降雨條件下膨脹性黃土隧道支護結構破壞特征

俞文生，劉蕙婷，晏　勤，張龍生，周小勇（.江西省高速公路投資集團有限責任公司，江西 南昌　0000；.江西交通咨詢公司，江西 南昌　0000；.山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南　5006）

降雨條件下膨脹性黃土隧道支護結構破壞特征

俞文生1，劉蕙婷2，晏勤3，張龍生2，周小勇2
（1.江西省高速公路投資集團有限責任公司，江西 南昌330000；2.江西交通咨詢公司，江西 南昌330000；3.山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南250061）

為了揭示膨脹性黃土隧道在降雨作用下圍巖與支護破壞機理，采用有限元軟件對膨脹性黃土地層中的靜游隧道開挖進行數值模擬。結果顯示：由于降雨，隧道拱頂上方塑性區貫通并產生較大位移，隧道上部坡體產生大面積塑性區并發生滑移；隧道支護結構破壞位置與實際情況一致，且由于膨脹力的作用隧道偏壓更明顯，應力大的一側支護結構破壞更顯著。因此需要對圍巖進行加固，尤其是在應力較大的一側應加強初期支護的強度。

膨脹性黃土；破壞特征；遇水軟化；膨脹力；降雨

我國是黃土覆蓋面積最大的國家之一，黃土廣泛分布于華北、華中和西北地區［1］。由于膨脹性黃土的特殊性，黃土圍巖隧道在干燥條件下具有較高的力學強度，隧道開挖后土體一旦遇水，將會導致圍巖發生膨脹，力學強度急劇降低，從而影響隧道的穩定性。如果對黃土隧道破壞機理認識不清，就容易造成初期支護開裂，隧道及地表發生大變形，甚至塌方［2］。

何歷超等［3］采用現場試驗與數值模擬方法對某黃土隧道的支護結構進行了研究，比較了格柵與型鋼2種支護結構對黃土隧道的支護效果和影響規律。孫即超等［4］對膨脹土的膨脹力進行了研究，采用牛頓迭代方法，計算確定了膨脹土邊坡的膨脹參數和膨脹力公式。曾仲毅等［5］針對小河溝膨脹土隧道塌方現象，利用熱傳導膨脹來模擬膨脹土的增濕膨脹，分析了圍巖含水率增加對隧道支護結構的影響。前人的研究主要集中在膨脹土的室內試驗或支護結構對隧道的影響方面，本文結合已建黃土隧道的工程實例，采用數值模擬方法對隧道支護結構的破壞特征進行分析。

1　工程概況

靜游隧道為雙線隧道，全長1 803 m，最大埋深約82 m，最小埋深5 m。該隧道所處地段主要為黃土梁、黃土峁地貌，隧道進出口都為黃土所覆蓋，交通較為便利。隧道處于膨脹性黃土地層中，在施工過程中發生過多次塌方，其誘發原因基本上都是受到地表水入滲的影響，或是降雨誘發洞口邊坡滑塌。比較大的塌方有3次，2次發生在洞內，1次發生在洞口。其中最為嚴重的一次塌方發生時，近70 m的初期支護全部被壓垮，造成巨大經濟損失，延誤工期近1年多。該塌方段埋深28 m，位于偏壓地帶，支護破壞情況見圖1。

圖1　支護破壞情況

隧道采用超前小導管或長管棚進行超前預支護。初期支護主要由間距0.8 m的I20b工字鋼鋼拱架、厚度0.25 m的 C20混凝土噴層、鋼筋網和系統錨桿組成，系統錨桿采用普通砂漿錨桿。每榀鋼拱架之間用鋼筋沿隧道軸向焊接，約束拱架的橫向變形，在拱部將拱架與超前小導管焊接為一體，復噴混凝土后形成一個整體。在監測初期拱頂沉降增長幅度較小，達到0.04 m后沉降變形穩定，直到塌方前1d沉降突然增大，最后一次監測值達到了0.236 m。

2　數值模擬

數值模型是以塌方斷面為基準建立的準二維地質模型，考慮邊界效應對計算的影響，模型的左右邊界和下邊界距離隧洞邊緣為3～5倍開挖洞徑［6］，即左右邊界距離隧道中線60 m，下邊界距離隧道底部50 m，上邊界取至地表，隧道軸線方向長度取1 m。左右、前后和下邊界位移約束都設置為法向約束，上邊界為自由約束。建立的有限差分網格模型見圖2，模型共劃分了9 912個單元和12 835個節點。中部為隧洞開挖區域，土體采用六面體網格，力學本構采用摩爾-庫倫本構模型。

圖2　有限差分網格模型

考慮到黃土遇水膨脹，力學強度降低。所以在模型中增加膨脹力并降低圍巖參數來模擬降雨對隧道穩定性的影響，計算中不考慮滲流作用。采用有限差分軟件的計算流程見圖3。

圖3　計算流程

膨脹性黃土物理力學參數見表1。通過與相關工程試驗數據比選，膨脹力取0.2 MPa［7］。

表1　膨脹性黃土物理力學參數

模擬時，土體采用六面體實體單元，錨桿支護單元采用Cable單元，初期支護采用Shell單元。為簡化計算，將型鋼拱架、鋼筋網和噴射混凝土3種支護材料按照剛度等效的方法等效為對應厚度的 Shell單元進行計算。剛度等效計算公式為

EI=E1I1+E2I2+E3I3

式中：E為等效Shell單元的彈性模量；E1，E2，E3分別為噴射混凝土、鋼筋網、鋼拱架的彈性模量；I為等效支護結構的抗彎慣性矩；I1，I2，I3分別為噴射混凝土層、襯砌中鋼筋、鋼拱架的抗彎慣性矩。

由式（1）計算得出，等效支護結構的彈性模量E 為30×103MPa。

經過計算，降雨前由于圍巖強度較高，隧道開挖支護后處于穩定狀態，幾乎不存在塑性區（見圖4（a））。圍巖沉降值較小，拱頂沉降在0.04 m左右，與現場實測數據一致。最大沉降部位在隧道左側拱腰處，這是由于隧道偏壓所致。

圖4　降雨前后圍巖塑性區分布（單位：m）

降雨后隧道圍巖塑性區分布見圖4（b）。可見，降雨后由于圍巖強度降低和膨脹力的產生，隧道上部邊坡產生較大的位移，出現明顯的滑移面，塑性區貫通。其破壞形態與現場隧道圍巖塌方十分相似。

經計算得到噴射混凝土層軸力，見圖5。由圖可見，支護結構最大軸力為5.91×103kN。隧道支護結構破壞最先出現在拱腰和側墻位置。這是由于隧道地表為斜坡，圍巖處于偏壓狀態，因此支護結構左側軸力大于右側。

圖5　噴層軸力（單位：N）

模擬的噴射混凝土受壓破壞形式與實際情況基本一致。根據現場觀測，拱腰和側墻初噴混凝土破壞，出現剝蝕掉塊，并且由于混凝土噴層開裂，導致隧道兩側土體向隧道內部涌入，引起隧道塌方。

3　結論

1）在數值模擬計算中通過增加土體膨脹力并降低圍巖參數能較為準確地模擬膨脹性黃土隧道支護結構破壞情況。

2）由于膨脹性黃土隧道圍巖遇水后軟化及膨脹，隧道拱頂上方塑性區貫通并產生較大位移，隧道上部坡體產生大面積塑性區并發生滑移。同時，支護結構破壞，圍巖土體涌入隧道內部。

3）數值模擬顯示的隧道支護結構破壞位置與實際情況一致，且由于膨脹力的作用，隧道偏壓效應更明顯，應力大的一側支護結構破壞更顯著。因此，需要對圍巖進行加固，尤其是應力較大的一側應加強初期支護的強度。

［1］謝定義.試論我國黃土力學研究中的若干新趨向［J］.巖土工程學報，2001，23（1）：3-13.

［2］汪成兵，朱合華.埋深對軟弱隧道圍巖破壞影響機制試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2010，29（12）：2442-2448.

［3］何歷超，王夢恕，李宇杰.淺埋大跨小間距黃土隧道支護技術研究［J］.巖土力學，2013，34（增2）：306-310.

［4］孫即超，王光謙，董希斌，等.膨脹土膨脹模型及其反演［J］.巖土力學，2007（10）：2055-2059.

［5］曾仲毅，徐幫樹，胡世權，等.增濕條件下膨脹土隧道襯砌破壞數值分析［J］.巖土力學，2014，35（3）：871-880.

［6］蘇曉堃.隧道開挖數值模擬的圍巖邊界取值范圍研究［J］.鐵道工程學報，2012，29（3）：64-68.

［7］朱豪，王柳江，劉斯宏，等.南陽膨脹土膨脹力特性試驗［J］.南水北調與水利科技，2011，9（5）：11-14.

（責任審編葛全紅）

Analysis of Failure Feature of Expansive Loess Tunnel Support Structure Under Rainfall Condition

YU Wensheng1，LIU Huiting2，YAN Qin3，ZHANG Longsheng2，ZHOU Xiaoyong2
（1.Jiangxi Provincial Expressway Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang Jiangxi 330000，China；2.Jiangxi Transport Consultation Company，Nanchang Jiangxi 330000，China；3.Geotechnical&Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan Shandong 250061，China）

In order to study surrounding rock and support failure mechanism of expansive loess tunnel under rainfall condition，numerical simulation of Jingyou tunnel excavation in the expansive loess stratum was made by using the finite element software.T he results show that plastic zone is interconnected and a larger displacement is generated above the tunnel vault and a large area of plastic zone is produced and the slippage occurs in the upper slope of tunnel due to the rainfall，the failure position of the tunnel support structure is consistent with the actual situation，tunnel bias is more obvious under the action of expansive force，and the damage of support structure is more significant on the side of large stress，which means that the surrounding rock should be reinforced and the initial support strength should be increased on the side of large stress.

Expansive loess；Failure feature；W ater softening；Expansive force；Rainfall

U45

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.21

1003-1995（2016）08-0086-03

2015-10-20；

2016-05-20

俞文生（1976— ），男，教授級高工，博士。