李新宇

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

由于膨脹巖具有吸水膨脹和劣化等工程特性，在工程設(shè)計(jì)中若不能做出正確的評價(jià)，會(huì)給實(shí)際工程帶來預(yù)料不到的危害[1-3]，如施工反復(fù)、工程延期、不能正常運(yùn)營、隧道結(jié)構(gòu)損傷等，會(huì)造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。近年來，由于凝灰?guī)r或凝灰質(zhì)地層的膨脹特性引發(fā)的隧道病害時(shí)有發(fā)生[4-5]。

大量學(xué)者對膨脹巖的特性進(jìn)行研究，力圖減小膨脹巖給工程帶來的危害和不便。在膨脹巖地區(qū)修建隧道工程時(shí)，需要對膨脹巖進(jìn)行判別與分類[6-8]，依據(jù)膨脹巖膨脹性的強(qiáng)弱采取相應(yīng)的支護(hù)措施。在施工過程中則應(yīng)該秉持短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測的原則[9]。崔蓬勃等[10]發(fā)現(xiàn)通過加大注漿范圍，且同時(shí)提高二襯的配筋率可以保證膨脹巖隧道二次襯砌的安全。

大量工程經(jīng)驗(yàn)與理論研究表明，膨脹巖吸水膨脹是影響隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的主要因素，目前關(guān)于膨脹巖的工程特性研究僅關(guān)注于圍巖含水率和膨脹巖自身膨脹特征之間的關(guān)系，關(guān)于對膨脹巖地段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的研究還不夠充分。本文針對北普陀山隧道圍巖膨脹引起隧道初期支護(hù)開裂的現(xiàn)象進(jìn)行研究，借助有限差分軟件FLAC3D，分析了膨脹性圍巖的位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，并對該隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 工程概況

北普陀山隧道位于遼寧省錦州市西北部的老虎溝鎮(zhèn)和石門溝鎮(zhèn)，為一條雙線高速鐵路隧道，隧道進(jìn)口里程為DK76+455，出口里程為DK78+960，全長2505m,隧道位于中低山區(qū)，最高山峰海拔為273.73m，最低山谷高程為99.57m，相對海拔高差184.16m，山坡天然傾斜率大。隧道最大埋深94.32m。隧道內(nèi)全段范圍內(nèi)縱坡為5.3‰下坡。前期地質(zhì)勘測表明，隧道洞身巖性主要是侏羅紀(jì)系上統(tǒng)義縣組J3y安山巖，弱風(fēng)化，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理和裂隙不發(fā)育，巖體比較完整。

2 北普陀山隧道膨脹破壞情況

2019年8月23日，北普陀山隧道出口在施工過程中，發(fā)現(xiàn)未施工襯砌段落局部初期支護(hù)噴射混凝土發(fā)生開裂，現(xiàn)場進(jìn)行深入檢查驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)：

（1）DK78+153~DK78+163段10m范圍內(nèi)，線左拱墻區(qū)域處圍巖夾雜黃綠色黏土礦物，遇水軟化呈膠泥狀，初支表面局部有滲水痕跡，此段范圍內(nèi)初支混凝土開裂，集中里程為DK78+156；

（2）DK78+178處裂縫長度1.5m，DK78+175處裂縫長度3m，線右邊墻底部出現(xiàn)噴射混凝土整體脫落，此處圍巖呈灰綠色，呈層狀松散結(jié)構(gòu)，遇水軟化，初支表面局部有滲水痕跡；

（3）DK78+200~DK78+212段12m范圍內(nèi)，仰拱及仰拱隧底在開挖后出現(xiàn)灰綠色巖石，呈松散狀，遇水軟化。仰拱基底揭示圍巖線左區(qū)域?yàn)槟屹|(zhì)礫巖，線右局部區(qū)域?yàn)榘采綆r，巖層接觸位置有1m~2m寬的接觸帶，接觸帶位置基巖較破碎，巖性混雜。

2019年9月28日，北普陀山隧道出口在施工過程中發(fā)現(xiàn)DK78+077處線左邊墻初支混凝土出現(xiàn)開裂剝落，外露圍巖為灰綠色，呈層狀松散結(jié)構(gòu)，遇水軟化，初支表面局部有滲水痕跡。

綜上可知，北普陀山隧道在DK77+984~DK78+212段228m范圍隧道開挖后，初期支護(hù)表面局部滲水，邊墻初期支護(hù)噴射混凝土出現(xiàn)開裂、剝離、外鼓和脫落現(xiàn)象，其中初支開裂最為嚴(yán)重，并由現(xiàn)場測試出膨脹力最大的區(qū)段為DK78+093~DK78+165約70m范圍?，F(xiàn)場進(jìn)行深入勘察，揭示該段落地質(zhì)條件復(fù)雜，現(xiàn)場膨脹性試驗(yàn)結(jié)果表明，該區(qū)段典型巖樣自由膨脹率（Fs）最大值為50%，蒙脫石含量（M）最大值為69.97%，陽離子交換量CEC(NH4+)最大值為534.54mmol/kg。根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》（TB 10038-2012）中的各項(xiàng)指標(biāo)，綜合判定該段圍巖具強(qiáng)膨脹性。

3 數(shù)值模擬

為研究該段膨脹巖隧道段落破壞機(jī)理，本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行了模擬分析。

3.1 膨脹效應(yīng)計(jì)算方法及假定

FLAC3D中的熱力學(xué)模塊可模擬材料中的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，以及因溫度發(fā)展而產(chǎn)生的位移與應(yīng)力。FLAC3D中能量方程的表達(dá)形式為：

式中:

qi——熱流量向量，W/m2；

qv——體熱源強(qiáng)度，W/m3；

ρ——密度；

Cv——在定體積中的熱量，J/kg·℃；

T——溫度；

t——時(shí)間。

對于靜態(tài)、均一的各向同性固體，傅里葉定律可表達(dá)為：

式中：

T——溫度；

k——熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/m℃。

FLAC3D的熱力學(xué)耦合是通過溫度改變引起單元的應(yīng)變而實(shí)現(xiàn)的，溫度引起應(yīng)變增量（Δεij）與溫度改變量（ΔT）的關(guān)系為：

式中：

αt——溫度線膨脹系數(shù)；

δij——Kronecker記號。

含有親水性礦物的圍巖由于裂隙水侵入發(fā)生膨脹的過程非常復(fù)雜，涉及物理與化學(xué)等過程，因此在采用FLAC3D進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，作了如下假設(shè)：

（1）巖土體應(yīng)力的變化不會(huì)直接影響土體的溫度，即熱應(yīng)力的分布僅與土體的溫度相關(guān)，不會(huì)因結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化而發(fā)生改變。

（2）巖體在升溫和膨脹過程中的某個(gè)階段，其導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹率可以近似地認(rèn)為都是恒定不變的數(shù)值。

3.2 模型建立及參數(shù)

根據(jù)北普陀山隧道設(shè)計(jì)資料，確定模型隧洞高11.43m，洞徑14.10m，隧道埋深取最深為94m，由圣維南原理及相關(guān)數(shù)值模擬研究理論可知，隧洞兩側(cè)取隧道洞徑3~5倍為宜，在本次研究取模型上、下、左、右邊界均為隧道洞徑的5倍，最終模型的尺寸為140m×70m×140m（長×寬×高）。模型隧道縱向長度為70m，研究范圍對應(yīng)于實(shí)際工程中由于凝灰?guī)r與安山巖不整合接觸帶所造成的支護(hù)破壞最為嚴(yán)重的DK78+093~DK78+165區(qū)間。模型四周與底部邊界約束法向位移，頂部邊界考慮埋深94m，采用應(yīng)力邊界條件進(jìn)行埋深的模擬，于上邊界施加荷載，對模型范圍內(nèi)巖體單元采用應(yīng)變軟化莫爾-庫倫本構(gòu)。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 三維計(jì)算分析模型

發(fā)生膨脹性破壞區(qū)段仰拱尚未開挖，僅施作了拱墻初期支護(hù)，初期支護(hù)采用噴射混凝土，厚度0.05m，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C25。圍巖采用實(shí)體單元進(jìn)行建模，初期支護(hù)采用結(jié)構(gòu)殼單元（shell）進(jìn)行模擬。根據(jù)現(xiàn)場對圍巖狀態(tài)的描述，在施工開挖前，圍巖呈現(xiàn)較為干燥且完整的初始狀態(tài)，經(jīng)現(xiàn)場膨脹性試驗(yàn)測得，圍巖的初始含水率為5%左右。

3.3 模擬工況

模擬工況分為不考慮圍巖吸水膨脹和考慮圍巖吸水膨脹兩種，兩種工況具體內(nèi)容如下：

（1）不考慮圍巖吸水膨脹：不開啟熱力學(xué)模塊，計(jì)算模擬步驟與現(xiàn)場施工一致，采用全斷面開挖，循環(huán)進(jìn)尺為2m，其中初期支護(hù)滯后于掌子面一個(gè)進(jìn)尺施作。

（2）考慮圍巖吸水膨脹：計(jì)算過程同上，但是需要開啟熱力學(xué)模塊，為模型全范圍設(shè)置0℃初始溫度場，即對應(yīng)實(shí)際地質(zhì)條件中的初始含水率5%。圍巖由于開挖過程的擾動(dòng)而發(fā)生含水率的迅速上升，考慮擾動(dòng)的時(shí)間效應(yīng)，松動(dòng)圈內(nèi)圍巖吸水膨脹與軟化均滯后一個(gè)開挖循環(huán)發(fā)生。開挖后為松動(dòng)圈內(nèi)圍巖賦予100℃固定溫度，對應(yīng)圍巖飽和含水率35%，溫度的升高對應(yīng)于破碎的圍巖含水率的上升。設(shè)定溫度計(jì)算為主步，靜力計(jì)算為從步，則可通過熱-力耦合模擬出因開挖擾動(dòng)而產(chǎn)生的圍巖吸水膨脹效應(yīng)。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 圍巖位移

考慮到隧道的空間對稱，以隧道區(qū)間中點(diǎn)橫截面（Y=35）為研究斷面，分析圍巖膨脹對隧道結(jié)構(gòu)帶來的影響。在該斷面的拱頂、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、左邊墻、右邊墻、拱底左、拱底右、拱底布設(shè)共10個(gè)圍巖監(jiān)測點(diǎn)。其中拱頂、拱底左、拱底右與拱底4個(gè)部位監(jiān)測圍巖的豎向Z位移，其余拱墻測點(diǎn)監(jiān)測圍巖水平X位移。

圖2對兩種工況的圍巖豎向位移和水平位移隨計(jì)算步序的變化曲線進(jìn)行了對比。隨著開挖循環(huán)的進(jìn)行，各測點(diǎn)位移值逐漸增大。在開挖進(jìn)行到監(jiān)測斷面之前，圍巖整體變形均以較慢的速率進(jìn)行，當(dāng)開挖進(jìn)行到監(jiān)測斷面時(shí)，由于開挖卸荷產(chǎn)生的臨空面，使得監(jiān)測點(diǎn)位移值均產(chǎn)生較大的突變，隨著初期支護(hù)的及時(shí)施作，各測點(diǎn)位移值再次出現(xiàn)緩慢的變化。由計(jì)算結(jié)果可看出，考慮圍巖吸水膨脹時(shí)，圍巖的拱頂最大沉降值為10.63mm，仰拱最大隆起值為18.11mm，與普通開挖相比分別增大了2.03倍與2.56倍。圍巖的水平位移主要發(fā)生在隧道拱腳與邊墻位置，最大位移量為6.02mm，與普通開挖下水平位移1.29mm相比，水平變形量增大了4.67倍，且變形范圍由于松動(dòng)圈內(nèi)膨脹巖的影響向拱部上方移動(dòng)。計(jì)算結(jié)果表明，受擾動(dòng)的圍巖發(fā)生吸水膨脹后，仰拱底隆起在數(shù)值上最大。

圖2 圍巖位移步序曲線

進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，圍巖的吸水膨脹會(huì)導(dǎo)致明顯的圍巖附加變形，同時(shí)由于膨脹性的影響，使得圍巖位移速率明顯加快。因此，圍巖的膨脹效應(yīng)會(huì)使隧道洞身產(chǎn)生明顯甚至出現(xiàn)破壞的變形行為。從豎向位移可以看出，膨脹性對于隧道仰拱底的影響較大，從水平位移可以看出，膨脹性對于拱腳及邊墻變形的影響較大。

3.4.2 初支應(yīng)力

為了解隧道開挖全過程中膨脹性對初支壓應(yīng)力的影響情況，對初支結(jié)構(gòu)上設(shè)置的7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力隨步序進(jìn)行的監(jiān)測，以掌子面移動(dòng)距離為橫軸，各測點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測值為縱軸，繪制曲線可得到監(jiān)測斷面初支主應(yīng)力隨施工進(jìn)行的變化情況，由于隧道左右對稱性，僅考慮左側(cè)測點(diǎn)計(jì)算值。

圖3為兩種工況的壓應(yīng)力影響對比圖，膨脹性對于初支各部位的影響程度幾乎相當(dāng)，即初期支護(hù)整體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由圍巖吸水膨脹性引起的附加應(yīng)力。

圖3 壓應(yīng)力影響監(jiān)測對比圖（MPa）

圖4中對兩種工況的隧道初支應(yīng)力隨掌子面推進(jìn)的變化曲線進(jìn)行了對比。由曲線可知，當(dāng)掌子面進(jìn)行到中心斷面時(shí)開始監(jiān)測，隨著開挖循環(huán)的進(jìn)行各測點(diǎn)壓應(yīng)力逐漸增大，初支整體由于膨脹力的作用而受壓，由于初支不閉合而導(dǎo)致的拉應(yīng)力消失，其中拱腳位置初支壓應(yīng)力的增長速率明顯高于其他部位，說明在當(dāng)前斷面尺寸形狀下，拱腳部位受開挖與膨脹的影響更大。初支最大壓應(yīng)力主要位于拱腳與邊墻之間的區(qū)域，數(shù)值大小為26.81MPa，與普通開挖相比增加了2.9倍。根據(jù)C25混凝土極限抗壓強(qiáng)度為18.5MPa，膨脹效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致初支受力為C25噴射混凝土的極限抗壓強(qiáng)度的145%，因此在隧道拱腳、邊墻部位可能出現(xiàn)初支混凝土開裂、剝落等不良病害，這與現(xiàn)場病害的勘察結(jié)果與描述相一致。

圖4 初支應(yīng)力的變化曲線

4 結(jié)束語

考慮包含膨脹性、軟化性、膨脹范圍等因素的圍巖膨脹劣化效應(yīng)，對北普陀山膨脹巖隧道進(jìn)行三維熱-力耦合數(shù)值模擬，分別對不考慮圍巖膨脹性的普通開挖工況與考慮膨脹性的開挖工況進(jìn)行模擬。研究了北普陀山隧道膨脹巖對隧道結(jié)構(gòu)影響與機(jī)理，得到如下主要結(jié)論：

（1）較普通開挖情況而言，在圍巖膨脹和劣化影響下，圍巖拱頂最大沉降、仰拱最大隆起以及最大水平位移分別增加了2.03倍、2.56倍和4.67倍。膨脹性對仰拱底部的影響最大，隧道斷面整體會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)擠的變形行為。對于未封底的隧道，膨脹引起隧道底鼓更為嚴(yán)重，隧道頂板及兩幫圍巖膨脹壓力向底板傳遞，底板在強(qiáng)烈的膨脹壓力作用下首先失穩(wěn)，底板向隧道空間移動(dòng)，隧道頂板及兩幫圍巖也向底板移動(dòng)，加劇底鼓。

（2）圍巖膨脹會(huì)對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響，而導(dǎo)致其內(nèi)部壓應(yīng)力數(shù)值超過C25初支混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，可能在隧道拱腳、邊墻部位出現(xiàn)初支混凝土開裂、剝落等不良病害，這與現(xiàn)場實(shí)際的初支拱腳與邊墻處出現(xiàn)噴射混凝土開裂與掉塊的破壞情況一致。