构明显、透水性强、湿陷性、垂直节理发育等特性，使得在黄土地层中修建隧道时会存在渗漏水、大变形、掉块、坍塌等施工风险，尤其是湿陷性造成的短时间内突然失稳的风险。

几乎所有的黄土隧道在施工过程中都会遇到因含水率上升导致黄土地层强度下降、黄土湿陷等问题。因此，黄土强度与含水率的关系一直是岩土工程里面需要加强研究的重点、热点课题，许多学者在此方向取得了大量的研究成果[2-10]。

黄琨等人[2]对重塑土进行直剪试验，研究发现随着含水率的增加，土的抗剪强度降低，含水率上升会显著降低土的黏聚力，而对内摩擦角的影响较小。

王新东[3]通过隧道变形特性试验，研究发现含水率越高，隧道变形越大，且沉降变形是主要变形，建议一般含水率黄土隧道采用台阶法施工。

陈福江[4]通过模拟隧道围岩在不同含水率和不同施工工况下对隧道形态的影响。分析表明随着黄土含水率的降低，黄土的粘聚力和摩擦角都不同程度的变大，黄土隧道围岩工程性质越来越好。

薛山等人[5]通过数值模拟发现含水率的提高主要加剧了围岩湿陷，导致隧道拱顶沉降大幅增加，但隧道收敛除范围增大外最大值并无变化，初支混凝土、钢架和锚杆的应力变化较小。

王钎[6]通过现场监测和数值模拟的方法对大断面高含水量黄土隧道初期支护力学特性进行研究，结果表明，围岩压力和钢拱架应力均经历了初期波动、稳步增长、趋于稳定的变化规律，稳定周期约一个月。

周鹏等人[7]基于现场监控量测与统计数据，发现黄土隧道初期支护横断面收敛不均,纵向变形与断面距掌子面距离直接相关。

曾仲毅[8]通过现场监测试验，发现在降雨作用下，隧道边墙的中部是首先发生破坏的位置，围岩压力和钢拱架应力随含水率明显增大，检测中压力和钢拱架局部应力增大可达三倍以上。

杨东升[9]通过现场监测、室内试验以及数值模拟的方法建立隧道施工模型，得出隧道的拱顶沉降受降雨影响最大，沉降值增加20％～40％，初支混凝土和二衬钢架的应力增幅约在15％～20％之间。

景韧[10]等人通过对某穿越湿陷性黄土地层隧道某塌方段地层-结构法和荷载-结构法的数值对比计算分析，发现采用地层-结构法更符合实际情况。

近年来，众多学者对黄土隧道的研究已经收获了许多设计和研究成果，但还存在一些缺陷，主要体现未考虑含水率或监测断面距掌子面距离等因素对隧道初支变形的影响规律，对含水率的阈值控制也没有提出相应的指标，施工中多采取帷幕注浆或降水等措施。无相应含水率阈值控制，环保性经济性欠缺。

在分析前人试验研究成果的基础上，本文综合考虑了含水率及监测断面距掌子面距离对初支变形的影响规律，利用Midas GTS有限元软件对不同含水率的隧道开挖进行了数值模拟及分析，结合现场工程验证校核，对富水黄土隧道开挖变形机理进行了研究，提出了控制阈值建议值以及相应的对策措施，减少了过度堵水或降水造成的环境和经济风险。研究成果对黄土隧道围岩含水率和变形控制、施工技术措施优化等具有较好的理论意义和应用价值。

1 工程实例

1.1  工程概况

银西铁路（甘宁段）上阁村隧道全长6782.45 m（DK 207+517.55～DK 214+300），最大埋深102 m，Ⅳ级围岩长2560 m，Ⅴ级围岩长4222.45 m。隧道洞身部分段落通过浅埋慢坡、硬塑黄土、地下水影响段，施工风险大，安全风险高。

隧道洞身工区开挖后随着时间推移，受地下水径流影响，初支表面潮湿，渗（出）水现象较为严重，呈滴状或线状流出，局部段落沿管棚钻孔以股状水流出（如图1），拱脚软化严重，拱部变形、沉降较大，最大达到80 cm，变形快，下沉速率最高12 cm/d，局部段落掉块较为严重，施工中数次发生极短时间内围岩突然失稳、坍塌灾害。

图1  初支面渗水呈线状流出

1.2  开挖土体基本参数

隧道洞身通过地层主要为第四系中更新统风积黏质黄土，硬塑为主，垂直节理发育，实测含水率为16.2%～31.4%，其含水率测定分布如图2。

图2  上阁村隧道洞身黄土含水率测试图

由于黄土含水率较高，导致施工时大变形、掉块、坍塌等施工风险的概率大幅提升。基于此，进行了多次现场原状土体物理力学实验，统计分析得到土体的物理力学参数，如表1。

表1  上阁村隧道洞身黄土物理力学参数

通过对表1中黄土物理力学参数分析可知：容重和泊松比与含水率成正线性相关；弹性模量、内摩擦角和粘聚力与含水率均成负相关，且随着含水率的上升，土体的弹性模量和粘聚力显著下降，而内摩擦角随着含水率的上升的衰减幅度较小。

2  有限元数值模拟

本文针对上述土体含水率变化引起的隧道围岩变形规律进行计算分析和比较。在每种工况（土体含水率不同）中，模拟了围岩开挖、施作支护，直至其稳定或破坏。隧道开挖和施作支护的过程中不考虑孔隙水压力。

2.1  模型建立

本文采用Midas GTS有限元软件对隧道进口工区DK 208+304.6断面进行三维地层-结构法数值模拟，Ⅴ级围岩，埋深64.7 m，采用环形开挖预留核心土法开挖。数值模型上边界取至地表，左右边界取隧道开挖断面外侧4倍毛洞跨度的位置，下边界取隧道底面4倍毛洞高度的位置。

地层分为三层，计算参数如表1所示。喷射混凝土及锚杆采用弹性模型，围岩采用Mohr-Coulomb本构模型。初支采用C30混凝土，厚度30 cm；锚杆采用16根HRB400Φ25钢筋，锚杆长度4 m，环向间距为1.2×1.0 m；二衬采用C40混凝土，厚度50 cm[12]，其力学参数如表2。

整个隧道与地层的网格划分如图3所示。

图3  隧道计算模型网格划分图

2.2  开挖步骤模拟

在模拟隧道掌子面开挖时采用三台阶预留核心土工法，开挖顺序为：上台阶1→核心土2→下台阶3；开挖间隔为2 m，开挖循环进尺为每天5×2 m。上台阶高度（拱顶至核心土顶面）为4 m，核心土高度为2 m；下台阶高度为6.54 m。隧道掌子面开挖顺序如图4所示。

图4  隧道掌子面开挖顺序

2.3  监测点布置

洞内分别设置拱顶沉降﹑仰拱隆起、拱肩收敛、拱腰收敛和拱脚收敛监测点，计算和实测监测点布置如图5所示。

图5  监测点布置示意图

3  计算结果与分析

3.1 不同围岩含水率、开挖距离的变形规律分析

本文采用Midas有限元软件进行模拟黄土隧道施工过程，得出在不同含水率下、不同开挖断面处初期支护结构变形规律，并将得到的数据绘制成沉降变形折线图，如图6。

图6 黄土含水率-开挖距离-变形关系折线图

由图6（a）、（b）分析，在土体含水率逐渐增加情况下隧道整个断面塑性变形增加，且随着监测（仰拱封闭）断面距离掌子面增加，含水率增加，围岩变形呈现增长-平稳趋势变化。其具体表现为：

①含水率为22%～25.4%区间时，隧道拱顶沉降明显小于含水率为26.5%～30.5%区间的沉降值，最大差值174.94 mm，说明含水率大小对黄土地层围岩塑性变形影响较大。

②同一监测断面情况下，含水率增加围岩变形量增加，在开挖距离0～30 m段，围岩变形量快速增加，后续30～60 m段围岩变形量逐渐趋于平稳，主要原因为隧道采取三台阶预留核心土工法后隧道支护结构封闭成环后变形趋于稳定。

③净空收敛特征与拱顶沉降特征基本相似，总体变形量为：拱顶沉降＞净空收敛；同一监测断面不同含水率条件下变形差异值最大为114.43 mm，小于同种分析条件下的沉降差异最大值。这也说明了，黄土隧道围岩变形控制关键重点是拱顶沉降。

含水率对围岩变形影响较为显著，开挖支护距离也是一个关键因素，因此在黄土隧道施工中，应加强开挖步距管理，快速封闭，高刚锁脚桩，支护成环速度越快，抑制变形风险越有利。

3.2 黄土含水率变形规律分析

进一步的分析拱顶、拱腰、拱脚、仰拱隆起和掌子面挤出等5个部位的含水率-变形机理分析，如图7。

图7 不同黄土含水率下初期支护变形曲线图

如图7所示，拱顶、拱脚沉降、净空收敛及掌子面挤出位移均随含水率的增大而增大，拱部沉降位移最大值出现在拱顶部位，随之是拱腰收敛、拱脚收敛、仰拱隆起，最后是掌子面挤出位移；拱顶沉降大于净空收敛，可见软塑黄土大断面隧道需要控制隧道拱顶沉降。根据拱顶沉降、拱脚沉降、净空收敛、仰拱隆起以及掌子面挤出位移随含水率的变化规律，拟合出位移随含水率而变化的公式如下，多项式拟合曲线如图8。

图8  隧道各部位随含水率变化规律

结合图8（a）、（b）、（c）横向对比可知，随着围岩含水率的增加，围岩条件变差，拱顶沉降呈明显递增趋势，拱顶变形最大值随着含水率呈非线性增长，当含水率大于25%时，变形速度加快。

根据《铁路黄土隧道技术规范》（Q/CR 9511—2014）8.5.5条规定[12]，当埋深大于2（B+H）时，Ⅴ级围岩双线铁路隧道拱顶初期支护极限相对拱顶下沉为1.35%～1.90%，本隧道净空13.38 m，所以拱顶下沉极限值为180.63～254.22 mm，由图7可得出当围岩含水率为28.5%时，拱顶沉降值为最大达到246 mm。

因此含水率必须严格控制，加强支护，确保掌子面满足安全要求。根据公式（1）求解出拱顶沉降刚达到《铁路黄土隧道技术规范》（Q/CR 9511—2014）8.5.5条规定的初期支护拱顶下沉极限值180.63 mm时所对应的含水率为25.86%，即围岩含水率超过25.86%时需要对隧道拱顶采取控制措施控制其变形。

因此，从初期支护变形规律分析可知，软塑黄土大断面隧道自稳状态下围岩的界限含水率为24～25%。

4  工程处置方案

银西铁路（甘宁段）上阁村隧道洞身在开挖过程中，初支表面潮湿，渗（出）水现象较为严重，呈滴状或线状流出，局部段落沿管棚钻孔以股状水流出，拱脚软化严重，拱部变形、沉降较大，局部段落掉块较为严重，掌子面出现大变形，而且在开挖浅埋段时地表沿着隧道方向左右侧均不同程度出现裂缝现象，且洞内初支出现环向裂纹，洞内拱顶沉降较大，数次出现突然失稳导致坍塌的灾害。

图9 上阁村隧道高含水率黄土及围岩大变形

为了应对高含水率黄土给隧道建设带来的问题、根据模拟分析结果，施工单位联合设计单位，并结合现场开挖所揭露水文的地质情况，专门增加了含水率监测与分析，设定了含水率阈值和仰拱封闭布局控制指标，调整设计和施工方案。

4.1 地下水位高于拱顶段落

上阁村隧道洞身DK 208+340～DK 208+690段通过软塑黄土夹层，地下水位线位于拱顶附近，且施工后农田需要继续耕种，对此采取地表降水措施。因地下水位线位于拱顶附近，考虑二衬施工的滞后性及施工期间降水区附近农田灌溉的影响，将含水率阈值控制22%±2%。

（1）降水井间距25 m，左右对称布置于正洞轮廓线外侧边缘4 m处。

（2）降水井直径φ325 mm，井深进入隧底高程以下20 m。

图10 地表降水井现场施工照片

根据试验降水效果，平均单井涌水量为61～91 m3/d，孔内降深可到达57.2～60 m，形成的降水漏斗位于隧道仰拱以下。地表降水改善隧道掌子面黄土的含水特性和物理性质，含水率、液性指数都出现了较大下降，含水率平均值由30.14%降到21.71%，液性指数平均值也从0.89降到了0.37，提高了隧道洞身黄土围岩的稳定性。

根据隧道施工现场DK208+645、DK208+650以及DK208+655三个地下水位高于拱顶断面监测数据得知，通过降水后，在降水的前15天中隧道围岩的拱顶沉降及拱脚收敛变形速率较快，拱顶沉降平均速率7.1～8.1 mm/d，拱脚收敛平均速率3.5～3.9 mm/d；在降水15天后，隧道围岩变形趋于稳定，隧道围岩拱顶沉降最大值稳定至128 mm左右，净空收敛变形最大值稳定至55 mm左右。如图11所示，围岩变形相对于未降水前有较大降低，证明了地表降水对于控制围岩变形的有效性，以及含水率阈值设定的合理性。

图11 降水后拱顶沉降与拱脚收敛变形时间曲线图

4.2 浅埋富水软塑黄土段落

上阁村隧道洞身DK 208+710～DK 208+760段通过浅埋富水软塑黄土段落，考虑地表预注浆具有超前施作、不占用掌子面空间以及洞内无需停工等优点，在隧道浅埋段、具备地面注浆条件的段落，采取了结合含水率阈值控制的地表预注浆措施，相比普通地表注浆节约了大量水泥，设置了可耕植土作为封层，降低了环保风险。

袖阀管注浆横向加固范围如图12所示，隧道轮廓线至开挖轮廓线外两侧各5 m，竖向加固范围为隧道拱顶以上5 m，增设地表封土层。注浆完成后含水率控制在20%，由于开挖距离注浆结束约1.5个月，开挖时洞内黄土平均含水率升至22.5%，采用三台阶预留核心土大断面开挖时围岩稳定。

图12 地表注浆加固设计示意图

根据隧道施工现场DK 208+745、DK 208+750以及DK 208+755三个浅埋富水软塑黄土断面监测数据得知，通过注浆后，开挖前12天中隧道围岩的拱顶沉降及拱脚收敛变形速率较快，拱顶沉降平均速率4.2～5.1 mm/d，拱脚收敛平均速率2.1～2.2 mm/d；12天后，隧道围岩变形趋于稳定，隧道围岩拱顶沉降最大值稳定至67 mm左右，净空收敛变形最大值稳定至32 mm左右，喷射混凝土没有再次发生开裂等现象。如图13所示，围岩变形相对于未降水前有较大降低，证明了结合含水率阈值控制的地表预注浆措施对于控制围岩变形的有效性，以及含水率阈值设定的合理性。

图13 地表注浆加固后围岩变形监测时程曲线图

4.3 深埋富水软塑黄土段落

上阁村隧道洞身DK 208+800～DK 210+060段通过深埋富水软塑黄土段落，由于隧道深埋段不具备地表注浆条件，故采用洞内180°前进式小间距长管棚加掌子面注浆措施，如图14所示，相比于帷幕注浆工效高，注浆量少，掌子面含水率控制在22%左右。

图14 长管棚加掌子面注浆施工现场照片

根据隧道施工现场DK 208+805、DK 208+810以及DK 208+815三个深埋富水软塑黄土断面监测数据得知，开挖后前15天中隧道围岩的拱顶沉降及拱脚收敛变形速率较快，拱顶沉降平均速率4.6～4.9 mm/d，拱脚收敛平均速率2.7～2.9 mm/d；在15天后，隧道围岩变形趋于稳定，隧道围岩拱顶沉降最大值稳定至84 mm左右，净空收敛变形最大值稳定至46 mm左右，喷射混凝土没有再次发生开裂等现象。如图15，围岩变形相对于未降水前有较大降低，证明了洞内180°前进式小间距长管棚加掌子面注浆措施对于控制围岩变形的有效性，以及含水率阈值设定的合理性，缺点是掌子面停工约25天。

图15 管棚加掌子面注浆加固措施后变形监测时程-曲线图

综上所述，通过降水和预注浆等措施可将含水率阈值控制在22%左右，有效的改善了黄土自身的物理力学性质，从而大幅提升了黄土的抗剪强度、抗压强度，提高了围岩稳定性和自承能力，很大程度的减少了黄土隧道变形、坍塌等工程风险，同时采用含水率阈值控制评价指标也避免了过度降水和超量注浆带来的经济和环境损失，数值模拟分析和工程应用证明采用含水率阈值控制法是富水黄土隧道行之有效的控制措施。

5  结论与建议

本文结合数值模拟和现场监测，对银西铁路（甘宁段）上阁村隧道开展了黄土含水率与围岩变形、处治对策与实施效果的研究，得到了以下结论与建议：

（1）黄土含水率和仰拱与掌子面距离增加，都将导致隧道开挖断面塑性变形增加。

（2）同时考虑到施工安全储备、隧道开挖时空效应和围岩劣化等因素，建议将黄土隧道含水率预警值设定为22%，一旦黄土含水率超过25%，隧道围岩自稳能力将会急剧下降，隧道初支变形将会剧烈增大，甚至有坍塌风险。同时，应加强开挖步距管理，在初期支护变形趋于稳定后应当及时施作二衬，以此尽量减少隧道断面变形或收敛。

（3）地表降水、地表注浆和管棚加掌子面注浆等措施均能有效改善隧道掌子面黄土的含水特性和物理性质，过程中应根据降水率阈值控制注浆或降水参数及控制指标造，可避免过度降水和注浆带来的生态灾害。

（4）富水黄土隧道施工中应加强现场含水率和围岩变形的监测与控制，根据监测结果修正含水率控制阈值，及时指导设计和施工，避免过度降水和超量注浆，达到安全、环保、快速、经济施工的目标。

（5）富水黄土隧道应将含水率监测纳入到强制性规范体系，作为黄土隧道施工监控量测的必测项目。