膨脹土隧道變形破壞的數值模擬

孫柏林 王壽治 路 為

(1.保宜高速公路建設指揮部，湖北宜昌 444200;2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088;3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東濟南 250063)

膨脹性土是一種具有明顯脹縮性和多裂隙的黏土，其對含水量十分敏感。具有遇水膨脹且失水收縮的顯著特點，因此，膨脹性土對工程建設造成惡劣的影響，且具有反復性和長期潛伏性。在膨脹性土地區進行隧道工程建設是工程界公認的世界性難題，并且已經引起施工和科研單位的廣泛重視。膨脹性土普遍分布在華北、華南等地區［1］。而這些地區又處于工程建設的繁榮期，由此引發的工程災害給工程建設已經造成了難以估計的嚴重損失。由于膨脹性土存在多變性和復雜性，造成的工程建設災害表現形式也復雜多變，因此膨脹性土災害問題至今尚未根本性解決。在高原區修建隧道工程的過程中，不可避免的遇到膨脹性土。如何更好地預防并且治理膨脹性土帶來的災害，成為亟需解決的科研問題和施工問題［2］。膨脹性土是典型非連續介質的一種。通常采用模擬連續介質的有限元或有限差分法等對膨脹土的變形演化進行模擬，數值模擬效果不理想，無法直接的呈現非連續介質的變形演化［3］。本文采用離散單元法商用計算軟件UDEC能很好的模擬膨脹土土質隧道變形失穩破壞全過程［4］，能夠直觀的呈現膨脹性土作為非連續介質的變形規律。

1 UDEC簡介

離散元數值分析軟件UDEC(Universal Distinct Element Code)是美國ITASCA公司基于離散單元法開發的大型商業數值分析軟件。利用顯式差分法，成為結構工程、巖土工程等提供科學高效的數值分析處理工具。UDEC能夠應用于邊坡的失穩破壞、巖土裂隙節理發育和地質構造斷層等各個巖土工程及地下工程領域［5］。作為基于離散元方法的數值模擬工具，UDEC是一種理想的數值模擬軟件，它可以在二維空間內科學詳細、直觀地描述表現離散非連續介質的力學變形特征［6］，且也可以用于研究顆粒狀物質的細微破裂、裂隙擴展破壞等微觀和細觀巖體力學問題［7］。運用UDEC軟件進行數值模擬的具體流程見圖1。

2 模型建立與參數選取

根據某典型膨脹性土質隧道地質情況資料及山體前期塌方斷面的揭示，研究發現該膨脹性土隧道所處的山體主要存在3組結構性節理，并且埋深越淺，表面節理越發育。因此，使用JSET命令，在隧道圍巖內隨機生成3組節理，其具體參數參見表1。根據前期的地質勘查資料，隧道開挖穿過的地層包含大量膨脹性土，其力學參數見表2。模擬中用到的節理裂隙參數和裂隙面的參數(徑向剛度、法向剛度、粘聚力、裂隙寬度等)無法通過現有實驗獲得，依據工程經驗及工程類比進行賦值分析。數值模型所使用的節理裂隙參數主要參考相關文獻［9］，具體參數見表3。該隧道洞內使用C25噴射混凝土，采用Ⅰ20b型鋼，相關參數見表4。

圖1 UDEC的數值模擬計算過程

表1 節理參數表

表2 數值模擬巖層材料力學參數

表3 數值模型的巖層節理力學參數

表4 C25噴射混凝土與Ⅰ20b型鋼參數

主要模擬膨脹土隧道在開挖釋放荷載作用下，受到鄰邊坡失穩滑移的嚴重影響，從而對圍巖產生額外荷載，導致隧道發生變形坍塌這一過程。隧道圍巖的本構模型采用摩爾—庫侖模型，節理的本構模型采用庫侖滑動模型。選取DK75+230斷面參數作為數值模型的初始邊界條件。模型底邊邊界、側向邊界添加法向約束，上表面處理為自由邊界。按自重應力場添加地應力，側向壓力系數取0.295。模型尺寸為115 m×113 m。

3 計算結果分析

UDEC進行數值模擬膨脹性土質隧道計算時，由于圍巖中節理裂隙的存在，基于非連續介質的膨脹性土模擬計算結果，因此與基于有限元的數值模擬軟件和基于連續介質模擬進行的數值計算差別顯著。如圖2所示初始地應力平衡之后，模型的豎向地應力syy的大小分布，并不是像有限元計算軟件所給出的嚴格的隨深度而規律性變化，而是局部呈現跳躍間斷變化。

在計算變形失穩破壞、隧道塌方時，塊體間相互運動分開。在不平衡力下，軟件無法控制坍塌效果的顯示。因此通過穩態計算，即人工設置計算時步，控制整個計算過程。圖3是隧道模型計算step 50 000步隧道穩定后效果圖。

圖2 初始豎向地應力syy大小分布

圖3 隧道失穩塌方模擬結果

由圖3可以看出，開挖結束后，鄰近邊坡的滑移作用，對淺埋隧道施加了很大的額外荷載。并且荷載進一步作用在隧道的初期支護結構上，從而造成型鋼屈曲變形。數值模擬結果表明:隧道頂部襯砌變形量達到1.2 m，并出現局部掉塊，向凈空方向發生較大變形。由此引起的進一步失穩破壞，進而影響到地表沉降，使得上部圍巖在受自重和額外荷載擠壓共同作用后，垂直陷落入隧道開挖的凈空區域，進而掩埋初期支護結構。黑框部分為原隧道位置，局部放大如圖3所示。

在考慮開挖應力釋放的因素下，隧道圍巖天然應力狀態被破壞，進而導致開挖區域附近應力重分布。隧道頂部和底部豎向應力值下降幅度最大。隧道開挖、邊坡滑移影響，頂部山體擠壓塌方區域內山體，向右滑動，沿滑動方向出現大范圍Y方向位移。位移過大從而導致支護結構變形破壞，山體沿豎直方向陷入隧道。具體的數值模擬結果的豎向位移矢量、分布見圖4，圖5。上覆圍巖中局部塊體最大主應力、最小主應力均變為零，表明模擬的單元塊體之間已失去相互作用，即分離開來，洞室處于大體積坍塌滑落狀態。邊坡滑移對隧道圍巖產生額外荷載，導致圍巖荷載超過型鋼極限抗壓強度，型鋼結構屈曲變形，支護結構變形破壞失去效果，從而造成隧道襯砌支護結構變形破壞。隧道圍巖產生過大的Y方向位移，頂部圍巖垂直下落。受邊坡向右滑移的影響，隧道內部左側墻體最先受到荷載沖擊作用，邊墻與拱頂交接處出現裂縫，隨后裂縫密集增多、寬度增大，支護結構破壞失效，上覆圍巖在自重和額外荷載的雙重作用下，發生較大豎直方向位移。

綜上所述，通過運用UDEC軟件對特定剖面隧道變形演化的數值模擬分析，本文得出以下結論:1)隧道的開挖活動導致附近區域圍巖天然應力狀態遭到破壞，開挖區域附近應力場重分布。2)當荷載超過圍巖支護結構的強度極限后，圍巖變形得不到有效的約束控制，進而出現失穩破壞、變形過大等現象。3)膨脹性土質隧道出現坍塌的重要原因是:邊坡滑移產生的額外荷載，然后作用在下部隧道圍巖體上，擠壓鋼拱架等初期支護結構，從而導致型鋼屈曲變形破壞，圍巖整體出現較大的Y方向位移，進而造成隧道內部及山體表面產生大范圍裂縫。

圖4 洞室坍塌位移矢量分布

圖5 隧道失穩破壞豎向位移分布

4 結語

本文通過運用UDEC軟件，針對膨脹性土質隧道變形破壞，模擬了在鄰近山體發生滑移失穩情況的隧道圍巖坍塌破壞過程，并做出詳細的數值模擬分析，從而研究分析出其破壞的原因，得出結論。通過對特定選取隧道斷面的變形失穩過程的模擬，反演了整個隧道變形破壞過程，表明隧道開挖建設期隧道極易受到鄰近邊坡滑移影響。由于邊坡山體滑移產生的額外荷載，然后額外荷載作用在隧道的支護結構上，擠壓型鋼及支護結構屈曲變形，洞室內部及地表出現大范圍裂縫甚至坍塌等失穩破壞災害。通過對膨脹性土質隧道變形失穩破壞整個過程的數值模擬分析研究，為避免類似地質條件下膨脹性土質隧道受鄰近邊坡滑移誘發大體積坍塌災害的發生，本文給出以下施工建議:1)淺埋段隧道頂部區域必須回填密實，頂部地表盡可能的卸載反壓，避免兩側土體對隧道初期支護及二襯結構產生不對稱的外荷載［8］。2)膨脹性土質隧道鄰近邊坡出現滑移現象，在變形可控范圍，應立即封閉加固地表山體裂縫以及襯砌貫通裂縫。隧道掌子面前方增加適量的剛性支撐，并與初支結構形成整體支護結構［9］，控制圍巖變形在合理范圍內，確保隧道的穩定性。3)施工時出現此類災害，建議地表徑向進行密實注漿，隧道內部采用對穿注漿錨索，以加固隧道內拱部以上地層，由下而上，跳孔間隔注漿，防止大體積塌方的發生。4)加強隧道的初期支護，減小型鋼排距，采用早高強噴射混凝土進行初期支護的噴錨，從而提供足夠支護能力抵抗可能發生的圍巖變形。

［1］周 坤.膨脹性土隧道襯砌膨脹力數值模擬研究［D］.成都:西南交通大學土木工程學院，2007.

［2］馬 濤.淺埋隧道塌方處理方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，25(S2):3976-3981.

［3］A.Seco，F.Ramírez，L.Miqueleiz，et al.Stabilization of expansive soils for use in construction［J］.Applied Clay Science，2011(51):348-352.

［4］袁俊平，殷宗澤.考慮裂隙非飽和膨脹土邊坡入滲模型與數值模擬［J］.巖土力學，2004(10):67-72.

［5］Itasca Consulting Group.UEDC(Universal District Element Code)Version 4.0，Users Manual［M］.USA:Itasca Consulting Group，2005.

［6］鄭澄鋒，陳生水，王國利，等.干濕循環下膨脹土邊坡變形發展過程的數值模擬［Z］.

［7］張艷剛.膨脹土邊坡穩定性的FLAC分析［D］.南寧:廣西大學，2005.

［8］李樹忱，徐欽健.膨脹性土質隧道圍巖級別劃分與支護對策研究［J］.山東大學學報，2012，42(4):79-86.

［9］胡威東.離散單元法在巖石隧道中的應用研究［D］.成都:西南交通大學碩士學位論文，2006.