穿越回填土段隧道安全性研究简述

穿越回填土段隧道安全性研究简述

秦臻

重庆交通大学 重庆 400074

摘要：随着我国国民经济的飞速发展,社会的不断进步,我国基础设施建设的步伐也越来越快。我国西部地区多高原、丘陵和山脉，地质条件较为复杂，尤其以重庆这样的山地城市为典型，又因此之前进行大规模城市地面建设时，高挖深填的方法得到广泛的应用，于是形成了很大面积的回填区[1]。近年来，为了解决城市交通拥堵问题，城市地下空间的开发与利用迅速发展，在开发过程中，会不可避免的穿越回填区，又因为回填土成分复杂、结构松散、容易渗水且沉降变形量大，容易造成不均匀沉降。特别是在隧道施工过程中，松散的石混合体回填土沉降不均，使得支护结构受力不平衡从而发生变形，致使隧道发生失稳坍塌，严重影响了轨道交通的建设，因此深入研究回填土区施工技术，是当今岩土力学以及工程地质学发展的一个必然趋势，更是当今地下空间开发与利用中迫切地需要解决的重难点。

关键词：回填土渗水支护

引言：回填土主要由土与碎石构成，力学性质非常复杂，地下水渗入回填土体将对隧道围岩稳定性产生多方面的影响：地下水流入回填土，增加回填土的自重和饱和度，产生孔隙水压力，在施工扰动下还会产生动孔隙水压力，隧道衬砌结构受到荷载增大，进而可能导致初支开裂，支护结构变形加大：地下水渗流易将细粒成分带走导致土石体的抗剪参数粘聚力减小，岩石自身的抗剪强度降低，稳定性也降低，隧道安全系数降低;回填土体通常比较松散，孔隙多，地下水会沿裂隙流入，入水深度与渗入水量随之增加，导致隧道内部结构渗水严重，继续发展甚至会引起管涌等重大病害。因此，研究穿越回填土段地铁隧道安全性具有重要意义。

一、回填土特性

回填土作为一种特殊的土体，由块石或者砾石作为骨料，黏土与砂作为充填料。回填土在《工程地质手册》与国家标准《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》中被称为碎石土。国内学者徐文杰等[2]在进行一定研究之后定义块石回填土(Soil-Rock Mixture ,S-RM)为由强度较高且具有一定工程尺度的块石、细粒土体构成并且孔隙率较大的极端不均匀松散岩土介质系统，是第四纪以来形成的。国外学者Medley等[3]称之为block-in-matrix soils/rocks，定义为细粒土体中包含有一定比例的块体的岩土介质，且块体对相关工程性质存在重要影响。在工程上，回填土可能是由多种不同类型的土组成，每一种土在力学参数上都有所不同，甚至差异巨大，因此回填土的力学性质差异较大。最近，工程界以及学术界将关注点放到了土与石的混合料当中，并且对其力学性质进行了大量的研究及分析，徐文杰[4]通过分析土与石混合体的粒度分布的特征以及在不同方向上的力学特性，以此来获得土石混合体在微观层面上的力学参数，根据研究与分析，还提出了参数阀值的取值范围。

二、穿越回填土地段隧道

（一）回填土地段隧道围岩稳定性能研究

在隧道、巷道和地下洞室等地下工程中，围岩依靠自身的支撑能力来保持自身结构安全，不致发生破坏的能力即围岩稳定性。围岩松动圈理论是基于圆形洞室等许多假设条件下得出来的，隧道处于复杂地质条件时，往往通过理论解析不能准确判断出围岩松动圈,一般通过数值分析加以模拟。回填土围岩与较好围岩变形机制不同,回填土为一种特别的围岩土体，属于松散围岩。对于下穿城市新进回填区域的隧道建设，目前施工工法一般采取地面注浆加固地层后暗挖、明挖、浅埋暗挖或者利用盾构等施工技术，由于回填土特征的复杂性、施工环境的不现确定性，在隧道的开挖中易出工程事故。针对回填土隧道围岩的受力特性、变形规律、支护方法的规律及三维隧道开挖影响的研究很有意义。

（二）数值模拟分析回填土隧道变形

目前已有的数值模拟计算提出穿越回填土隧道围岩中的应力及变形都较大，会导致隧道围岩失稳，地面开裂，提出对回填土围岩隧道施工进行注浆加固，采用合理的注浆厚度，能够有效控制围岩失稳现象。同时，在实际工程中，对回填土隧道进行大量的现场监控与测量，并就监测结果进行分析，发现在利用了超前小导管预支护的隧道施工段，其隧道拱顶下沉、周边收敛值以及地表下沉的沉降值都满足规范要求，结果充分表明了超前小导管加固注浆技术能够非常好地控制隧道施工过程中的掌子面及其附近的周边变形，能够发挥围岩自身的支撑能力，发挥了其超前支护的作用。

三、渗流作用下隧道安全性评价

由于回填土结构中存在裂隙、孔洞，为地下水的储存和流动提供空间。在回填土结构中修建隧道会形成渗流临空面，地下水渗流会产生静水压力以及动水压力，如果这两种压力作用在岩石体上，会影响围岩应力场，甚至破坏围岩自身的问稳定性。渗流-应力耦合作用这一理念开始于 20世纪50年代。早期采用修正系数折减的方法依照“以排为主”的原则来设计隧道的衬砌结构。

对于隧道渗流的分析主要有以下几种分析方法，理论分析法、数值分析法、折减系数和理论解析法等。各个学者做了大量的理论公式的推导以及试验，不仅推导出圆形富水隧道衬砌结构上水压力公式，而且推导出渗流-应力耦合作用的解析解公式，也为岩石的渗流-应力耦合作用本构模型的建立做出了巨大贡献。

四、研究展望

在回填土隧道中，由于回填土本身固结性不好，并且自身的孔隙率较多，在渗水情况下，水将渗入回填土孔隙当中，增加回填土自重，降低回填土的力学特征，对隧道的的施工安全和运营安全都会是一个潜在的危险因素。目前对回填土的处治方式大都是进行强夯、加固注浆或者换填土，这些方法对于一些小型工程，如桩基工程上都明显的积极作用，对于隧道建设这类大型工程，换填土是一个不现实的方法，而强夯则不适用于隧道工程上，加固注浆则能有一定的作用，但主要上还是考虑采取加固措施和改善加固方式，以此来加强隧道本身的整体性才能从根本上解决问题。

参考文献

[1]降雨入渗对块石回填土隧道围岩及支护结构力学效应影响研究[D].重庆大学，2017.

[2]徐文杰，胡瑞林.块石回填土概念、分类及意义[J]. 水文地质工程地质.2009(4): 50-56.

[3]Medley E. The engineering characterization of melange sand similar Rock in-Mixtrix Rocks(B im -rocks) [D]. University of C alifornia at Berkeley. 1994.

[4]徐文杰.土石混合体细观结构力学及其边坡稳定性研究[D].中国科学院地质与地球物理研究所，2008.

[5]甘鹏路. 富水软弱地层浅埋暗挖隧道地层变形规律及预测研究[D]浙江大学,2016.

作者简介：秦臻（1997-），男，汉族，重庆人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：隧道工程