降雨入滲對膨脹土隧道力學特性影響的數值分析

顧永貴

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽合肥 230011)

膨脹土具有脹縮性、裂隙性和超固結性等工程性質。工程危害性表現在土中含水率變化時，其富含的膨脹性巖土礦物會產生顯著的濕脹干縮變形，對路基、邊坡、隧道支護結構等造成不利影響。隧道穿越膨脹土地區時，其支護結構受到膨脹土濕脹干縮影響引起的變形損壞已成為目前比較普遍的問題。國內外學者針對膨脹土增濕過程中的工程特性進行了很多研究[1-5]。周坤等[6]通過有限元方法模擬隧道周邊膨脹土吸水后對隧道襯砌的影響，認為膨脹率對隧道結構影響最大，其次是膨脹圈厚度，對隧道結構作用最小的是埋深。林剛等[7]基于膨脹接觸壓力的概念，結合成都地鐵2號線膨脹巖土地層結構分析，計算出不同膨脹巖土分布、膨脹力、埋深以及拼裝方式下的結構內力值。郭瑞等[8]采用數值模擬計算，認為膨脹土存在于隧道上、下方時，其膨脹會導致管片結構的變形加劇和內力增大，同時提出加強配筋或通縫拼裝等措施，以降低管片結構受力。曾仲毅等[9]結合熱傳導膨脹模擬增濕膨脹的替代方程、膨脹力及滲流參數，通過有限差分軟件模擬不同膨脹力條件下的增濕過程，得出引發隧道支護結構破壞的臨界含水率為19.5%，臨界膨脹力為140 kPa。

眾所周知，含水率變化是影響膨脹土力學性質的主要因素，而隧道的擾動將導致圍巖裂隙的發展，滲水將加大圍巖的濕度，從而對襯砌結構的膨脹力產生影響。目前，對不同擾動程度下膨脹土隧道的襯砌結構力學特征缺少全面的定量研究。因此，通過定義隧道施工的松動區(吸濕范圍)，基于PLAXIS二維數值模型，以溫度場模擬濕度場[10-11]，仿真模擬隧道施工過程中圍巖膨脹區滲水增濕的過程，分析不同松動區的濕度場變化趨勢，研究膨脹土增濕膨脹對隧道襯砌結構的受力變化特征。

1 數值模型及模擬方案

1.1 研究對象

合肥地鐵五號線某下穿暗挖隧道左線長53.9 m，右線長42.9 m，隧道寬7.6 m，高8 m，埋深15.0 m，如圖1所示。暗挖段施工采用CRD法，以1→3→2→4的順序開挖；3與4和1與3均以5 m間距施工，每步進尺1.5～2.0 m。采用“噴射混凝土(C25，厚25 cm)+鋼筋網+工字鋼(工22a)”進行初期支護。

圖1 新奧法隧道開挖分區示意

1.2 計算模型及參數

采用Plaxis 2D建立數值分析模型，模型“寬×高”為100 m × 40 m，如圖2所示。土層自地表(高程為±0.000)分布如下：填土(厚2 m)、黏土2(厚6 m)、黏土3(厚17 m)和黏土4(厚15 m)。隧道拱頂高程為-15 m，地下水位高程為-30 m。通過15節點高階三角形單元離散地層，總計分為1 062個單元，8 920個節點(如圖3所示)。

圖2 土體分層、水位及隧道結構幾何模型

圖3 隧道與土體有限元網格及邊界條件

應用HS模型作為巖土體的本構模型，可模擬關于復雜加卸載開挖類巖土體的力學行為[12]，按照固結快剪指標調整土體的強度參數。其中，通過數值模擬反演聯合表面浸潤及膨脹力試驗結果確定熱參數(見表1)；工字鋼(工22a)和初期支護的混凝土噴射則利用板單元進行模擬(見表2)。

表1 土體物理力學參數

表2 板單元參數

1.3 松動區范圍定義

隧道開挖卸載導致應力劇增，一定區域內的圍巖土體將會產生變形松動，在隧道周圍出現“松動區”。此處定義只在“松動區”發生吸濕，表層填土無膨脹性，不計入“松動區”。在巖石工程領域中，主要從隧道開挖導致的圍巖應力和應變變化兩方面研究“松動區”，分析和模擬膨脹土的工程特性，從隧道開挖而導致圍巖偏應力及位移變化過程界定“松動區”的范圍。隧道開挖前，巖土體偏應力大致呈水平分布，隨著開挖作業展開，在開挖卸載和支護結構阻力共同作用下，圍巖出現偏應力集中現象，偏應力等值線的集中范圍可定義成“松動區”(見圖4)。初始階段，巖土體尚未發生移動，隧道開挖后，洞壁周邊土體朝臨空面發生位移，可定義出現較大位移的區域為“松動區”(見圖5)。考慮增濕膨脹的隧道開挖松動區界定原則是隧道周圍左、右、下方一倍洞徑處和拱頂上方地表填土層底面處，并認為松動區域的上層潛水易滲入膨脹性黏土，導致黏土膨脹及強度降低，引起隧道支護結構受力產生變化。

圖4 隧道開挖引起周圍土體偏應力分布等值線

圖5 隧道開挖引起周圍土體位移分布等值線

1.4 模擬方案

溫度場與滲流場具相似性。因此，可將滲流場土體滲透系數的變化等價為溫度場下土體導熱系數的變化[6]，利用溫度場的土體升溫膨脹來模擬膨脹土的增濕膨脹特性[9]。隨著隧道開挖后圍巖產生松動區，松動區應力場、變形場發生較大改變，土體出現裂隙，引起滲透系數的變化。由此可見，松動程度不同，相應的滲透系數也不同。在設計模擬方案時，通過提高膨脹土導熱系數至原始導熱系數的100倍、1 000倍、10 000倍，來考慮隧道開挖松動區在這三種不同的擾動程度下土體導熱系數的變化(見表3)。隨開挖斷面的變化，隧道周圍的松動區范圍也隨之改變。為方便研究，假定松動區范圍在隧道開挖過程中保持不變。

表3 隧道開挖松動區不同擾動程度下的土體導熱系數 kW/m/K

(1)邊界條件

為了模擬上層滯水滲入膨脹土松動區產生增濕膨脹而導致隧道結構出現的附加變形及應力，應設置相應的熱邊界條件。因地下水位在地面以下30 m，所以只需考慮賦存于地表填土層中水體沿松動區的下滲。將地表填土層底面(即黏土2層頂面)定義為增濕邊界，即于模型高程-2.000 m處設置成303.1 K(與增濕最大飽和度相對應)。上層滯水下滲不作用于模型的左右側面以及下底面，定義為封閉邊界(溫度零變化，熱量零交換，飽和度不變)。

(2)施工階段設置

隧道28 d完成一次全斷面開挖。受降雨等因素影響，賦存于地表填土層中的水體得到充足補給，隨著隧道開挖出現松動區，上層水體滲入，引起膨脹土松動區增濕膨脹，從而對隧道結構變形及受力產生影響[13-14]。為模擬隧道開挖后引起膨脹土增濕膨脹的過程和開挖導致支護結構的變形情況，可按照表3所定義松動區的4種不同松動程度，根據表4的施工階段設置，分別完成膨脹土隧道的增濕模擬。

表4 膨脹土隧道增濕膨脹模擬施工階段設置

2 計算結果及分析

2.1 土壓力發展規律

為觀察隧道周邊松動區域土體增濕膨脹后膨脹力的發展情況，在洞周上下左右距離洞壁0.5 m處分別設置一條剖線(如圖6所示)，輸出各施工階段增濕前后剖線上的水平土壓力和豎向土壓力變化情況，如表5～表7所示。

從表5～表7可以看出，隨著擾動程度增大，洞周土體增濕前后的土壓力差異也逐漸增大。

在“輕微松動”條件下，溫度影響深度尚未達到隧道所處的黏土3地層，增濕前后洞周各剖線土壓力基本沒有變化，洞周土體內基本不產生膨脹力。

圖6 隧道周邊土壓力剖線布置示意

表5 隧道周邊膨脹土增濕前后應力變化(輕微松動) kPa

表6 隧道周邊膨脹土增濕前后應力變化(顯著松動) kPa

表7 隧道周邊膨脹土增濕前后應力變化(完全松動) kPa

在“顯著松動”條件下，溫度影響深度已經達到隧道所處的黏土3地層，但尚未達到增濕飽和，洞周各剖線土壓力有一定提高，表明洞周土體內將產生少量的膨脹力。

在“完全松動”條件下，洞周土體達到增濕飽和狀態，洞周各剖線土壓力顯著提高，表明此時洞周土體增濕后將產生較大的膨脹力，繼而也會使得隧道支護結構所受的附加荷載明顯增大。

2.2 結構內力發展規律

在不同擾動程度下，各施工階段洞周土體增濕膨脹后隧道初支結構的內力和變形響應分布情況如圖7～圖12所示。圖13給出了各施工步序下，土體的不同擾動程度(不同的導熱系數及產生的膨脹力)對應的彎矩極值變化情況。

由圖7～圖13可以看到，隨著隧道開挖擾動程度的加劇，隧道初期支護的受力和變形與不考慮增濕膨脹條件下的內力和變形之間的差異逐步增大。擾動程度越大，洞周松動區域浸水增濕速度越快，增濕飽和程度越大，地層壓力亦隨之增大，導致隧道初支結構承受較大的附加荷載作用，土體增濕膨脹后隧道初支結構內力最大增幅接近20%。

圖7 上層水入滲增濕后隧道結構彎矩分布(輕微松動)

圖8 上層水入滲增濕后隧道結構變形(輕微松動)

圖9 上層水入滲增濕后隧道結構彎矩分布(顯著松動)

圖10 上層水入滲增濕后隧道結構變形(顯著松動)

圖11 上層水入滲增濕后隧道結構彎矩分布(完全松動)

圖13 各施工步序下隧道初支結構彎矩極值隨土體膨脹程度的變化

3 結論

(1)根據隧道開挖而導致的圍巖偏應力及位移變化過程來界定“松動區”的范圍。考慮增濕膨脹的隧道開挖松動區界定為隧道周圍左、右、下方一倍洞徑處和拱頂上方地表填土層底面處，認為松動區域的上層潛水易滲入膨脹性黏土，導致黏土膨脹及強度降低，引起隧道支護結構受力產生變化。

(2)在“輕微松動”條件下，增濕前后洞周各剖線土壓力基本沒有變化，洞周土體內基本不產生膨脹力；在“顯著松動”條件下，洞周各剖線土壓力有一定提高，表明洞周土體內將產生少量的膨脹力；在“完全松動”條件下，隧道開挖完成時洞周土體達到增濕飽和狀態，洞周各剖線土壓力顯著提高，表明此時洞周土體增濕后將產生較大的膨脹力，繼而也會使得隧道支護結構所受的附加荷載明顯增大。

(3)隨著隧道開挖擾動程度的加劇，隧道初期支護的受力和變形與不考慮增濕膨脹條件下的內力和變形之間的差異逐步增大，土體增濕膨脹后隧道初支結構內力最大增幅接近20%。

(4)在目前的膨脹土隧道數值模擬研究中，普遍采用指定吸濕膨脹范圍的方法，本文中對指定松動區內考慮吸濕膨脹也屬于這一類。在借鑒松動圈概念的基礎上，根據變形、應力梯度等指標劃定松動區范圍，但是相關指標仍然需要人為指定，導致吸濕膨脹范圍的劃定不夠精確，后續可以對吸濕膨脹范圍的精確確定方法作進一步研究。

(5)膨脹土的膨脹變形與初始含水率、終了含水率和上覆荷載等均有關系。膨脹土含水率變化過程實際是非飽和土滲流過程，具有強非線性。膨脹土吸水膨脹可通過引入膨脹系數(采用初始應變法)進行有限元分析。但膨脹系數與多因素相關，如應力狀態、初始含水率等，對某一種特定膨脹土不是一個常數。由于試驗資料有限，未考慮增濕過程中膨脹系數的變化，而是指定了幾種極端的不利工況進行分析，后續可加強相關試驗研究。

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