水—力耦合作用下三趾马红土围岩变形特征研究

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1、水一力耦合作用下三趾马红土围岩变形特征研究王家鼎王建斌谷天峰1,郭明2（1.大陆动力学闽家迸点实验室/西北大学地质系，西安，710069;2.中铁十七局梁团有限公司，太原.030006）摘要：以地下水位线以下的石楼隧道典型三趾马红土围岩段为例，通过现场监测对三趾3红土围岩的体积含水量、孔隙水压力、围岩应力（土压力）、拱顶沉降与水平收敛进行了分析。在此®础上，通过原位人剪试验获得了可靠的围若抗剪强度参数，并建立了隧道三维宥限元数值模型，分别对考虑水一力耦合效应、不考虑水一力耦合效应的三趾马红土围岩变形规律进行了探讨，分析了

2、孔隙水压力随着隧道开挖的变化和三趾巧红土围岩位移场、应力场受水一力耦合效应的影响程度，并提出了围岩破坏变形机制。结果表明：①实测拱顶下沉火于围岩水平变形，围岩应力可分为增长期（＜20天）、调整期（20〜60天）、稳定期（〉60天）三个阶段，且整体应力水平较高，下台阶含水ft大于上台阶，孔隙水压力经历了由负变正的过程：②现场剪切试验所测围岩的粘聚力为64.0kPa，内摩擦角为27.7°:③数值分析农明，隧道开挖后孔隙水压力场变化十分明显，这是由地下水流速场的改变引起的，水力坡降在衬砌而附近最为明显，渗透动水压力导致上体产生一定

3、的渗透变形：考虑水一力耦合后围岩剪应力、敁大剪应变、拱顶沉降、水平收敛、底板隆起均较大。④受开挖及支护的影响，地下水产生渗流并依次经过拱顶、边墙，终汇集于隧底：受开挖、地下水渗流的影响，围岩节理裂隙进一步扩张，成为地下水&好的运移通道：围岩孔隙水压力的减小加大了有效应力，土体趋于饱和状态时围岩的力学强度骤降，反过来，高宥效应力、低闱岩强度以及贯通性节理裂隙三者共同改变着地下水渗流场的状态。⑤为保障围岩整体稳定性，建议及吋排出隧底积水并施做仰拱。关键词：石楼隧道：现场监测：三趾马红土围岩；变形特征：水一力耦合：数ffi模拟：中

4、图分类号：P642.2文献标识码：A文章编号：0引言山西中南部重载铁路通道是我国“十一五”期间重点工程，也是世界上第一条万吨级重载铁路，该工程山西段许多隧道、路基等重大工程修建于一种特殊土地层，即三趾马红土，其中吕梁地区的石楼隧道最为典型。作为特殊土的三趾马红土遇水软化，力学性质多变，往往造成工程事故。例如，石楼隧道三趾马红土围岩受地下裂隙水影响，其•工程地质特性发生了变异，引起了初支幵裂、收敛过大、拱顶塌落等一系列岩土工程M题，对施工影响极大以致变更支护设计。目前，国内外学者关于隧道工程稳定性方面己开展了大量的研宂工作［M

5、］,积累了宝贵的研究经验。然而，关于三趾马红土的研究较多集中于土的成因15,6］、年代测定粒度特征［10］等方面，而对于三趾马红土的工程地质地质特性的研宄，则寥寥无儿。肖荣久［11］初步分析了陕西三趾马红土的工程地质特性；曾伯庆U2］初步分析了晋西北黄土高原三趾马红土的泻流侵蚀规律，指出地而坡度、土壤含水量、冻融和风力等因素与泻流侵蚀强度均有密切的关系；曲永新［12'131先后对闪蒙古中部阿巴嘎地区的三趾马红土的工程特性进行了研宂，并分析了黄土高原滑坡与三趾马红土之间的内在联系；王根龙［14］从受三趾马红土控制的黄土滑坡机理

6、方面对三趾马红土的微观结构试验和蠕变试验等方囬的进展和存在的闷题进行了探讨；李滨对宝鸡三趾马红土工程特性进行了分析，认力受地下水影响三趾马红土强度显著降低。综上，国内外学者在隧道工程稳定性以及三趾马红土的研究方而开展了一些工作，但涉及三趾马红土隧道围岩者甚少，笔者U6］曾对三趾马红土的粒度、古地磁（确定年代）、微结构进行采样测试，并对其物理力学性质、隧道工程稳定性进行了初步探索，但仅考虑了二维平而应变问题，关于三趾马红土隧道围岩的三维稳定性问题并未涉及。鉴于此，以地下水位线以下的石楼隧道典型三趾马红土断面为研究对象，通过现场

7、监测对裂隙水影响下三趾马红土围岩的体积含水量、孔隙水压力、围岩应力（土压力）、拱顶沉降与水平收敛等变形特征进行分析。在此基础上，通过原位大剪试验获得可靠的围岩抗剪强度参数，并建立隧道三维有限元数值模型，分别对考虑水一力耦合效应、不考虑水一力耦合效应的三趾马红土围岩变形规律进行探讨，分析孔隙水压力随着隧道开挖的变化规律和三趾马红土围岩应力场、位移场受水一力耦合的影响程度，并探讨围岩变形破坏机制。通过本研宄，可为该三趾马红土隧道工程及今后吕梁地区类似工程的设计、施工及运营提供依据。1工程概况石楼隧道按照双线铁路隧道的标准设H•，

8、全长12807m,洞身为三趾马红土地层者占6000m,且处于地下水位线以下者多达4440m。该隧道三趾马红土隧道埋深5〜184m不等，其中三趾马红土层厚0〜85m，主要分布在隧道进出口两端，综合考虑隧道的工程地质、水文地质条件，以深埋段典型断面为例进行研宂，如图1所示。图1石楼隧道纵断面示